瑞雷波法在復(fù)合地基承載力檢測中的應(yīng)用研究

       摘要：討論了應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷面波進行碎石樁復(fù)合地基承載力檢測的基本技術(shù)原理，通過分析剪切波速和標準貫入擊數(shù)、樁間土變形模量之間的關(guān)系，建立了瑞雷波速和樁土應(yīng)力比之間的模型，進而建立瑞雷波和碎石樁復(fù)合地基承載力之間的關(guān)系模型。與靜載荷試驗對比，兩者一致性良好，具有較高的精確度。

　　關(guān)鍵詞：瑞雷波；樁土應(yīng)力比；地基承載力；關(guān)系模型

　　前言

　　隨著建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑物對地基的要求也就越來越高。由于具有經(jīng)濟、適用面廣等特點，碎石樁復(fù)合地基這種地基處理形式越來越多地應(yīng)用到工程實踐中。工程實踐的要求推動了地基處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，與此同時，對加固后復(fù)合地基承載力的檢測也就成為一個亟待解決的課題。承載力檢測的傳統(tǒng)方法有靜載荷試驗、標準貫入試驗、重力觸探等原位測試方法。這些方法無疑在復(fù)合地基檢測中發(fā)揮了重要的作用，但是這些試驗方法也存在一些問題：設(shè)備笨重，試驗周期長；受場地條件限制，一個工程只能做少數(shù)幾個點的檢測；不能滿足地基過程中對施工質(zhì)量跟蹤檢測的要求，也不能對地基處理效果做出全面的評價。因此，研究新型復(fù)合地基檢測設(shè)備和手段具有重要的意義。瑞雷面波測試技術(shù)是一種無破損、高速快捷的檢測新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)中[1]。應(yīng)用瑞雷面波測試技術(shù)可以快捷而可靠地完成對復(fù)合地基承載力的快速檢測和評價。

　　1瞬態(tài)瑞雷波檢測的基本技術(shù)原理

　　利用瑞雷波法檢測碎石樁復(fù)合地基承載力主要利用其兩種特性：一是在分層介質(zhì)中瑞雷波速度的頻散特性；二是瑞雷波傳播速度與介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性。前者可以根據(jù)實測頻散曲線劃分層位，并計算個層的波速值。后者根據(jù)壓縮模量、承載力等也與土層物理力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)的特點建立與其的關(guān)系模型。

　　對于均勻的彈性半空間層狀介質(zhì)，其表面受到瞬態(tài)沖擊作用時，將產(chǎn)生瞬態(tài)振動。振動組分中包括縱波、橫波和瑞雷波。在一次沖擊產(chǎn)生的波能中，瑞雷波占67%，即從振源向半無限介質(zhì)表面輻射的總能量的2/3形成瑞雷波，而縱波和橫波只占有少量的能量。

　　設(shè)簡諧激振力頻率為，傳播速度為，則波長。理論研究表明，在瑞雷波傳播過程中，能量大部分集中在深度范圍內(nèi)。改變激振力的頻率，也就改變了瑞雷波的波長和穿透深度。這樣，簡諧激振力的頻率由高往底變化，分別測試出各個頻率的瑞雷波傳播速度，就實現(xiàn)了由淺向深的探測。

　　瑞雷波的傳播速度與剪切波速之間有近似關(guān)系[2]：

　　(1)

　　為地層的泊松比。第四系的地層的泊松比為0.4~0.49，因此對于常用的地基土體，瑞雷波速和剪切波速相等，誤差只有5%左右。

　　2新的樁土應(yīng)力比模型的建立

　　樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基設(shè)計的重要參數(shù)之一，然而樁土應(yīng)力比的精確計算非常困難。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合具體的地基處理形式，根據(jù)各自的假定條件提出一些樁土應(yīng)力比的計算公式。樁土應(yīng)力比傳統(tǒng)計算方法有Rowe公式、Baumann公式、Preibe公式、模量比公式以及基于復(fù)合地基和天然地基載荷試驗曲線推算等方法。模量比公式是其中最簡單的算式，他假定在剛性基礎(chǔ)下，樁體和樁間土的豎向應(yīng)變相等，向應(yīng)變相等，即。于是，樁體上，樁間土上豎向應(yīng)力，樁土應(yīng)力比的表達方式為：

