摘要 摘要 瞬態(tài)瑞雷波技術是近年來興起的一種分辨率高、應用范圍廣、受場地影響小、 檢測設備簡單、檢測速度快的無損檢測技術。它利用瑞雷波在分層介質中傳播時， 頻散特性和傳播速度與介質物理力學性質的密切相關性，實現(xiàn)對物體內(nèi)部進行測 試的目的。本文通過現(xiàn)場瑞雷波測試，結合室內(nèi)共振柱試驗，以及原位孔隙水壓 力監(jiān)測，對利用瑞雷波技術測試軟基固結度進行了系統(tǒng)的研究。論文的主要內(nèi)容 如下： l 針對軟基的固結度問題，提出了不同預壓荷載條件下軟基固結度的計算方 法；基于排水固結原理，分析了超載量與軟基完成固結度的關系：給出了軟基預 壓荷載的卸載控制標準。 2 通過對瑞雷波傳播特征、數(shù)據(jù)采集、速度求取等方面和利用瞬態(tài)瑞雷波技 術測試軟基固結度的具體特點的研究，提出了一種現(xiàn)場測試方法和相應的測試理 論。 3 根據(jù)室內(nèi)共振柱試驗結果建立了剪切波速與土體固結度的相關關系式，并 將試驗成果應用于現(xiàn)場求取軟基固結度的測試。通過與原位孔隙水壓力監(jiān)測固結 度比較，論證了利用瞬態(tài)瑞雷波技術快速檢測軟基固結度的可行性。為了便于實 際應用，用f o r t r a n 語言編寫了相關物理參數(shù)的計算程序。 4 利用瞬態(tài)瑞雷波測試得到的固結度和原位孔隙水壓力監(jiān)測的成果，對某高 等級公路試驗段軟基的處理效果進行綜合評價，就提前卸載可能產(chǎn)生的質量隱患 進行了分析，并提出了相應的處理建議。 關鍵詞：瑞雷波；固結度；軟基；頻散曲線；瑞雷波速度；剪切波速度 a b s t r a c t n l ct r a n s i e n tv i b r a t i o nr a y l e i g l lw a v et e c h n i q u ei san e wt e e h n i q u ed e v e l o p e d r e c e n t l y ，w h i c hh a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr e s o l u t i o n ，w i d e l ya p p l i c a b l e ， s m a l la f f e c t e db yt h es i t e ，s i m p l e - e q u i p m e m ，e 伍c i e n t ，n o n - d e s t r u c t i v ea n ds oo n t i l i st e s tt e c h n i q u eu s e st h ef r e q u e n c yd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i e so fr a y l e i g hw a v e w h i c hp r o p a g a t ei nl a y e rm e d i aa n dt h ec l o s e dr e l a t i o n sb e t w e e nv e l o e i t ya n dp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h r o u g hf i e l dr a y l e i g hw a v et e s t ，l a b o r a t o r yr e s o n a n tc o l u m n t r i a x i a lt e s ta n di ns i t un e u t r a lp r e s s u r em o n i t o r i n g ，s t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o no f r a y l e i 吐w a v ew h i c hm e 踟e l n e n tt h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o no ff o u n d a t i o ns o i l t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 p u ts o f lf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o nc a l e u l a t i o nm e t h o d sw h i c hu s e di nd i f f e r e n t p r e c o m p r e s s i o nl o a d i n gf o rt h ec o n s o l i d a t i o no fs o f