基于瑞利波技术的建筑地基检测评价研究

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　　摘要：本文介绍了瑞利波技术的原理，研究了瑞利波在介质中的传播规律。通过静载实验，建立波速与地基承载力间的数学模型，为评价强夯地基的处理效果提供理论依据，并通过现场实验验证了本文所建模型的正确性。
　　关键词：强夯法；瑞利波技术；建筑地基；模型
　　Based on the Rayleigh wave technique foundation detection evaluation
　　Qin ZongxingChen YanCai Ruirui
　　Abstract: This paper introduces the principle of the Rayleigh wave technology, research on Rayleigh wave propagation in the medium of. Through the static load experiment, establishment of wave velocity and ground bearing capacity mathematical model between, for the evaluation of dynamic consolidation foundation treatment results provide a theoretical basis, and through the field experiment to verify the correctness of the models.
　　Key words: dynamic consolidation method; Rayleigh wave technique; construction of foundation; model
　　
　　一、引言
　　强夯法是建筑地基处理中比较常用的方法之一，该方法适用土类广，施工简单，加固效果显著，施工费用低。强夯法虽然已在工程中得到广泛的应用，但有关强夯机理的研究，至今尚未取得满意的结果。因此强夯地基的检测在工程建设过程中尤为重要。对于强夯土为碎石土、基岩强风化物的地基，设计强夯法加固后的地基土承载力特征值较大时，有些检测手段不能适用，故可采用面波测试和静载荷试验的对比，对强夯效果作出评价。并对检测方法进行对比分析，介绍各检测方法的相关性及实用性。
　　某电厂主厂区范围大部分于陆域，局部或部分地段位于海域。场区内海域段是经开挖后爆破及开挖出来的土石方回填形成现在的陆域。场地上覆土层为人工填土，厚度0~13 m，主要成分为含大量块石的碎石土，局部含花岗岩风化后的残积土；下伏基岩为花岗岩。未经处理的地基不满足承载力设计要求，经多方考虑研究，采用强夯加固地基处理的方法。经处理后的地基承载力特征值fak需不小于180 kPa，变形模量需不小于15 MPa。本次检测的主要目的是检测强夯地基土的承载力特征值、变形模量是否满足设计要求。
　　二、检测方法的原理及参数的选定
　　1、瑞利波检测技术
　　瑞雷波是由英国学者Rayleig H于1887年提出的，它是一种在介质的自由界面附近传播的面波，其形成与传播直接与介质的物理特性有关。瑞雷波在二维空间传播时，其介质的质点振动图像呈逆时针椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍；在3维空间也有同样的情形。瑞雷波就是靠这种形式的质点振动及质点与质点间的相互影响传播的。由波动方程推导可知，它的传播速度约为同介质内横波速度的0.92倍，而且能够反映介质的物理特性和存在状态。
　　研究证明，瑞雷波的能量主要集中在地表下的某一波长范围。而传播速度是在λr/2范围内介质振动的平均传播速度。因此，一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长，而波长与速度及频率之间的关系满足λr=Vr/fr式中：Vr表示瑞雷波的传播速度；fr表示频率；λr表示瑞雷波的波长。当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。
　　瑞雷波与被测地层(土体)有关，其主要特征是：(1)在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；(2)瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；(3)瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。
