CN102943461A - 利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法，分为夯击前处理和夯击后处理：夯击前，根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯前不同深度处的剪切波速V_s，取场地内不同深度处的土样进行击实试验完成室内剪切波速测试，测试结果包括剪切波速与孔隙比关系V_s-e，以及最大剪切波速V_smax；夯击后，根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯后不同深度处的剪切波速V_s′，最后根据上述参数计算出夯实度δ，依据夯实度δ实现强夯加固效果评估；与现有技术相比，本发明引入了量化分析评价地基强夯加固效果的量化参数——夯实度δ，对强夯加固效果的评估结果能做到定量分析，更具体、准确。

Description

利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法

技术领域

本发明涉及建筑行业的地基处理技术领域，特别是涉及一种地基强夯加固效果的量化分析方法。

背景技术

强夯法地基加固作为一种经济、高效、适用范围广的地基处理方法，近年来广泛运用于各项大型基础设施建设之中。由于强夯加固效果受到包括夯锤、落距、夯点布置、夯击能、间歇时间以及场地土等诸多因素的影响（参见文献[1]），《建筑地基处理技术规范》（参见文献[2]）规定，强夯施工前必须先进行现场试夯试验，然后根据检测结果确定加固效果和方案适用性。因此如何准确、高效评价强夯效果就成为强夯地基处理的一个关键问题。

目前常规的加固效果检测方法有静载试验、标贯、静力触探、动力触探等。静载试验等常规方法在抽查数量较少时易漏掉薄弱部位，抽查数量较大时效率低、不够经济。

多道瞬态面波法作为一种新兴的岩土工程原位测试方法因其检测效率高、测试条件要求低、可以大范围测试等优点，是近年来开始运用于强夯效果检测的一种新方法。但是该方法目前利用瑞雷面波的这一特点，对于强夯地基的检测均停留在定性分析的阶段，无法对加固效果给予定量评价。这就造成了面波测试只能看到加固效果有无变化，但是无法量化加固效果。

目前工程中利用瑞雷面波对强夯效果评价，主要是借助于瑞雷面波的频散特性以及波速与岩土物理力学指标的相关性，通过观察从地基顶面一定深度内波速的变化情况，以及夯击前后各深度处波速的变化情况来判断夯击的效果。文献[3]对某工业厂房开发区内的地基强夯加固效果进行了面波与触探和钻探的对比分析；文献[4]根据地区经验公式，将波速等值线图换算成了承载力等值线图；文献[5]应用瑞雷面波法对堆石地基进行了检测，提出剪切波速的比值大于1.5，作为有效加固的范围。文献[6]等将面波法与电法相结合对软土的强夯加固效果进行了对比分析。文献[7]，对回填地基进行了面波检测的定性与定量分析，但是其定量分析仅局限于‘面波波速-承载力’地区经验回归公式，根据某种土的地区经验公式由测得的瑞雷面波速估算承载力。由于土质的千差万别，地区经验公式的计算只能局限于某些区域的某些土，运用于其限定范围之外势必会严重影响精度，甚至是错误的。尤其是对于强夯置换工程中的填土，更是不可能得知其经验公式，难以准确定量评价其加固效果。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法，本发明基于瑞雷面波的现场测试与剪切波反演技术，结合室内剪切波测试，提出了强夯加固效果量化评价参数，通过对该量化评价参数的计算来实现对强夯加固效果的定量评价。

本发明提出了一种利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法，分为夯击前处理和夯击后处理，其特征在于，该方法包括以下步骤：：

步骤一、夯击前，根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯前不同深度处的剪切波速V_s，

$v_s=\frac{1+\mathrm{\μ}}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}\·v_R---\left(1\right)$

式中V_S是剪切波波速，V_R是瑞雷面波波速，μ为泊松比。可见，瑞雷面波与剪切波具有很好的相关性；

取夯击场地内不同深度处的土样进行击实试验完成室内剪切波速测试，测试结果包括剪切波速与孔隙比关系V_s-e，Vs＝157.43e^-0.745，以及最大剪切波速V_smax，

