随着国家工业用地和保护耕地政策的需要,山区建设用地不断增加。山区建设用地多为开挖回填,回填的碎石土需经强夯处理才能使用,因此,强夯后的地基土钻探、勘察、原位测试都因大量块石的存在而难以实施[1-2]。本文主要研究碎石土强夯后的工程特性,着重解决下述碎石类土的问题:确定密实度;评价强夯地基土的均匀性;确定强夯地基的有效影响深度;计算地基土的承载力、剪切模量、泊松比等物性指标。
1 研究思路遵循物探工作从已知到末知的原则,通过对已知的大量钻探、土工试验资料和静载荷压板试验数据的统计、分析,建立强夯地基土与地震波速之间的关系;以此为反演基础,推断地基土的密实度、均匀性及承载力等物性指标;最后,将反演结果编制成物探软件,使之与岩土工程勘察相结合[3-10]。由于软件著作权尚在申报阶段,本文对软件部分不作讨论。具体研究技术路线见图 1。
通过对6个项目、4×106 m2强夯地基土的检测(其中,静载荷压板试验256处,钻探取土7 640件,标贯试验17 221次,动力触探11 315 m),建立地基土层与地震波速度之间的关系。具体方法为:在钻探地质剖面上、静载荷压板试验处,布置地震排列,同时测试地层的瑞雷波速度、纵波速度;然后,将静载荷压板、标贯试验、动探的结果与地震波速度进行统计分析;最后,将地震波速度与地层物理指标建立一一对应的关系。
1) 地基土密实度与地震波速的关系。通过对1 331个钻孔的动力触探(11 315 m)进行回归统计,得出地层的密实度与地震波速之间存在如表 1所示关系。
2) 地基土承载力与地震波速的关系。通过对已知256处强夯地基土压板试验的统计分析,得出其承载力的规律为:
式中,K的变化规律是随着Vr的增加而急剧减小。一般Vr < 200 m/s时,K≈0.1;200 m/s≤Vr≤300 m/s时,K≈0.75;Vr > 300 m/s时,K值骤降。由于统计样本数量不足,此规律有待进一步研究。
3) 地基土的均匀性与地震波速的关系。本课题研究的是在同一地震排列中同时测试Vr、VP,通过检波器的移动和测线的布设,实现面积性勘察。因此,可根据速度等值线的平缓凸凹程度,宏观判定地基土的纵向、横向均匀性。
4) 地基土的有效影响深度与地震波速的关系。比对同一测点夯前、夯后速度,增值小于5%所确定的Vr深度即为强夯地基土的有效影响深度。
5) 地基土的物理参数确定。由于在同一地震排列中,同时研究VP、Vr的变化,且Vr≈0.9 VS,因此,以Vr取代VS计算地基土的物理指标。
体积弹性模量:
杨氏模量:
泊松比:
1) 观测系统设计。设计观测系统如图 2所示。设计参数如下:A1、A2……A12为检波器;道间距L=1 m;偏移距LO1=LP1=0 m;LO2=LP2=5 m;LO3=LP3=10 m;采样间隔Δ=500 μs;采样长度为2 s;震源为锤击震源。
2) 地震波VP、Vr的拾取。利用自主编写的地震波VP/Vr(VSP)软件提取VP、Vr速度,纵波速度VP的拾取与常规的地震折射法相同,包含初至时间的读数、时距曲线的平行性检查、互换时间检查、地形文件的添加、地层分层、设置互换时间及第二次速度计算、延迟时间及生成速度模型、平滑速度模型、分层及提取速度反演速度模型,最终确定地层纵波速度。
建立文件列表及输入文件信息,计算其中的点道集和离散曲线,观察、分析离散曲线,进行非线性反演,最终确定瑞雷波速度值。
3) 对试验结果的循环修正。由于试验是在已有地基土物理指标的基础上进行的,因此试验结果的输出如果与实际情况不符,则修改参数,重新计算,直至与实际情况完全吻合为止。
3 工程实例对于山西某强夯地基土的检测,设计观测系统如图 3所示。
野外试验采用WZG-24A工程地震仪、12道4 Hz检波器、道间距1 m,采样间隔500 μs, 采样长度2 s,锤击震源。试验结果与现场钻探结果见图 4、图 5和表 2、表 3。
从结果比对可以看出,密实度确定的最大绝对误差为0.5 m,承载力特征值最大绝对误差为25 kPa,基本能满足工程检测需要;强夯影响深度、均匀性等问题从速度剖面图可直观判定,较钻探更为简洁明了。
4 结语运用本研究成果实施碎石类土强夯地基的检测、勘察,可节省大量的钻探成本,具有广阔的市场前景。将研究成果进一步推广,将来可以解决砂土液化的判定、地基刚度系数的测定等多种原位测试问题。但本文研究主要是围绕碎石类土展开,对于素填土、砂土、粉土的波速与物理指标之间的关系构建还缺乏足够的样本,程序编写中,杨氏模量、体积模量、泊松比等参数的计算依据是弹性力学,缺少工程实践的验证,需要在今后改进。
[1] |
杨成林. 瑞雷波勘探[M]. 北京: 地质出版社, 1993 (Yang Chenglin. Rayleigh-Wave Exploration[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1993)
(0) |
[2] |