tf o u n d a t i o n ；b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o n ，a n a l y s i st h e r e l a t i o n so fs u p e r l o a da n d c o n s o l i d a t i o no fs o f tf o a n d a t i o n ；p u tt h eu n l o a d i n gc o n t r o ls t a n d a r d so fs o f l f o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o n 2 t h r o u g hs t u d y i n gp r o p a g a t i o nf e a t u r e s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s p e e ds t r i k e ，a n dt h e s p e c i f i cf e a t u r e so f t r a n s i e n tr a y l e i g i lw a v et e s ts o f tf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i n n ；t h e na t e s tm e t h o da n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e s t i n gt h e o r ya r e p u t 3 n l e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es h e a rw a v ev e l o c i t ya n dt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o nc a l lb ee s t a b l i s h e db yl a b o r a t o r yr e s o n a n tc o l u m nt r i a x i a lt e s t a c h i e v e m e n t ，w h o s er e s u l t sw e r ea p p l i e dt ot h ef i e l dt e s tt os t r i k et h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o no fs 0 f tf o u n d a t i o n c o n t r a s t i n gt h er e s u l t so fr a y l e i g hw a v et e s ta n di n s i t un e i i l t r a lp r e s s u r em o n i t o r i n g ，v e r i f i c a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft e s t i n gt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o ne f f i c i e n t l yb yt r a n s i e n tr a y l e i g l lw a v e p r o c e d u r e sa r ep r o g r a m m e db y t h ef o r t ra nl a n g u a g et oc a l c u l a t i n gt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f t h et e s te f f i c i e n t l y 4 t h ee f f e c to fs o f tf o u n d a t i o ne v a l u a t e dt h o u g ht h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o nb y r a y l e i g hw a v et e s ta n dt h er e s u l t so fi ns i t um o n i t o r i n g ，a n a l y s i st h eh i d d e nq u a l i t i y p r o b l e m s 、砘t l la d v a n c eu n l o a d i n ga n dp r o p o s ea p p r o p r i a t er