利用瞬时面波法检测强夯地基的强夯加固效果

利用瞬时面波法检测强夯地基的强夯加固效果摘要：为提高公路地基的承载力，减少填土的不均匀沉降，对湿陷性黄土采用强夯法进行加固，并采用瞬态瑞雷面波法对湿陷性黄土的强夯加固效果进行无损检测，与工程勘察动力触探、静力触探测得结果进行对比分析，取得了较为满意的效果。最终验证了利用瞬态面波法检测强夯加固效果的可行性。结果表明，瞬态面波法为公路工程质量的评定提供了一种行之有效的方法，具有无损、快速、连续等优点。最后文章提出了在面波测试过程中应该注意的问题，以便加以推广应用。1．引言强夯加固法是一种经济高效的地基处理方法，最早起源于1965年法国的LouisMenard技术公司首创。该法是通过一重锤自由落下，对地基施加强大的冲击能，在地基土中产生冲击波和动应力，从而提高地基土的强度，改善土的物理力学性能的地基加固方法。随着强夯技术的发展，强夯法应用的范围越来越广。实践证明，利用强夯法加固路基填土能够减少填土的不均匀沉降，提高填土的路基承载力，并降低工程成本，加快工程进度。然而，采用强夯法加固湿陷性黄土，加固效果的好坏直接影响着道路结构的稳定性。因此，路基加固效果的检测就显得非常重要。对于强夯处理段，利用静力触探和动力触探等物探方法尽管行之有效，却要花费大量时间和工程费用。而瞬态面波检测无需在地层中钻孔测试，技术简单可行，可连续检测大范围的加固效果。是一种集经济、快捷、可靠、适用性强于一身的原位测试技术。本研究结合现场测试进一步证明瞬态面波法是一种检测路基强夯质量的有效方法。2．面波检测强夯效果基本原理瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波。弹性波到达弹性或速度、密度不同介质界面上时，会产生反射、折射现象,同时产生界面波。沿自由表面传播的波称为表面波,其中质点在波的传播方向垂直平面内振动,质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆,且振幅随深度呈指数急剧衰减,传播速度略小于横波。它最初由美国瑞雷(Rayleigh)［4.5］从理论上加以确定，因此通常称之为瑞雷波。利用瑞雷波的三大特性可进行路基强夯加固效果的质量检测［6］。一是瑞雷波在分层介质中传播的频散特性；二是瑞雷波的影响深度大致在一个波长以内，波长不同，穿透深度也不同，不同波长的瑞雷波反映不同深度的介质情况；三是瑞雷波的传播波速与剪切波速具有密切相关性。填土经过夯实后，土中压缩比减小，承载力、波速随介质密度增大而增加，若施工不均匀或夯击次数不够，则承载力无法达到要求，瑞雷波速就低；若强夯效果好承载力满足要求，则瑞雷波速就高。因此，瑞雷波速的高低，直接反映了填土承载力的大小。强夯前后瑞雷波速度的变化，体现了土力学性质的变化。因此，在加固前后的填土上进行面波检测，对比检测结果，即可对加固效果进行评定［6］。3．工程应用与分析3.1瑞雷波工作方法技术本次试验采用北京市水电物探研究所研究生产的SWS型工程勘探与工程检测面波仪。仪器主要分为数据采集系统和数据分析系统两大部分。利用数据采集系统采集的数据通过数据分析系统分析得出瑞雷波速度与深度的关系曲线［7］。根据瑞雷波产生的激振方式不同，一般分为瞬态法和稳态法两种，本次现场试验采用的激振方式为瞬态法。瞬态法测试所需仪器设备除面波仪外，还需震源（现场采用大锤捶击钢板产生），检波器和电缆线等，其工作现场布置图如图1所示。面波仪面波仪检波器电缆线路基震源Δx图1瞬态瑞雷波工作现场布置图工作参数的设置如下：道间距Δx选用1m，接受数据道数为12道；偏移距为4m；采样率为0.2ms；记录长度为2048ms；激发方式为锤击。3.2现场试验方案试验现场采用强夯机械锤重24000kg，落距10.5m，夯锤底面积4.52m2；锤底静应力为52.04kpa；夯点间距为7.0m，采用梅花形布点方式。