　　通常，们将沿弹性体自由表面层传播的弹性波称为弹性表面波，以与沿体内传播的弹性波相区分。弹性表面波也可分为两类，即沿传播方向的垂直平面内振动的瑞利(Rayleig)波和水平内振动的拉夫(Love)波人们发现，在层状介质中传播的瑞利波，其波速和频散特性与介质的物理力学性质密切相关，而且，其衰减也比体波的P波和S波慢得多。一般而言，它将在约一个波长的表层内传播，因此，不同波长(即不同频率)的瑞利波，其传播信息，反映了不同深度的介质之物理力学特性。若我们不断改变瑞利波的频率fr可求出fr(或波长λr)与波速Vr间之关系。而这种关系V=F(λr)就包含了不同深度(即沿深度)的介质之物理力学特征，再进行必要的反演与分析，就有可能得出在一定深度内介质的物理力学特征。
　　瑞利波检测，按其激振方式，可分为稳态法与瞬态法两种。前者激振器每回只激发一种单一频率fr的瑞利波，若依次改变fR并测出相应的波速V，就可求出相应范围内的频散曲线Vr―fr。而瞬态法，其激振器激发的是一定频率范围内的瑞利波之叠加则两检波器距离为x，于是，与f相应的瑞利波速度为：
　　2、静载试验
　　荷载试验设备一套，采用相对稳定法，总加载量360kN，分8级加载，卸载4级。依据各等级加载量观测的沉降量绘制p- s曲线，并确定地基承载力。按2倍分级加载值，即跳级卸载，观测地基的回弹量。
　　三、检测结果及资料分析
　　以瑞利波和静载荷试验为主，部分点做了重力触探试验。其中载荷试验点及部分重力触探试验的分区，同时布置了瑞利波进行测试，以其对照之用。测波议为美国Strataview 24道信号增强型高分辨率地震仪，内置486计算机及DSP处理器,具有瞬时浮点增益，4 Hz检波器及配套设备，道间距0.5 m，偏移距6 m；采样间隔0.25 ms，记录长度1024 ms。侧线布置则根据场地的具体条件，横向或纵向布置。为了提高野外的工作效率,通常将数据存储起来，待全部测完后再集中在室内进行处理和解释。资料处理流程为:输入文件→进行二维频谱分析进行有效速度运算→形成频散曲线→人工分层→计算得出层速度→复合地基承载力计算。
　　资料处理的最终结果是获得每一测点的层速度与深度关系的Vr―h曲线，因此重要的是求速度Vr，Vr―h曲线的确定是通过傅氏变换,把时间域记录转换为频率域信息，得到不同频率成分的相位角，然后转换为该频率成分的波速。
　　由表1可知，强夯的主要影响深度范围在0.5~4.5m之间，剪切波波速变异系数为0.086，变异系数很小，因此可以推断夯实的较均匀。现场载荷试验算得的特征值fak和变形模量E0，与对应测点0.5~ 4.5m瑞利波测试结果之间具有很好的相关性。
　　表1 实验检测结果
　　统计 样本个数 统计个数 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数
　　变形模量(MPa) 7 7 91.86 41.06 68.25 18.30 0.27
　　承载力特征值(kPa) 7 7 359 300 338 22.28 0.066
　　剪切波速度( m/ s) 67 67 215 156 187.4 16.07 0.086
　　大量研究表明，瑞利波速度与地基承载力间存在某种指数关系，即： ，其中，a、b为常数，其数值与地区及测试地层类型的影响。所测得的信号，也是这叠加波的综合信息，因此，必须经过频谱分析，相位谱分析等，将频率和信号分离成各个单频及与其相应的波速，就可以求出在一定频率范围内的频散曲线。
　　四、结论
　　瑞利波法是一种快速、经济、有效的方法，特别是对于抛石填海地基、碎石土填土地基、钻探难以进行，而压板数量少、压板面积小的工程，有很重要的意义。同时瑞利波波速Vr与地基承载力有很好的相关性，可以检测大范围地基加固效果。利用瑞利波法可以有效地估算强夯地基的承载力，通过与静载试验的对比说明，瑞利波法估算复合地基的承载力有一定的精度，要精确计算碎石土填土地基加固效果及承载力，还需结合静载试验等测试结果，通过大量的瑞利波测试，通过对比与验证，确定合适的计算公式。
　　参考文献
　　1、 SJG04-96, 深圳地区地基处理技术规范[S].
　　2、DB21-907-96, 建筑地基基础技术规范[S].
　　3、杨成林. 瑞雷波勘探[M]. 北京: 地质出版社, 1993.
　　
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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