e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：r a y l e i g hw a v e ；d e g r e eo fc o n s o l i d a t i o n ；s o f tf o u n d a t i o n ；f r e q u e n c y d i s p e r s i o nc u r e ；r a y l e i g hw a v ev e l o c i t y ；s h e a rw a v ev e l o c i t y 2 學位論文獨創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同事對本研究所做的任何 貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如不實，本人負全部責任。 論文作者( 簽名) ： 樂維2 0 0 7 年籮助日 學位論文使用授權說明 河海大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館、中國學術期刊( 光盤 版) 電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電子文檔，可以采用 影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質論文的內(nèi)容 相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱。論文全部或部 分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權河海大學研究生院辦理。 論文作者( 簽名) ： 左縫2 0 0 7 年5 月? 日 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 改革丌放以來，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，基礎設施建設特別是高等級 公路的建設也進入了一個快速發(fā)展的新階段。尤其是進入2 1 世紀以來，公路建設 空前繁榮，高等級公路的大量興建，其規(guī)模之巨大，對新工藝、新技術、新設備 的開發(fā)和引進之多前所未有。一大批高等級公路的建成通車提高了道路通行能力 縮短了地區(qū)之間的距離，改善了投資環(huán)境，帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益， 為國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展做出了極大貢獻。 在公路工程建設中，軟基是需要進行處理的地基，而且處理的好壞直接影響 到整個工程的質量。軟基是軟土地基的簡稱，軟土包括淤泥、淤泥質粘土等，多 為海相、湖相和河相沉積層，此類土在世界范圍內(nèi)均有廣泛分布，在我國主要分 布在經(jīng)濟比較發(fā)達的沿海、內(nèi)河兩岸及湖泊等地區(qū)。軟土一般具有高含水量、大 孔隙比、高壓縮性、低強度、高靈敏性等特點。軟土的各種物理力學性質決定著 軟基固結排水速度的快慢，在荷載作用下沉降量的大小，達到穩(wěn)定時問的長短， 以及處理和質量控制的難易。 對軟基而言，一般具有如下特征：在外荷載作用下，固結沉降比較大，可 達數(shù)十厘米甚至到數(shù)百厘米，而且固結速度較慢；抗剪強度低，自然地基的承 載力和和穩(wěn)定性往往達不到設計要求；易出現(xiàn)較大的工后沉降和不均勻沉降。 軟基的上述特征，常常影響公路工程質量，引發(fā)事故和災害。在佛山“一環(huán)”軟 基監(jiān)測中，對于采用排水固結法處理的路段，我們遇到了如下兩個典型的問題： ( 1 ) 設計沉降量計算不準確問題，根據(jù)施工單位和設計單位提供的觀測數(shù) 據(jù)，有些觀測斷面只完成設計預估沉降量的2 0 左右，而有些斷面甚至大于3 0 0 。參照相近工程，荷載填完后累計沉降量與最終沉降量比值應在7 0 左右； ( 2 ) 卸載標準確定問題，在施工過程中，對沉降速率較大、排水不暢、開 工時間遲后的部分軟基路段進行再超載，如果還以沉降速率連續(xù)三個月小于 5 n u r g 月作為卸載控制標準，難以執(zhí)行，也不科學。 因此，正確評價軟基固結情況，對完善軟基處理方案、確定卸載時機、預估 河海天學碩f 學位論文 工后沉降和指導后續(xù)施工等，都具有十分重要的意義。 采用排水固結法加固軟基，需隨時了解軟基土層的固結度及抗剪強度隨時間 的變化，判斷軟基的加固效果，控制施工進度，避免路基失穩(wěn)和滑坡事故的發(fā)生。 