步骤二、夯击后，根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯后不同深度处的剪切波速V_s′；

步骤三、计算量化分析评价地基强夯加固效果的量化参数——夯实度δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{V_s^{\′}-V_s}{V_{s\max }-V_s}$

上式中，V_s′为地基加固后现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_s为地基加固前现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_smax为某种土在特定含水率下室内击实试验所能测得最小空隙比时其对应的剪切波速所能达到的剪切波速的最大值。根据夯实度δ的定义，正常情况下，其变化范围应该在0-1之间：最大值为1，即夯击达到了某种土在室内击实试验所达到的最大密实程度；当夯击后的面波波速等于夯击前的波速时，δ=0，即剪切波速没有变化，夯击效果为最小。

与现有技术相比，本发明引入了量化分析评价地基强夯加固效果的量化参数——夯实度δ，对强夯加固效果的评估结果能做到定量分析，效果分析结果更具体、准确，建筑领域中强夯地基的实施评估提供了可信赖的科学依据。

附图说明

图1为剪切波测试仪工作原理示意图；

图2为剪切波测试中剪切波传播时间的测定结果曲线示意图；

图3为本发明的利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法的流程图；

图4为本发明一工程实例的瑞雷面波采集示意图；

图5为本发明的工程实例中夯前和夯后两种不同方案瑞雷面波测试结果示意图。

具体实施方式

本发明所依据的现有技术理论阐述及推导如下，包括：

一、波速与物理力学特性的关系

1、瑞雷面波与剪切波关系

根据应力波理论，均匀介质的地基土中面波与剪切波存在以下关系：

$v_s=\frac{1+\mathrm{\μ}}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}\·v_R---\left(1\right)$

式中V_S是剪切波波速，V_R是瑞雷面波波速，μ为泊松比。可见，瑞雷面波与剪切波具有很好的相关性。故可以根据瑞雷面波的频散曲线反演得到千行加固前后岩土体的剪切波速。

2、剪切波与地基土承载力关系

根据天津市工程建设标准《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000）粘性土的承载力基本值可以根据物理性指标来确定，具体见表1。其中，液性指数体现其存在状态情况（即含水量的多少），对于地基不同深度处土的含水率以及填土的含水率一般在岩土勘察报告中都会提及并且是容易测得的。强夯过程中，改变的是体现其空间结构（密实程度）的孔隙比，所以若能建立起粘性土孔隙比与剪切波速的关系，就可以间接建立起剪切波速与土的承载力之间的关系。

表1《岩土工程技术规范》中规定的承载力基本值确定方法

对于土的物理性质指标与其剪切波速之间的关系，一些学者进行过相关研究（参见文献[8-9]），研究结果显示，土的剪切波速与其多项基本物理性指标存在显著相关性。据以上分析，我们可以确定的是剪切波速与土体承载力之间存在高度相关性。这样就可以通过室内试验来建立剪切波速与土体的关系，为利用剪切波速甚至瑞雷面波速来实现对土体强度的评价创造条件。但是土体千差万别，若要实现对某一具体场地强夯效果的准确评价，还需对场地土的剪切波速实验室精确标定。

结合勘察资料从现场钻探取出一定深度内不同土层土样，在试验室先进行击实试验，测试土体在不同击实功时其对应的剪切波速和空隙比等相关物理性参数。击实过程使用电动击实仪或人工击实，剪切波测试采用GJY-1型工程检测仪。

如图1所示，剪切波测试采用对测法，即在圆柱形图样两侧各放置一对压电传感器，一发一收，通过测试剪切波到达时间和式样高度来计算出其剪切波速。其计算公式如下：

$v_s=\frac{t_1-t_0}{h}---\left(2\right)$

上式中t₁为实测剪切波传播时间，t₀为系统延时，参见图2所示的剪切波传播时间的测定结果曲线。

式样孔隙比e可以通过式样体积和颗粒比重来计算得到。计算公式如下：

$e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s(1+\mathrm{\ω})}{\mathrm{\ρ}}-1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s(1+\mathrm{\ω})\mathrm{\π}{D}^{2}h}{4m}-1---\left(3\right)$