单点夯击能2520kJ，通过夯击次数的改变来改变总夯击能的大小。本试验采用的夯击次数为8次。在夯击前对夯击场地进行了瞬态面波试验动力触探试验；并在夯后30d对该场地再次进行上述试验，以检测强夯的加固效果，并通过瞬态面波试验和静力触探、动力触探的试验结果的对比，证明瞬态面波法是一种检测路基强夯质量的有效方法。3.3.试验成果分析3.1.1动力触探成果分析根据夯前夯后动力触探结果（图2）表明，夯击次数为8次时，其影响深度约为4.4m。深度为4.4m以下时，强夯的夯击能不足以对路基土产生加固作用。在约4.4m深度范围内，动探击数较夯前均有明显的增加，平均增加约1.6倍，最大幅度增加近4.7倍，说明夯点间的挤密作用或上下土层的挤压作用显著。图2动力触探成果图3.1.2面波成果分析观察夯前夯后频散曲线对比图（图4），可以看出不同夯击能下夯前夯后频散曲线在不同位置处相交（标志是倒叉字形）。夯击3次时，频散曲线在约1.8mabc夯前测线A、B、C的测试数据及频散数据剖面夯后测线D、E、F的测试数据及频散数据剖面图4瞬态面波分析成果图深度处相交，夯前1.8m以内面波相速度较低，夯后1.8m深度内面波相速度有所提高，强夯的影响深度约为1.8m。夯击6次时，频散曲线在约3m处相交，夯前3m内面波相速度较夯后在3m深度范围内（表1）有所提高，而在3m以下深度几乎没有变化，强夯的影响深度为3m左右。夯击9次时，频散曲线在4.5m处重合，然而面波相速度的增量并没有随夯击能而增加，这可能与现场土质条件不均匀（粉土中夹杂着块状高液限粘土）相关，夯击9次时强夯影响深度约为4.5m。表1强夯前后不同深度处三种测试方法所测结果（以夯击8次为例）测试方法动力触探（击//10cmm）静力触探（MPPa）瞬态面波（m//s）测试深度夯前夯6次夯前夯6次夯前夯6次230cm1.445.572.031.02121129240cm1.676.962.53.49120128250cm1.677.622.773.6119125260cm2.573.571.282.79118122270cm3.693.921.011.37116120280cm3.842.971.181.29117119290cm4.53.451.181.01117118300cm4.613.551.091.06117118310cm2.783.331.151.111188118320cm2.783.640.981.11118119330cm2.783.761.111m2.663.572.781.03120120350cm2.633.173.31.18122122表2不同夯击能下三种测试方法测试加固深度的成果对比测试方法夯击8次动力触探4.4m瞬态面波4.5m4结论和建议（1）．通过对动力触探和面波这三种不同的方法检测强夯加固深度的成果对比分析可以看出，夯击3次加固的有效深度在1.7m—2m之间，夯击6次加固深度为2.8m—3m间，夯击9次加固的有效深度为4.5m左右。（2）．瞬态面波法是一种检测路基强夯质量的行之有效的方法，与传统物探方法相比具有缩短检测周期.，不破坏场地，连续，大面积测试的优点，提高了质量检测的精度；为强夯应用于旧路加宽路基的质量检测提供了一条有效途径。（3）．面波的测试受到现场土质条件的影响，为了更精确地收集面波数据，需要收集测区的地层条件和地层分布特征，还需要丰富的实践经验，以减少人为误差。在采集数据时，分析选择合理的激发参数，接收参数和观测参数，以提高瑞雷面波的采集质量。参考文献张庆国，毕秀丽。强夯法加固机理与应用［M］。济南：山东科学技术出版社，2003。徐至钧。强夯和强夯置换法加固地基［M］。北京：机械工业出版社，2004。杨海红，何亚伯，王令等。加宽道路施工新技术研究［J］。武汉大学学报（工学版），2006（2）。杨成林。瑞利波