目酊所采用的辦法一般是在現(xiàn)場埋設原位監(jiān)測儀器，這種辦法固然有效，但存在 以下不足： ( 1 ) 監(jiān)測設備的埋設和監(jiān)測的工作量很大，而且監(jiān)測周期需隨施工進度變 化，監(jiān)測時間較長。工程結束以后，所有的儀器都埋在地下而無法回收，無疑造 成一定的浪費； ( 2 ) 原位監(jiān)測受外界因素影響較大，儀器易受到施工干擾和人為破壞，影 響監(jiān)測的精度； ( 3 ) 由于原位監(jiān)測的工程費用較高，在工程建設中般只選擇典型斷面進 行監(jiān)測，測點密度疏，有一定的局限性。 瞬態(tài)瑞雷波技術是近年來發(fā)展起來的一種新興巖土工程檢測方法，與常規(guī)的 檢測方法相比較，瞬念瑞雷波技術具有分辨率高、應用范圍廣、受場地影響小、 檢測設備簡單、檢測速度快等優(yōu)點，因此廣泛地應用于巖土工程界。利用瞬態(tài)瑞 雷波技術評價軟基加固效果是通過實測軟基加固前后的波速差異，得到處理后的 軟基較處理前土體的物理力學性質的改善程度，同時，可方便地對處理后場地在 水平方向地均勻性做出評價，以及確定加固所影響的深度和范圍。 根據(jù)瞬態(tài)瑞雷波技術的特點，以及現(xiàn)行工程上存在的問題，特別是采用排水 固結法處理路段，研究將瞬態(tài)瑞雷波技術作為補充或完善現(xiàn)有軟基監(jiān)測的一種更 為簡便、快速、有效而且經(jīng)濟的方法，具有重要的實際工程意義。本文將著重研 究采用瞬態(tài)瑞雷波技術測試軟基固結度的基本理論、測試原理和測試方法。 1 2 研究現(xiàn)狀 t e r z a 曲i 一維固結理論中，固結度u 是用來描述沉降與時間之問關系的指標 i l l ，固結度與時間因素瓦有關，l 又與固結系數(shù)c ，成正比。可知，土的固結系 數(shù)越大，土層固結越快，兩者關系很密切。為了正確估算軟基固結度、沉降速率 及其工后沉降等，必須首先合理地測定固結系數(shù)。目前固結系數(shù)的測試方法主要 有三種：室內(nèi)固結試驗、沉降曲線反演法和現(xiàn)場固結試驗。 2 第一章緒論 1 2 1 室內(nèi)固結試驗 室內(nèi)固結試驗是測定軟基固結系數(shù)的最主要方法，利用傳統(tǒng)t e r z a g h i 一維固 結理論中各變量之間的理論關系求出固結系數(shù)。 由室內(nèi)固結試驗求解固結系數(shù)的方法主要有：時間對數(shù)法、時問平方根法、 反彎點法、三點計算法、司各脫法。其中，時問對數(shù)法和時間平方根法是最常用 的兩種方法。時間對數(shù)法必須讀數(shù)滿2 4 h 以上，使包括次固結的這部分曲線能全 部繪出。時問平方根法也至少要估計u 9 0 以后，該方法最困難的是初讀數(shù)難 以】下確得到；另一個缺點是中部直線有時難以辨認。反彎點法和三點法避免了求 r 和蜀。的不準確性，只利用往往比較可靠的試驗曲線中部，計算也比較簡單。 但反彎點法中反彎點目測難以準確，這也影響到結果的精度。司各脫法不但計算 簡便，而且適用于一維和多維固結情況下圍結系數(shù)的確定。司各脫法和三點法還 可在一條試驗曲線的不同時刻得到許多e 值，然后采用平均值作為采用的指標。 雖然室內(nèi)固結試驗應用廣泛，且測試分析理論較為成熟，但也有其自身的較 多無法克服的缺點：土樣擾動程度大；試件??；無法準確地模擬現(xiàn)場條件；工作 量大、試驗時間長、費用高。從而導致室內(nèi)固結試驗結果與現(xiàn)場土體的真實值有 較大差異。 1 2 - 2 沉降曲線反演法 由于常規(guī)室內(nèi)固結試驗的結果與真實值之間存在較大差異，國內(nèi)外很多學者 提出了多種方法來檢驗校正室內(nèi)固結試驗結果，以使其接近真實值。利用地質荷 載條件均較為接近的相鄰工程的實測s t 曲線或孔壓消散曲線來反演e ，和由工 程現(xiàn)場實測沉降曲線反分析固結系數(shù)e 是常用的方法。曾國熙和魏汝龍?zhí)穑愋?彥【3 1 曾根據(jù)實測沉降曲線開展軟基固結系數(shù)方面的研究。由滲流固結理論可知， 各種排水條件土層平均固結度計算可歸納為如下的普遍公式： 療= 1 一c r p 一加( 1 1 ) 式中：口，為待求系數(shù)。 從實測s - t 關系曲線( 圖1 1 ) 上選取最大恒載時段內(nèi)的任意3 點( s ，t 1 ) 、 河海大學碩士學位論文 ( s 2 ，2 ) 、( s 3 ，3 ) ，并使，2 - t 1 = ，3 一r 2 = a t ，則有： 爿1n 黼 2 ， 對于豎向和向內(nèi)徑排水固結砂井地基： = 蒜+ 魯 ( 1 3 ) 式中：c 。、c ，分別為土層的水平向和豎向平均固結系數(shù)，計算時可假設c 。= c 。； f 0 ) 是與井徑比有關的系數(shù)。利用式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可求得軟基固結系數(shù)。 