　�。�2）

　　式中、為樁體材料和樁間土體的變形模量。

　　上述假定與實際情況有較大的差別，用來估算樁土應(yīng)力比值比較粗糙。趙平，趙明華，趙明[3]考慮復(fù)合地基中碎石樁的縱橫向變形異性，引入魏西克彈性圓孔擴張理論和曲線法，考慮碎石樁土共同工作，建立了模量比計算樁土應(yīng)力比的修正公式：

　�。�3）

　　式中、為樁體和樁間土的泊松比，為面積置換率。其他參數(shù)同上。修正公式雖然具有可靠的精度，但是由于本公式的計算基于靜載荷試驗的應(yīng)用條件，因此具有設(shè)備沉重、周期長、造價高等缺點。而且，只能進行局部、小范圍的抽測，不利于大規(guī)模的使用和推廣。

　　變形模量和剪切波速均反映了土體的軟硬程度，兩者之間具有良好的相關(guān)性。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)和呈對數(shù)關(guān)系。即：。本文對132個現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到和回歸曲線關(guān)系模型：

　�。�4）

　　同時，經(jīng)過對17根碎石樁的單樁承載力靜荷載試驗研究發(fā)現(xiàn)，在施工質(zhì)量的以保證的情況下，碎石樁變形模量的引起的變化對樁土應(yīng)力比的取值影響不大，因此本文在討論過程中采用推薦值16。

　　將(4)式，及=16代入（3）式即可得新的樁土應(yīng)力比公式。

　�。�5）

　　3承載力計算模型的建立

　　復(fù)合地基承載力計算通常有兩種思路：一種是先分別確定樁體的承載力和樁間土的承載力值，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合地基的承載力值；另一種是通過復(fù)合地基滑弧穩(wěn)定分析法確定復(fù)合地基承載力值。由前一種思路得到的承載力公式又可以分為二類：面積比公式和應(yīng)力比公式；由后一種思路得到的穩(wěn)定分析法，選用土體強度指標有兩種方法：一是分別選用樁體強度指標和樁間土強度指標，二是統(tǒng)一選用復(fù)合土強度指標。

　　根據(jù)復(fù)合地基承載力應(yīng)按置換率和應(yīng)力集中比來計算的原理，即依據(jù)復(fù)合地基的應(yīng)力按材料剛度大小進行應(yīng)力重新分布的理論，復(fù)合地基的容許承載力由下式給出：

　�。�6）

　　根據(jù)本文提出的樁土應(yīng)力比計算公式以及瑞雷波速同天然地基承載力之間的關(guān)系模型[4]：

　　（7）

　　將（7）式和（5）式代如（6）式即可求出碎石樁復(fù)合地基的承載力值。本文的數(shù)據(jù)分析也是建立在此基礎(chǔ)上的。

　　4工程檢測實例

　　為進一步驗證公式的可靠性，我們對廊坊市檢察院辦公樓的碎石樁復(fù)合地基場地同時進行了靜荷載試驗和瑞雷波法測試，并將測試結(jié)果進行了對比分析。

　　場地多為粉及砂性土，設(shè)計樁徑為0.42，有效樁長7.0，樁土面積置換率為0.132，復(fù)合地基承載力設(shè)計值150。靜載荷試驗共進行單樁復(fù)合地基靜載荷試驗6個點，按相對沉降法取值（），復(fù)合地基承載力平均值為173，極差為平均值的29%，由此確定復(fù)合地基承載力標準值為173。

　　場地共布設(shè)瑞雷波法測試點62個，各測試點瑞雷波速在115~157之間，平均波速為138.5。經(jīng)運用本文提出的碎石樁承載力計算公式計算，復(fù)合地基承載力基本值在165.3~179.9之間，復(fù)合地基承載力標準值為171.1，標準差為11。