上式中ρ_s为土颗粒密度，ω为含水率，D为试筒直径，h为土样的高度，m为土样的质量。根据现有研究成果和成熟理论证实，土样的剪切波速随空隙比减小而增大。图1为某场地土试验室实测空隙比与剪切波速之间的关系。通过对试验数据进行回归分析得到剪切波速于孔隙比e的关系为：

Vs＝157.43e^-0.745        （4）

利用孔隙比e和各地层土的含水率就可依据《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000）来确定地基土的承载力基本值。

以下结合一个工程实例对本发明进行技术方案的具体实施进行描述：

工程概况：某旅游区道路工程路基为软弱土层，计划采用低能级强夯的方式进行地基处理，来提高地基承载力，减小工后沉降。为了将表层填土夯实而又尽量不扰动下卧软土层，确定目标处理深度为2.0-2.5m。为获得最佳夯击方案，选取该工程中的300m×40m路基作为试夯区，采用了多种夯击方案进行试夯。试夯区地层情况见表3。

表3.试夯区地基土层分布情况简表

量化分析：利用本发明的瑞雷面波量化分析技术对试夯效果进行了检测评估，量化分析过程详见图3-图5。

如图3所示，本发明的流程具体包括以下步骤：

分为夯击前处理和夯击后处理：

夯击前处理：根据现场瑞雷面波测试结果进行频散曲线反演计算，得到夯前不同深度处的剪切波速V_s，取场地内不同深度处的土样进行击实试验完成室内剪切波速测试，测试结果包括剪切波速与孔隙比关系V_s-e，以及最大剪切波速V_smax。

夯击后处理：根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯后不同深度处的剪切波速V_s′。

目前用瑞雷面波评价地基强夯处理的加固效果，是利用夯前与夯后地基一定深度范围内面波波速的变化情况来定性分析加固效果。由于只有加固前后的波速值，虽然可以看出变化情况，但是由于没有相关标准作为比较，因此无法据此定量地判定加固效果的好坏。而本发明则通过室内击实试验可以得到不同土层（土质）的最大密实状态对应的孔隙比e和剪切波速，这样就为利用瑞雷面波测试结果定量评价夯实效果提供了可能。

为了能够实现量化分析，本发明提出为了量化分析评价地基强夯加固效果的量化参数——夯实度δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{V_s^{\′}-V_s}{V_{s\max }-V_s}---\left(5\right)$

上式中，V_s′为地基加固后现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_s为地基加固前现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_smax为某种土在特定含水率下室内击实试验所能测得最小空隙比时其对应的剪切波速所能达到的剪切波速的最大值。根据夯实度δ的定义，正常情况下，其变化范围应该在0-1之间，理想情况下其所能达到的最大值为1，即夯击达到了某种土在室内击实试验所达到的最大密实程度（剪切波速），当夯击后的面波波速等于夯击前的波速时，δ=0，即波速没有变化。这里讨论两种特殊情况，即δ>1和δ<0的情况：

（1）当δ>1时，说明夯击后的现场实测面波波速换算成的剪切波速大于室内即使试验的测试结果，原因可能是室内即使试验是一定情况下的最大密实，并不是土质的绝对最大密实，道理同土的实测压实度可能会超过100%是一样的；

（2）当δ<0时，说明夯击后的实测面波波速小于夯击前的波速，出现这种情况的原因可能是对于软土地基没有做好排水或由于夯击能不适合等其他原因导致夯击没有达到预期，形成‘橡皮土’的情况。