40 一r 一一一 30。_ 20 童8 0 l 6 0 i4 o 翌2 o 煞0 0 圖1 1 荷載、沉降、沉降速率一時間曲線圖 沉降曲線反演法可以較好地反映實際情況，推算的固結系數(shù)比較準確，但是 它只能用來驗證設計參數(shù)的正確與否，無法在工程施工前的設計階段利用該法得 到軟基固結系數(shù)，因此該方法的應用受到很大限制。 1 2 3 現(xiàn)場固結試驗 孔壓靜力觸探試驗( c p t u ) 是發(fā)展迅速的一種簡捷、迅速、方便、可靠的 新型原位測試技術，能在測試過程中比一般靜力觸探多量測出土的孔隙水壓力 外，還能夠在預定深度停止貫入后進行孔隙水壓力的消散試驗，并由此估算軟基 的固結系數(shù)。自從s c h m e r t m a n n ( 1 9 7 4 ) 【4 】和j a n b u & s e r m e s e t ( 1 9 7 4 ) f 5 】研究在 靜力觸探試驗中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力開始，眾多學者對確定軟基的原位固結系 數(shù)進行了大量的研究。t o r s t e n s s o n ( 1 9 7 7 ) 【6 1 提出采用固結度達到5 0 所對應的 2 時間來估算軟基原位固結系數(shù)公式：c = 疋。r 0 ；h o u l s b y & t h e ( 1 9 8 8 ) 1 7 1 認為 4 、，1| l j h ，一 。i 二 、一一 一 。i、i。 第一章緒論 時間參數(shù)受土體剛度，( i = 色【2 ( 1 + u ?！? 的影響較大，提出了相應的固結系 數(shù)估算的修正公式：g = ；魯；由于用孔壓消敬確定的固結系數(shù)過于片面，無 法全面反映整個固結過程中的固結系數(shù)，因而有學者提出用迭代擬合實測曲線方 法( b a l l g l i o ，1 9 8 1 ) 8 l 和采用最優(yōu)化方法( k i m & l e e ，1 9 7 9 ) 1 9 1 求取軟基的固結 系數(shù)，從而考慮整個固結過程對固結系數(shù)的影響。國內(nèi)，朱小林和唐世棟，杜 文山，張誠厚i l l t1 勁，孟高頭1 1 3 一”1 ，姜柯m 1 ，林政舊分別采用孔壓靜力觸探( c p t u ) 設備研究軟基的原位固結系數(shù)。 孔壓靜力觸探試驗雖然試驗時問短、擾動小、方便經(jīng)濟，速度快，但該方法 只能對某點作出評價，難以對軟基加固的均勻性以及加固有效影響深度等作出評 價。 1 2 4 其他測試方法 上述三種測試方法求得的是土體固結系數(shù)，要得到固結度還需進一步的計 算。以下兩種測試方法不依賴固結系數(shù)，根據(jù)波速的變化估算軟基固結度。 1 超聲波法 超聲波測試技術是一種無損檢測新技術。超聲波通過固體材料時，使固體材 料中的每一個微小區(qū)域都產(chǎn)生拉伸、壓縮或剪切等應力應變過程1 堋。因此，超聲 波在這種固體材料中的傳播速度實質上就表征了該種固體材料的應力應變狀態(tài)， 亦即直接反映了固體材料彈性模量與密度特性。這兩個指標與強度有著直接關 系，亦即強度是這兩個指標的綜合反映。由實踐證明，材料的強度愈高，穿過它 的超聲波波速值就愈高，材料的強度愈低，則穿過它的超聲波波速值就愈低，實 質上波速值的大小就表征了材料的強度高低?，F(xiàn)場超聲波測試主要應用縱波速度 圪作為評估固體材料特性的主要參數(shù)。利用超聲波法評價軟基固結效果，就是 根據(jù)波速與土體特性的關系，利用波速的變化情況，推斷土體的力學特性。 超聲波具有激發(fā)容易、檢測簡單、操作方便、價格便宜等優(yōu)點，但軟基中存 在的孔隙水對超聲波影響較大，主要增強波阻抗，使波速減小，因此，直接測出 的不完全是軟基強度的表征。目前利用超聲波檢測軟基固結特性尚屬研究探索與 試用階段。 河海人學碩 + 學位論文 2 瞬念瑞雷波法 瑞雷波是沿地表傳播的一種彈性波。1 8 8 7 年，英國數(shù)學物理學家r a y l e i 首先 發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質中的傳播特性 1 9 1 , 2 0 世紀 5 0 年代初人們又發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性2 0 _ 2 3 i ，隨之丌始利用天然地震記錄中 的瑞雷波探測地球內(nèi)部結構的研究【2 4 l 。1 9 6 0 年，美國密西西比陸軍工程隊水路試 驗所丌始研究面波的工程勘探方法，但是由于當時的技術條件限制未能獲得成功 2 5 1 。真正將瑞雷波的頻散特性用來解決工程問題始于2 0 世紀7 0 年代。