基于瞬态瑞雷波法在软基检测中的应用

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  摘 要:瑞雷波法技术具有应用范围广、分辨率高、受场地影响小、检测速度快等特点,是一种无损伤、快速的监测方法,主要利用瑞雷波在分层介质中传播时,频散特性和传播速度与介质物理力学性质的密切相关性,实现对物体内部进行测试的目的。本文就瞬态瑞雷波法在软基检测中的应用进行了分析。
  关键词: 瑞雷波法;软基;检测技术
  随着计算机的迅速发展,二十世纪七十年代以来,渐渐出现利用人工激发的瑞雷波来解决浅层工程地质问题的技术研究。目前所采用的办法一般是在现场埋设原位监测仪器,这种办法固然有效,但存在监测设备的埋设和监测的工作量大,原位监测受到施工干扰和人为破坏,影响监测的精度和原位监测的工程费用较高等不足。因此,如果能找到一种更为简便、有效而且经济的方法补充或代替上述方法,将具有一定的实际工程价值。在土动力学中,土的剪切波速是一重要系数,近三十多年来,已有很多学者对其进行了大量的研究。试验证实,在一定的压力作用下,土体的固结度与剪切波速之间存在一定的相关关系。文中通过室内共振柱试验建立起剪切波速与土体固结度之间的关系,并将试验成果应用于现场地基固结度的检测,进而对软土地基处理效果进行评价,为路基卸载和后续施工提供参考资料。
  1.瑞雷波的传播特性
  瑞雷波(R波)在半无限弹性空间介质中的重要传播特性,逐渐被人们所重视,其中包
  (1)R波沿深度方向迅速衰减,其穿透深度约为一个波长;
  (2)R波沿水平方向,相对于S波(横波)、P波(纵波)衰减很慢,一般认为在一个波长以外主要的波动能量只有R波;
  (3)R波的高频部分在浅层传播,低频部分在较深范围内传播;
  (4)均质介质中无频散性;
  (5)非均质介质中的频散特性。
  以上特性为瑞雷波勘探提供了充分的理论依据,为其开发利用奠定了基础,具有广阔的应用前景。
  2瑞雷波检测软基固结效果原理
  2.1瑞雷波法的基本原理
  瑞雷波是沿地表传播的一种弹性波,其两种特性是瑞雷波在层状介质中相速度VR与频率f的相关性(即瑞雷波的频散特性);另一方面瑞雷波传播的相速度VR与岩土体的物理力学性质具有密切的相关性。由介质的弹性模量和泊松比之间的换算关系以及瑞雷面波波速的方程,可以得到瑞雷波波速与横波波速的关系:
  其中,VS为横波速度;VR为纵波速度;为泊松比。
  对于一般的土而言,泊松比介于0.45~0.49之间,则瑞雷波速度约为横波速度的0.95倍。影响横波速度的主要因素是介质的密度及弹性力学参数,因此,由瑞雷波测试所得Vk值可估算有关介质的岩土及工程动力学参数。
  2.2剪切波速增量与固结度的关系
  由于剪切波速主要受土骨架刚度控制而不受含水率和饱和度的显著影响,在土体排水固结中,其孔隙比的减小和有效应力的增大,两者均会使土体剪切波速VS值增大。若主要考虑有效应力的增大因素,土体t时刻的固结度Ut近似可由VS的增值来表示:
  其中,△Vst和△Vsp分别为主固结阶段t时刻和终结时刻剪切波速度关于初始值的增值。
  根据文献,土体在不同有效应力比△pˊ/poˊ下剪切波速增值与固结度成线性关系,各直线斜率随△pˊ/poˊ噢的增大而增大。同一种土的归一化剪切波速增值与固结度的相关关系点几乎落在同一条直线上,该直线可表示为:
  其中,△pˊ为主固结完成时有效应力增量关于起始应力pˊ的增值;k为归一化直线斜率,与土的性质有关,一般随土的塑性指数增大而减小。
  在实际工程应用中,如先求出土层各点的自重应力poˊ和附加应力△pˊ,并通过室内试验确定该土层的计算参数k,则可由固结过程中的剪切波速增量来估算土的固结度。
  3工程应用
  3.1工程概况
  某环城公路主干线地处珠江三角洲地区,沿线软弱地层发育,软弱地层主要类型是冲淤积形成的淤泥和淤泥质土层,以厚层和夹层形式存在。因软土层的沉降量大,排水缓慢、固结时间和沉降稳定周期长,易导致较大的工后沉降。
  考虑建设工期的要求,掌握软基路段的固结情况,以便为软基卸载提供较为详实的资料,对沉降速率较大,实施再超载处理路段的稳定性控制提供地质资料同时,可进一步完善其地质资料,为工后沉降的预估等提供相关资料。笔者分别在路基荷载施加前和预压350d后,利用瞬态瑞雷波系统对一段公路进行了测试,同时取薄壁土样进行室内共振柱试验。
  3.2检测成果及分析
  室内共振柱试验得到淤泥质亚黏土、亚黏土的归一化剪切波速增值与固结度关系直线斜率值分别为0.36,0.28。
  根据现场测试结果进行处理和计算分析后,可以得到地基土层不同深度范围内的剪切波速度。由现场瑞雷波测试成果可以看出,软基经堆载预压处理后,工程物理性质得到改善,密实度增大,预压350d后的瑞雷波波速较预压前有明显提高;地下6.5m深度范围内路堤中间的剪切波速增值在37m/s左右,路堤外侧的剪切波速增值在26m/s左右;地下6.5m~15m深度范圍内路堤中间的剪切波速增值在18m/s左右,路堤外侧的剪切波速增值在9m/s左右。
  从整体上看,地层波速分布平稳有序,说明地层性质稳定,不存在明显的差异。软基经砂井堆载预压处理后,瑞雷波波速明显提高,与测试点预压前、预压后频散曲线的变化相适应。在整个试验段内,预压处理后的瑞雷波波速总体都有所提高。
  3.3由实测孔隙水压力值推算固结度
  利用瞬态瑞雷波现场测试求得的固结度可以通过实测的孔隙水压力资料进行验证。根据埋设在软基某深度处的孔压测头测得超静孔隙水压力的增长和消散资料,可以了解该深度土层的固结情况,并对整个软基的固结情况作大致评价。
  孔压计算固结度方法计算出堆载350d后主路基断面中心线下-3m,-6m和-9m处的固结度分别为86.2%,83.3%和81.6%;整个软基的平均固结度为84.5%。
  瑞雷波法测试推算的整个软基平均固结度为86.1%,淤泥质亚黏土层的平均固结度为83.9%,亚黏土层的平均固结度为87.3%。可以看出,对于淤泥质亚黏土层,由瑞雷波法估算的固结度与由孔压估算的固结度较为接近;而对于亚黏土层,由孔压估算的固结度比瑞雷波法估算的固结度小。这里应指出,由于砂井地基中某测点孔压一般不能代表这一深度土的平均孔压值,由孔压估算的固结度并不是标准值,因而仅作为参考;但在另一方面,瑞雷波法的结果体现的是某一深度范围土层的平均特性。
  4结束语
  综上所述,瑞雷波检测对于地基工程地质勘察、路基承载力检测、软土路基加固效果评价等方面均具有广泛的应用前景。深入开展瑞雷波现场测试技术、检测资料的解析、正反演计算分析和与传统检测方法的对比分析研究,具有重要意义。
  参考文献:
  [1]李维.利用瞬态瑞雷波测试软基固结度的研究[D].河海大学,2007
  [2]武炜.瞬态瑞雷波检测单桩承载力模型研究[D].河北工业大学,2002
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