費(fèi) 晗，李志俊，蔡德鉤

(1.中鐵七局 武漢公司，武昌 430063;2.廣深港客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，廣州 510623;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

工程物探作為一項(xiàng)輕便快捷工程地質(zhì)勘探手段已被國(guó)內(nèi)外工程界所共識(shí)，并逐步出現(xiàn)了電法、彈性波法、電磁法、重力法、磁法、放射性法、聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法和多種物理測(cè)井技術(shù)等。瞬態(tài)瑞利波法(瞬態(tài)R波)是彈性波法中應(yīng)用較多的一種，自從 1887年Rayleigh首次發(fā)現(xiàn)了瑞利波的存在并揭示了瑞利波在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性后，瑞利波作為一種有效的物探方法和檢測(cè)手段得到迅速發(fā)展［1-2］。本文主要采用瞬態(tài)瑞利波法測(cè)試加固前后的波速變化來(lái)檢驗(yàn)加固效果，分析其檢驗(yàn)整體質(zhì)量的效果。

1 測(cè)試原理

當(dāng)在介質(zhì)表面施加一瞬態(tài)激振力時(shí)，產(chǎn)生不同頻率的瑞利波，利用測(cè)試得到的瑞利波波速與頻率曲線轉(zhuǎn)換為瑞利波波速與深度曲線，該曲線的變化規(guī)律反映了該點(diǎn)介質(zhì)隨深度變化的規(guī)律，拐點(diǎn)、突變點(diǎn)等特征點(diǎn)反映了地層的地質(zhì)力學(xué)特性。

瑞利波法工作原理主要是以下三條［3］:瑞利波的傳播速度與土層介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān);在分層介質(zhì)中，瑞利波具有頻散特性;瑞利波在傳播過(guò)程中波長(zhǎng)不同，穿透深度也不同。

2 軟土地基處理效果評(píng)價(jià)

某地基處理試驗(yàn)段，地基屬第四系全新統(tǒng)沖湖積層，表層為黏土，軟～硬塑，層厚0.76～3.60 m;其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，含少量腐植物，局部夾有薄層粉砂，具高壓縮性、低強(qiáng)度、高觸變性的特點(diǎn)，厚3.2～16.5 m;下臥層為黏土、粉土及粉質(zhì)黏土，軟～硬塑。試驗(yàn)段主要由黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉砂等組成。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的含水量和孔隙比平均值達(dá)到44.4%和1.23，屬于典型軟土。地基處理措施如表1所示。

表1 軟土地基處理措施

2.1 漿噴樁處理

漿噴樁處理K0+042和K0+115斷面測(cè)試結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，R波波速對(duì)軟基經(jīng)過(guò)漿噴樁處理和路基填筑影響的改善程度反應(yīng)相當(dāng)靈敏。三次測(cè)試結(jié)果變化明顯，R波頻散曲線均出現(xiàn)較大幅度的平移，路基填筑后5個(gè)月平移幅度仍然較大。路基填筑后5個(gè)月，漿噴樁處理斷面原地面下深10 m瑞利波平均波速分別從原來(lái)的107.2 m/s和108.0 m/s提高至 142.4 m/s和 146.2 m/s。

漿噴樁處理軟基在高壓噴漿破壞、壓密土體同時(shí)，產(chǎn)生了大量水泥水化的結(jié)晶物，形成了包裹著土顆粒的水泥—土結(jié)構(gòu)，地基土體變密，成分發(fā)生變化，土體強(qiáng)度改善，致使彈性波傳播速度明顯加快。水泥—土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度隨時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)，硬化過(guò)程繼續(xù)耗用土中水，并隨著路基填筑導(dǎo)致地基土附加應(yīng)力的部分增長(zhǎng)發(fā)生固結(jié)，因而地基土性隨著時(shí)間繼續(xù)改善，彈性波速度繼續(xù)提高。

圖1 處理斷面R波頻散曲線

2.2 粉噴樁處理

粉噴樁處理K0+200斷面測(cè)試結(jié)果如圖2所示。地基處理后2個(gè)月和路基填筑后5個(gè)月波速增幅較大。路基填筑后5個(gè)月，原地面下深10 m瑞利波平均波速?gòu)脑瓉?lái)的112.2 m/s提高至174.8 m/s。水泥粉噴樁是以粉體水泥作固化劑，經(jīng)強(qiáng)制攪拌發(fā)生一系列水解、水化、凝硬等反應(yīng)，消耗大量土中水同時(shí)，水泥水化物的膠結(jié)作用使水泥和軟土形成水泥土，形成承載力高、沉降量小的水泥土樁復(fù)合地基。與漿噴樁不同之處在于，粉體水泥的水化硬化反應(yīng)耗用的土中水將會(huì)更多，粉噴樁處理后2個(gè)月，瑞利波波速迅速增長(zhǎng)，同漿噴樁處理地基情況相同，路基填筑完后5個(gè)月，波速仍有較大幅度的增長(zhǎng)。