1 9 7 3 年，美 國f k c h a n g 和r eb a l l a r d 等人利用瞬念瑞雷波來研究淺部地質問題【2 ，并于 1 9 7 3 年在第4 2 屆國際地球物理勘探年會上發(fā)表了“瞬念面波在淺層勘探中的應 用”論文，報道了有關的研究成果。8 0 年代初，面波勘探方法有了突破性進展。 1 9 8 2 年，日本v i c 株式會社研制出穩(wěn)態(tài)法的g r 一8 1 0 型佐藤全自動勘察機【2 7 j ，用以 解決工程地質勘察問題。1 9 8 3 年，s t o k ei ia n dn a z a f i a n 等提出了所謂的面波頻 譜分析方法( s a s w ) 【囂】，通過分析面波的頻散曲線建立近地表的s 波速度剖面。 隨后，s a s w 方法不斷改進并在許多工程中得到應用，目前，s a s w 方法已經(jīng)應 用到水下工程1 2 9 i 。1 9 9 9 年，夏江海( x i aj ) 博士等人提出了瑞雷波反演估算近 地表剪切波速的新方法，對瞬念瑞雷波法進行了十分有效的改進p o j 。 我國瑞雷面波法工程勘探的研究始于2 0 世紀8 0 年代中期。1 9 8 7 年，鐵路系統(tǒng) 首先引進g r 2 8 1 0 型面波勘探儀用以解決鐵路和公路路基的勘探問題。1 9 8 8 年， 吳世明等人采用瞬態(tài)瑞雷波法測試土層波速，隨后展開了一系列研究【3 1 _ 3 6 】；1 9 9 7 年，出版了專著土介質中的波，書中對瑞雷波勘探方面的一些問題進行了系 統(tǒng)闡述1 3 7 1 。1 9 8 9 年，楊成林等人利用t e r 2 r a l o g 淺震儀配國產(chǎn)可控震源以及自 制的附屬設備，組成了穩(wěn)態(tài)瑞雷波法勘探系統(tǒng)，進行了第四紀地層劃分、地基處 理效果評價等方面的研究 3 8 1 ；1 9 9 3 年，他們出版了瑞雷波勘探一書，書中就 瑞雷波勘探方面的一些方法、問題進行了較為深入的探討1 3 9 1 。1 9 9 1 年，鐵道部第 四勘測設計院朱裕林等利用g r 2 8 1 0 型儀器展殲了地基勘察、地基加固效果評價、 人工洞穴以及巖溶洞穴探測的工作1 4 0 。1 9 9 3 年，劉云幀等利用自制的多道地震數(shù) 據(jù)采集處理系統(tǒng)把瞬態(tài)面波的深度由1 0 m 提高至i 3 0 m ，條件好的情況可以達到 5 0 m 以上，基本能夠滿足巖土工程勘察的需要h 。胡家富( 1 9 9 9 ) 【4 2 4 4 1 、張碧 星( 2 0 0 0 ) 【4 5 】分別就瑞雷波的反演方法和瑞雷波勘探中“之”字形的形成和反演 6 第一章緒論 進行了研究。此外，關小平、黃嘉正、周鴻秋( 1 9 9 3 ) l 舶a 7 l ，崔占榮、張世洪、 張俊喻( 1 9 9 5 ) 1 4 5 ，崔建文( 1 9 9 6 ) 1 4 9 j 撰文對瑞雷波技術在實際應用中的情 況進行過研究分析，夏字靖( 1 9 9 7 ) 1 5 0 】對影響瑞雷波勘探精度的因素進行了分析， 孫進忠、祁生文等( 2 0 0 1 ) 睜l 】對改進瞬態(tài)瑞雷波勘探方法提出自己的建議、靳洪 曉5 2 1 、王興泰【5 3 】、楊健、張輝和孫進忠1 5 4 , 5 5 】、賀會團、李青山和張獻民【5 6 , 5 7 1 等撰 文對瑞雷波技術的發(fā)展、應用情況以及出現(xiàn)的問題進行了系統(tǒng)研究或綜述。 可見，隨著瑞雷波理論的發(fā)展，瑞雷波技術以其測試簡便、快速、經(jīng)濟、分 辨率高等優(yōu)點，廣泛應用于地質勘探、劃分地層、探測巖洞與裂隙，以及探測路 面厚度、工程質量檢測等領域。但涉及用波速定量分析軟基固結度，且直接用于 指導軟基卸載工作以及檢測路基質量的文章卻不多見；用于軟基固結度的測試尚 不完備，需要進行一系列的基礎性工作和試驗研究。 1 3 本文的主要工作 通過對研究現(xiàn)狀的回顧可以了解到，目前軟基固結度的測試方法都存在不 足，尚需改進或完善。瞬態(tài)瑞雷波技術作為一種簡便、快速、有效而且經(jīng)濟的無 損檢測方法已廣泛應用于巖土工程界，但涉及定量分析軟基固結度，且直接用于 指導軟基卸載工作的研究較少。為了解決這方面的問題，本文通過現(xiàn)場瑞雷波測 試，結合室內(nèi)共振柱試驗，以及原位孔隙水壓力監(jiān)測，對利用瑞雷波技術測試軟 基固結度進行了系統(tǒng)的研究。本文主要工作如下： 1 針對軟基的固結度問題，提出了不同預壓荷載條件下軟基固結度的計算方 法：基于排水固結原理，分析了超載量與軟基完成固結度的關系；給出了軟基預 壓荷載的卸載控制標準。 2 通過對瑞雷波傳播特征、數(shù)據(jù)采集、速度求取等方面和利用瞬態(tài)瑞雷波技 術測試軟基固結度的具體特點的研究，提出了一種現(xiàn)場測試方法和相應的測試理 論。 