由此可见，通过计算强夯量化参数δ，能够合理反映各种夯击效果。

表2.建议量化参数评判标准

δ

<0.05

0.050.1

0.10.25

0.250.5

0.50.75

>0.75

夯击效果

扰动

无

差

一般

良

优

以图4中1^#传感器和2^#传感器这两种试夯方案进行现场面波采集与室内剪切波测试，得到的瑞雷面波测试结果如图5中5-1、5-2所示的两种不同试夯方案（即方案A和方案B）。

按照图3中的流程对其进行量化分析，结果见表4和表5。

表4.方案A量化分析结果

表5.方案B量化分析结果

根据以上量化分析结果可以发现：方案A在0-1.5m深度范围内夯实效果一般，且对2.5m以下的土层产生了扰动导致其波速下降；方案B影响深度2.5m，0-1.5m加固效果较好，且没有发现对下卧软土层产生扰动。通过量化对比分析，确定采用方案B作为工程夯击方案。

根据室内剪切波速测试结果和《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000）得到本场地的地基承载力基本值计算公式为：

$f_0=2.215{(\frac{1+\mathrm{\&mu;}}{0.87+1.12\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;v_R)}^{0.884}---\left(6\right).$

附：参考文献

[1]年廷凯,李鸿江,杨庆,陈允进,王玉立.不同土质条件下高能级强夯加固效果测试与对比分析[J].岩土工程学报,2009,31(1):140-144.

[2]中华人民共和国建设部．建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3]张瑾,朱伟忠,郑继忠,张虎生.瑞雷波法在强夯地基质量检测中的应用[J].物探与化探，2005,29（3）

[4]吴福良,耿光旭,仲伟周.瑞雷波在地基强夯检测中的应用[J].西安交通大学学报，2003,37（4）

[5]孙启军，陈国法，陈淦.应用雷瑞波法检验堆石地基强夯效果[J].工程勘察，2006，增刊

[6]田玉民,史殿胜,孙建宏.综合物探方法在软土地基处理检测中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(6)

[7]何立军，水伟厚，陈国民，夏学礼.多道瞬态面波法在强夯处理地基检测中的应用[J].工程勘察，2006，增刊

[8]郑金安，软土的地基波速与标准贯入击数深度的相关特征[J].岩土工程学报

[9]高印立，阎澍旺，王金英，剪切波速与土性指标间的统计关系[J].建筑科学

Claims (1)

1.一种利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化分析方法，分为夯击前处理和夯击后处理，其特征在于，该方法包括以下步骤：：

步骤一、夯击前，根据现场瑞雷面波测试得到的频散曲线进行反演计算，得到夯前地基不同深度处的剪切波速V_s，

$v_s=\frac{1+\mathrm{\&mu;}}{0.87+1.12\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;v_R$

式中VS是剪切波波速，VR是瑞雷面波波速，μ为泊松比。可见，瑞雷面波与剪切波具有很好的相关性；

取夯击场地内不同深度处的土样进行击实试验完成室内剪切波速测试，测试结果包括剪切波速与孔隙比关系V_s-e，Vs＝157.43e^-0.745，以及最大剪切波速V_smax，

步骤二、夯击后，根据频散曲线反演计算进行现场瑞雷面波测试，得到夯后不同深度处的剪切波速V_s′；

步骤三、计算量化分析评价地基强夯加固效果的量化参数——夯实度δ：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{V_s^{\&prime;}-V_s}{V_{s\max }-V_s}$

上式中，V_s′为地基加固后现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_s为地基加固前现场测得的瑞雷面波波速反演计算得到的剪切波速，V_smax为某种土在特定含水率下室内击实试验所能测得最小空隙比时其对应的剪切波速所能达到的剪切波速的最大值。根据夯实度δ的定义，正常情况下，其变化范围应该在0-1之间：最大值为1，即夯击达到了某种土在室内击实试验所达到的最大密实程度；当夯击后的面波波速等于夯击前的波速时，δ=0，即剪切波速没有变化，夯击效果为最小。

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