圖2 K0+200粉噴樁處理斷面R波頻散曲線

3 濕陷性黃土地基處理

新建客運(yùn)專線濕陷性黃土地基處理試驗(yàn)段，自重濕陷性黃土厚度較大(20 m以上)，0～23 m深度范圍內(nèi)，地層主要為砂質(zhì)黃土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，自重濕陷性黃土場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)為IV級(jí)(很嚴(yán)重)。場(chǎng)地長(zhǎng)180 m，地基處理分柱錘沖擴(kuò)樁(DDC樁)、擠密樁和強(qiáng)夯三種類型，各類型試驗(yàn)段長(zhǎng)度40 m，不同類型間設(shè)10 m寬的過(guò)渡段。路堤高度5 m，堆載預(yù)壓土3 m，見表2。

表2 濕陷性黃土地基處理措施

三個(gè)測(cè)試斷面典型的瑞利波頻散曲線見圖3，地基處理前波速較為一致，經(jīng)過(guò)三種方案處理后波速提高的幅度有較大差別。在處理深度范圍內(nèi)波速變化由大到小分別是柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)、擠密樁區(qū)和強(qiáng)夯區(qū)，波速得到了較大提高。變化幅度從大到小依次為柱錘沖擴(kuò)樁、擠密樁和強(qiáng)夯，在處理深度范圍內(nèi)平均變化為126.5 m/s，50.0 m/s，13.9 m/s。

4 既有線過(guò)渡段路基加固

既有線路橋過(guò)渡段存在豎向剛度突變和道砟槽等問(wèn)題，對(duì)路橋過(guò)渡段路基狀況的檢測(cè)和加固是既有線提速改造的重要內(nèi)容。既有線路路基在運(yùn)營(yíng)的條件下，因?yàn)閳?chǎng)地和時(shí)間的限制，對(duì)于路基面的承載力及質(zhì)量狀況等指標(biāo)直接采用常規(guī)方法較難全面測(cè)試，且一般的物探方法無(wú)法給出路基的力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，直接在道砟上采用多道瞬態(tài)瑞利波法測(cè)試路基的頻散特性，得出路基的力學(xué)參數(shù)分布，為既有線路橋過(guò)渡段路基的檢測(cè)評(píng)估提供一種較為有效的方法。

膠濟(jì)線白沙河橋和K165+083框構(gòu)橋過(guò)渡段路基分別采用注漿和水泥土擠密樁方法進(jìn)行加固，測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。加固后一周、加固后4個(gè)月波速均有不同程度的提高，通過(guò)連續(xù)測(cè)試，獲得了過(guò)渡段路基的面波波速等值線圖，如圖6所示，可直觀反應(yīng)加固區(qū)均勻性。

圖3 濕陷性黃土地基處理前后瑞利波典型頻散曲線

圖4 白沙河橋過(guò)渡段頻散曲線

圖5 K165+083框構(gòu)橋過(guò)渡段頻散曲線

圖6 框構(gòu)橋過(guò)渡段面波波速等值線圖

瑞利波速度與地基土的容許承載力和壓縮模量之間具有較好的相關(guān)關(guān)系［4］，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)輕型動(dòng)力觸探測(cè)試的擊數(shù)N10與瑞利波波速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖7所示，相關(guān)性較好。根據(jù)該關(guān)系，可對(duì)該線路相同填料路基進(jìn)行力學(xué)評(píng)估。

5 結(jié)論

對(duì)軟土地基處理、濕陷性黃土地基處理和既有線路橋過(guò)渡段路基加固前后的瞬態(tài)瑞利波波速測(cè)試表明，瞬態(tài)瑞利波法是一種較為有效的物探無(wú)損檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)加固效果的整體質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估，具有快速、經(jīng)濟(jì)、有效等特點(diǎn)。

［1］方謙光，李志華.利用瑞利波進(jìn)行鐵路路基穩(wěn)定性檢測(cè)的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1999，21(4):55-59.

［2］李杰生，錢春宇，廖紅建.多道瞬態(tài)面波法在鐵路路基測(cè)試中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2003(S2):611-615.

［3］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1993.

［4］張寶山，胡景坤.應(yīng)用瑞利波檢驗(yàn)評(píng)價(jià)碎石樁復(fù)合地基［C］//中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)學(xué)術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集，1990:378-383.