3 根據(jù)室內(nèi)共振柱試驗結果建立了剪切波速與土體固結度的相關關系式，著 將試驗成果應用于現(xiàn)場求取軟基固結度的測試。通過與原位孔隙水壓力監(jiān)測固結 度比較，論證了利用瞬態(tài)瑞雷波技術快速檢測軟基固結度的可行性。為了便于實 際應用，用f o r t r a n 語言編寫了相關物理參數(shù)的計算程序。 河海大學碟 ：學位論文 4 利用瞬態(tài)瑞雷波測試得到的固結度和原位孔隙水壓力監(jiān)測的成果，對某高 等級公路試驗段軟基的處理效果進行綜合評價，就提前卸載可能產(chǎn)生的質量隱患 進行了分析，并提出了相應的處理建議。 8 第一二章不i 叫衍載下軟塊州結度的計算方法 2 1 引言 第二章不同荷載下軟基固結度的計算方法 軟基是工程建設尤其是沿海高等級公路建設中經(jīng)常遇到的一種地基形式，軟 基在上部荷載作用下，沉降發(fā)生有其自身的特點，即沉降并不是瞬時完成，而是 隨著時間逐漸完成：另外，軟基各層的壓縮量沿深度也不相同。因此，在分析軟 基沉降一時自j 特性時，平均固結度就成為一個重要的指標，也是評價和衡量軟基 處理效果優(yōu)劣的重要標準。軟基各層固結度的大小與孔隙水壓力的消散相聯(lián)系， 而孔隙水壓力的消散情況又直接影響到軟基抗剪強度的增長和沉降的變化趨勢。 確定各級荷載作用下不同時間的平均固結度，可以推算出軟基強度的增長，從而 可以進行各級荷載下軟基的穩(wěn)定分析，并確定相應的加載計劃；另一方面，軟基 平均固結度的大小與工后沉降量有著密切的聯(lián)系，已知平均固結度不僅可以推算 出施工期間軟基的沉降量，而且可以推算工后沉降量。這為超載高度和預壓期的 確定、卸載標準的制定，以及卸載時機的掌握等均提供依據(jù)。 高等級公路建設對路堤填筑期軟基的穩(wěn)定性和工后沉降問題均比較重視，通 過長期的理論研究和工程實踐，軟基在路堤填筑期的穩(wěn)定性問題已得到了很好的 控制，只要加強現(xiàn)場監(jiān)測和動態(tài)的施工管理，一般可以避免失穩(wěn)事故的出現(xiàn)。然 而，工后沉降問題一直困擾著工程界和學術界。高等級公路對軟基路段的工后沉 降有明確的規(guī)范要求，即一般軟基路段工后沉降小于3 0 c m 、含結構物路段工后 沉降小于2 0 c m 、橋頭過渡路段工后沉降小于1 0 c m 。如何保證軟基路段滿足規(guī)范 要求，掌握不同荷載在不同時間段內(nèi)的軟基平均固結度至關重要。本章將對軟基 平均固結度的計算理論、不同荷載下軟基平均固結度的計算方法進行研究，并運 用研究成果對超載量與軟基完成固結度的關系，以及卸載控制標準進行定量分 析，系統(tǒng)的研究利用瑞雷波技術測試軟基平均固結度所需基本理論和方法。 2 2 軟基平均固結度計算 利用瑞雷波技術測試軟基平均固結度，是通過實測軟基加固前后的瑞雷波波 9 i i l 海人學_ 礤f 卑位論文 速差異來實現(xiàn)的，其計算原理可以借鑒目前軟基平均固結度的計算方法。目i ； ， 計算軟基平均固結度的方法很多，歸納起來主要有兩類，即按軟基沉降定義的平 均固結度和按應力定義的平均固結度。 ( 1 )按軟基沉降定義的平均固結度 固結沉降是軟基在排水固結過程中由于體積壓縮而產(chǎn)生，其數(shù)學表達式為： s = & e ( 2 1 ) 式中：s ，& 分別為軟基在，時刻和最終時刻的沉降量。 對應的軟基平均固結度驢為： 玩= 要 旺2 ， s 可通過現(xiàn)場觀測得到，對于軟基最終沉降量s 。，工程上一般通過分層總 和法進行計算。p l g p 法是較常用的計算方法，該方法具有以下兩個優(yōu)點：一 是可以確定試驗土的先期固結壓力，并根據(jù)先期固結壓力的大小來判斷這種土是 屬于正常固結、超固結還是欠固結的；第二個優(yōu)點是，在實用壓力范圍內(nèi)，p l g p 曲線呈一直線。壓縮性指標不隨壓力大小而改變，這在沉降計算中是很方便的。 固結沉降量可通過下式求得： 墨2 喜q 去s 半 眩s ， 式中：墨固結沉降量； 玎軟基分層層數(shù)； c ：土層的壓縮指數(shù)； 矗，軟基各分層中點的自重應力； 只前期固結壓力，正常固結時只= e o ，； 只第f 層平均應力增量，即平均附加應力。 根據(jù)國內(nèi)外工程實踐，實際軟基的最終沉降量可以通過將固結沉降量乘以一 經(jīng)驗修正系數(shù)m 得到，即有： 第二章不i 川倚載下軟皋嘲結度的計算方法 最= m s , ( 2 4 ) 式中：m 為考慮軟基剪切變形及其他影響因素的綜合性經(jīng)驗系數(shù)，它與軟基的變 形特征、荷載條件、加載速率等因素有關。對高等級公路來說，由于沿線工程地 質條件、荷載變化復雜等因素，沉降系數(shù)m 的變化范圍較大，應根據(jù)現(xiàn)場實測資 料分析確定。