祁生文, 孙进忠, 何华. 瑞雷波勘探的研究现状及展望[J]. 地球物理学进展, 2002, 17(4): 630-635 (Qi Shengwen, Sun Jinzhong, He Hua. Research Status and Prospect of Rayleigh-Wave Exploration[J]. Progress in Geophysics Exploration, 2002, 17(4): 630-635 DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2002.04.011)
(0) |
[3] |
胡中平, 孙建国. 高精度地震勘探问题思考及对策分析[J]. 石油地球物理勘探, 2002, 37(5): 530-536 (Hu Zhongping, Sun Jianguo. Problems and Countermeasures of High Precision Seismic Exploration[J]. Petroleum Geophysical Exploration, 2002, 37(5): 530-536 DOI:10.3321/j.issn:1000-7210.2002.05.018)
(0) |
[4] |
陈宏林, 丰继林. 工程地震勘察方法[M]. 北京: 地震出版社, 1998 (Chen Honglin, Feng Jilin. Engineering Seismic Prospecting Method[M]. Beijing: Seismological Press, 1998)
(0) |
[5] |
刘远, 孙进忠, 赵体, 等. 强夯地基处理效果的多道瞬态瑞雷波检测[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(6): 2 910-2 916 (Liu Yuan, Sun Jinzhong, Zhao Ti, et al. Multi Channel Transient Rayleign-Wave Detection for the Effect of Dynamic Compacting Foundation Treatment[J]. Progress in Geophysics Exploration, 2014, 29(6): 2 910-2 916)
(0) |
[6] |
田宗勇, 姚姚, 黄小军, 等. 用面波检测技术检查复合地基强夯加固效果[J]. 人民长江, 2005, 36(3): 56-57 (Tian Zongyong, Yao Yao, Huang Xiaojun, et al. Application of Surface Wave Detection Technology to Check the Effect of Dynamic Consolidation of Composite Foundation[J]. People Yangtze River, 2005, 36(3): 56-57 DOI:10.3969/j.issn.1001-4179.2005.03.023)
(0) |
[7] |
陈华, 尹健民, 肖国强, 等. 瞬态瑞雷波法检测堆石体地基的强夯效果[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(增1): 1 897-1 899 (Chen Hua, Yin Jianmin, Xiao Guoqiang, et al. Application of Transient Rayleigh-Wave Method to the Dynamic Compaction of Rockfill Foundation[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(S1): 1 897-1 899)
(0) |
[8] |
Shen H Y, Li Q C. One New Rayleigh Wave Velocity Analysis Method[C]. The 6th International Conference on Environmental and Engineering Geophysics, 2014
(0) |
[9] |
Xia J H. Estimation of Near-Surface Shear-Wave Velocities and Quality Factors Using Multichannel Analysis of Surface-Wave Methods[J]. Journal of Applied Geophysics, 2014, 103(2): 140-151
(0) |
[10] |
Miller R D. New Developments in Analysis of High-Frequency Rayleigh Waves[C]. The 2nd International Conference on Environmental and Engineering Geophysics, 2006 http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW200606002003.htm
(0) |