瑞雷波法在復(fù)合地基承載力檢測(cè)中的應(yīng)用研究
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(duì)地基的要求也就越來(lái)越高。由于具有經(jīng)濟(jì)、適用面廣等特點(diǎn)，碎石樁復(fù)合地基這種地基處理形式越來(lái)越多地應(yīng)用到工程實(shí)踐中。工程實(shí)踐的要求推動(dòng)了地基處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，與此同時(shí)，對(duì)加固后復(fù)合地基承載力的檢測(cè)也就成為一個(gè)亟待解決的課題。承載力檢測(cè)的傳統(tǒng)方法有靜載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重力觸探等原位測(cè)試方法。這些方法無(wú)疑在復(fù)合地基檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用，但是這些試驗(yàn)方法也存在一些問(wèn)題：設(shè)備笨重，試驗(yàn)周期長(zhǎng)；受場(chǎng)地條件限制，一個(gè)工程只能做少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)；不能滿足地基過(guò)程中對(duì)施工質(zhì)量跟蹤檢測(cè)的要求，也不能對(duì)地基處理效果做出全面的評(píng)價(jià)。因此，研究新型復(fù)合地基檢測(cè)設(shè)備和手段具有重要的意義。瑞雷面波測(cè)試技術(shù)是一種無(wú)破損、高速快捷的檢測(cè)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(cè)試技術(shù)可以快捷而可靠地完成對(duì)復(fù)合地基承載力的快速檢測(cè)和評(píng)價(jià)。
1瞬態(tài)瑞雷波檢測(cè)的基本技術(shù)原理
利用瑞雷波法檢測(cè)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(shí)測(cè)頻散曲線劃分層位，并計(jì)算個(gè)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(diǎn)建立與其的關(guān)系模型。
對(duì)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(shí)，將產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)。振動(dòng)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(wú)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(jiǎn)諧激振力頻率為，傳播速度為，則波長(zhǎng)。理論研究表明，在瑞雷波傳播過(guò)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(zhǎng)和穿透深度。這樣，簡(jiǎn)諧激振力的頻率由高往底變化，分別測(cè)試出各個(gè)頻率的瑞雷波傳播速度，就實(shí)現(xiàn)了由淺向深的探測(cè)。
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(duì)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(jì)的重要參數(shù)之一，然而樁土應(yīng)力比的精確計(jì)算非常困難。國(guó)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(jì)算公式。樁土應(yīng)力比傳統(tǒng)計(jì)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(yàn)曲線推算等方法。模量比公式是其中最簡(jiǎn)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(dá)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(shí)際情況有較大的差別，用來(lái)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(kuò)張理論和曲線法，考慮碎石樁土共同工作，建立了模量比計(jì)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(jì)算基于靜載荷試驗(yàn)的應(yīng)用條件，因此具有設(shè)備沉重、周期長(zhǎng)、造價(jià)高等缺點(diǎn)。而且，只能進(jìn)行局部、小范圍的抽測(cè)，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(jì)發(fā)現(xiàn)和呈對(duì)數(shù)關(guān)系。即：。本文對(duì)132個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到和回歸曲線關(guān)系模型：
�。�4）
同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)17根碎石樁的單樁承載力靜荷載試驗(yàn)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(duì)樁土應(yīng)力比的取值影響不大，因此本文在討論過(guò)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(jì)算模型的建立
復(fù)合地基承載力計(jì)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(guò)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(lèi)：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(qiáng)度指標(biāo)有兩種方法：一是分別選用樁體強(qiáng)度指標(biāo)和樁間土強(qiáng)度指標(biāo)，二是統(tǒng)一選用復(fù)合土強(qiáng)度指標(biāo)。
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(lái)計(jì)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(jìn)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(jì)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(cè)實(shí)例
為進(jìn)一步驗(yàn)證公式的可靠性，我們對(duì)廊坊市檢察院辦公樓的碎石樁復(fù)合地基場(chǎng)地同時(shí)進(jìn)行了靜荷載試驗(yàn)和瑞雷波法測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
場(chǎng)地多為粉及砂性土，設(shè)計(jì)樁徑為0.42，有效樁長(zhǎng)7.0，樁土面積置換率為0.132，復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值150。靜載荷試驗(yàn)共進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)6個(gè)點(diǎn)，按相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)值為173。
場(chǎng)地共布設(shè)瑞雷波法測(cè)試點(diǎn)62個(gè)，各測(cè)試點(diǎn)瑞雷波速在115~157之間，平均波速為138.5。經(jīng)運(yùn)用本文提出的碎石樁承載力計(jì)算公式計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值為171.1，標(biāo)準(zhǔn)差為11。
