瑞雷波法在复合地基承载力检测中的应用研究

　　摘要：讨论了应用瞬态瑞雷面波进行碎石桩复合地基承载力检测的基本技术原理，通过分析剪切波速和标准贯入击数、桩间土变形模量之间的关系，建立了瑞雷波速和桩土应力比之间的模型，进而建立瑞雷波和碎石桩复合地基承载力之间的关系模型。与静载荷试验对比，两者一致性良好，具有较高的精确度。
　　关键词：瑞雷波；桩土应力比；地基承载力；关系模型
　　前言
　　随着建筑事业的蓬勃发展，建筑物对地基的要求也就越来越高。由于具有经济、适用面广等特点，碎石桩复合地基这种地基处理形式越来越多地应用到工程实践中。工程实践的要求推动了地基处理技术的迅猛发展，与此同时，对加固后复合地基承载力的检测也就成为一个亟待解决的课题。承载力检测的传统方法有静载荷试验、标准贯入试验、重力触探等原位测试方法。这些方法无疑在复合地基检测中发挥了重要的作用，但是这些试验方法也存在一些问题：设备笨重，试验周期长；受场地条件限制，一个工程只能做少数几个点的检测；不能满足地基过程中对施工质量跟踪检测的要求，也不能对地基处理效果做出全面的评价。因此，研究新型复合地基检测设备和手段具有重要的意义。瑞雷面波测试技术是一种无破损、高速快捷的检测新技术，广泛应用于土木工程建设中[1]。应用瑞雷面波测试技术可以快捷而可靠地完成对复合地基承载力的快速检测和评价。
　　1瞬态瑞雷波检测的基本技术原理
　　利用瑞雷波法检测碎石桩复合地基承载力主要利用其两种特性：一是在分层介质中瑞雷波速度的频散特性；二是瑞雷波传播速度与介质物理力学性质的密切相关性。前者可以根据实测频散曲线划分层位，并计算个层的波速值。后者根据压缩模量、承载力等也与土层物理力学参数密切相关的特点建立与其的关系模型。
　　对于均匀的弹性半空间层状介质，其表面受到瞬态冲击作用时，将产生瞬态振动。振动组分中包括纵波、横波和瑞雷波。在一次冲击产生的波能中，瑞雷波占67%，即从振源向半无限介质表面辐射的总能量的2/3形成瑞雷波，而纵波和横波只占有少量的能量。
　　设简谐激振力频率为，传播速度为，则波长。理论研究表明，在瑞雷波传播过程中，能量大部分集中在深度范围内。改变激振力的频率，也就改变了瑞雷波的波长和穿透深度。这样，简谐激振力的频率由高往底变化，分别测试出各个频率的瑞雷波传播速度，就实现了由浅向深的探测。
　　瑞雷波的传播速度与剪切波速之间有近似关系[2]：
　　(1)
　　为地层的泊松比。第四系的地层的泊松比为0.4~0.49，因此对于常用的地基土体，瑞雷波速和剪切波速相等，误差只有5%左右。
　　2新的桩土应力比模型的建立
　　桩土应力比是复合地基设计的重要参数之一，然而桩土应力比的精确计算非常困难。国内外学者结合具体的地基处理形式，根据各自的假定条件提出一些桩土应力比的计算公式。桩土应力比传统计算方法有Rowe公式、Baumann公式、Preibe公式、模量比公式以及基于复合地基和天然地基载荷试验曲线推算等方法。模量比公式是其中最简单的算式，他假定在刚性基础下，桩体和桩间土的竖向应变相等，向应变相等，即。于是，桩体上，桩间土上竖向应力，桩土应力比的表达方式为：
　　（2）
　　式中、为桩体材料和桩间土体的变形模量。
　　上述假定与实际情况有较大的差别，用来估算桩土应力比值比较粗糙。赵平，赵明华，赵明[3]考虑复合地基中碎石桩的纵横向变形异性，引入魏西克弹性圆孔扩张理论和曲线法，考虑碎石桩土共同工作，建立了模量比计算桩土应力比的修正公式：
　　（3）
　　式中、为桩体和桩间土的泊松比，为面积置换率。其他参数同上。修正公式虽然具有可靠的精度，但是由于本公式的计算基于静载荷试验的应用条件，因此具有设备沉重、周期长、造价高等缺点。而且，只能进行局部、小范围的抽测，不利于大规模的使用和推广。
　　变形模量和剪切波速均反映了土体的软硬程度，两者之间具有良好的相关性。经统计发现和呈对数关系。即：。本文对132个现场测试数据进行回归分析，得到和回归曲线关系模型：
　　（4）
　　同时，经过对17根碎石桩的单桩承载力静荷载试验研究发现，在施工质量的以保证的情况下，碎石桩变形模量的引起的变化对桩土应力比的取值影响不大，因此本文在讨论过程中采用推荐值16。
　　将(4)式，及=16代入（3）式即可得新的桩土应力比公式。
　　（5）
　　3承载力计算模型的建立
　　复合地基承载力计算通常有两种思路：一种是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力值，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力值；另一种是通过复合地基滑弧稳定分析法确定复合地基承载力值。由前一种思路得到的承载力公式又可以分为二类：面积比公式和应力比公式；由后一种思路得到的稳定分析法，选用土体强度指标有两种方法：一是分别选用桩体强度指标和桩间土强度指标，二是统一选用复合土强度指标。
　　根据复合地基承载力应按置换率和应力集中比来计算的原理，即依据复合地基的应力按材料刚度大小进行应力重新分布的理论，复合地基的容许承载力由下式给出：
　　（6）
　　根据本文提出的桩土应力比计算公式以及瑞雷波速同天然地基承载力之间的关系模型[4]：
　　（7）
　　将（7）式和（5）式代如（6）式即可求出碎石桩复合地基的承载力值。本文的数据分析也是建立在此基础上的。
　　4工程检测实例
　　为进一步验证公式的可靠性，我们对廊坊市检察院办公楼的碎石桩复合地基场地同时进行了静荷载试验和瑞雷波法测试，并将测试结果进行了对比分析。
　　场地多为粉及砂性土，设计桩径为0.42，有效桩长7.0，桩土面积置换率为0.132，复合地基承载力设计值150。静载荷试验共进行单桩复合地基静载荷试验6个点，按相对沉降法取值（），复合地基承载力平均值为173，极差为平均值的29%，由此确定复合地基承载力标准值为173。
　　场地共布设瑞雷波法测试点62个，各测试点瑞雷波速在115~157之间，平均波速为138.5。经运用本文提出的碎石桩承载力计算公式计算，复合地基承载力基本值在165.3~179.9之间，复合地基承载力标准值为171.1，标准差为11。

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