文獻1 5 8 】中建議對于j 下常固結土或稍超固結土，通常取小= 1 1 1 4 。 表2 1 是一個軟基平均固結度計算實例，根據(jù)佛山“一環(huán)”工程的具體地質情況 和荷載條件，取m = 1 2 。 表2 i 廣東佛山“一環(huán)”城市快速干線部分標段軟基平均問結度計算成果 工后沉降監(jiān)測分析表明，軟基在工作荷載作用下的沉降趨勢，與施工期間的 沉降預測基本吻合，表2 1 中計算的軟基平均固結度經(jīng)工后沉降監(jiān)測驗證是較準 確的。用軟基的沉降計算平均固結度，確定卸載時機，可以保證工后沉降量在允 許范圍內(nèi)。 ( 2 ) 按應力定義的平均固結度 此處的“固結”主要用來描述由于超靜水壓消散而發(fā)生的與時間有關的過程。 驢：1 一絲( 2 5 ) 瓦 式中：瓦，甄軟基初始的和f 時刻的平均超靜水壓力。 工程計算中，常常按照傳統(tǒng)的太沙基固結理論和土體的線彈性小應變假設， 將上述兩類計算方法不加區(qū)分，視為等同。實際上由于土體為非線性變形體，由 式( 2 2 ) 和( 2 5 ) 得到的結果實際上并不等。對于軟基在二維和三維變形情況， 河海大學碩f ：學位論文 則在線彈性假定的條件下，不能通過理論推導出用上述兩類方法計算得到的固結 度相等的結論。謝新宇等人( 1 9 9 2 年) 、魏汝龍( 1 9 9 4 年) 都曾基于土中一點的 一維應力應變關系，提出了按應變定義的固結度與按應力的固結度之白j 的換算關 系。魏汝龍將i j 者稱為壓縮度，分別將兩者定義為： 固結度 u ，= 萬o - , - 可o - , o ，一o ? 壓縮度璣= 三 生 f 一0 t 其中：一和，為土單元在，時的有效應力和壓縮應變；一和t 為在施加荷載前 的初始應力和應變；一和乃為主固結完成時的最終應力和應變。如果采用雙曲 線型的壓縮曲線，生= 晶+ 舸，則推導得到兩者的關系： u 2 而+ 編t t 眨s ， 吩百孝輛 q 石 以恒大于，即壓縮度恒大于固結度，若采用壓縮度代替固結度分析軟基穩(wěn)定 情況，則會得到偏于不安全的工程判斷。 魏汝龍2 1 認為，應該將壓縮度址和固結度作為控制預壓加固的兩個獨立 的控制標準。例如，若要評價預壓加固對于減少軟基工后沉降的效果時，可以直 接利用實測沉降過程線推算最終沉降量，并確定預壓期間所達到的壓縮度配， 以判斷工后沉降量是否減小到允許值之下。在實際工程實踐中，一般對沉降和固 結度兩個指標都作了明確的卸載規(guī)定。 2 3 不同預壓荷載下軟基固結度計算 現(xiàn)場施工中軟基預壓荷載往往是分級施加的，在對軟基作固結分析時，首先 就面臨對預壓荷載的正確估算，并對實際加載方式做出簡化，比如簡化為級或 兩級等速加載，進而求出軟基在不同預壓荷載下的固結度。 在施工過程中，預壓荷載由于沉降不斷發(fā)生而動態(tài)變化，軟基在不同時間會 有不同的預壓荷載數(shù)量。預壓荷載大小和路基設計填筑高度、沉降的關系可以用 第二章不同荷載下軟基固結度的計算方法 下式表示【5 9 】： p k = - o 七sk 七蝎k ( 2 7 ) 式中：最氣時刻以后下一級荷載施加以前的軟基預壓荷載( 用厚度表示，以 下同) ； 風路基設計填筑高程； & 氣時刻的沉降量； 峨第七級荷載施加過程中的沉降量( 荷載施加時間比較短時蠅近似 為零) 。 甌由地質條件和加載方式?jīng)Q定，地質條件越差，沉降量越大；加載速率越 快，沉降量越大。由式( 2 7 ) 可知，風是確定的，隨時間延續(xù)而增大。 根據(jù)地質條件、路基填筑高度不同，可以采用以下三種預壓方式。 2 3 1 等載預壓 等載預壓是保持路基填筑高程不變，及時補充沉降土方，如圖2 1 所示，直到 路基沉降穩(wěn)定，估計的剩余沉降小于工后沉降限定值時停止補方預壓循環(huán)。路基 填筑過程中，如果軟基強度允許，可以一次性使路基填筑高程大于風，控制填筑 高度使得預壓結束時剛好沉降到鞏，且工后沉降滿足要求。 h o 魁 匾 刊 婿 刪 篷 螺 s 1 s 2 s k p 1p 2 1 。一、。 、f 、1 、一 、0i 、t o bt 2 ? 、| 、 二。2 一 一 、 p k 1 丁一2 圖2 1 等載預壓荷載一沉降時程關系圖 等載預壓狀況下，路面施工后的荷載水平和預壓期相同，路面竣工后相當于 河海大學碩士學位論文 預壓期的延續(xù)，理論上施工期間完成的固結度與工作荷載( 路堤荷載、路面荷載 和汽車荷載之和) 作用下的固結度相等，預壓期的剩余沉降等于工后沉降。 等載預壓加載過程可以簡化成一級等速加載，如圖2 2 所示，乇、分別為荷 載施加的起點和終點時刻，卸。為風對應的荷載量，即等載時的填土荷載。 d j ：己 ih o 一 一 一 _ l 一一，一， 一 ! 一一， t ot lt 2時問 圖2 2 等載預壓荷載一時間關系圖 從固結度的定義出發(fā)求得等載狀況下的軟基平均固結度，文獻【5 8 】給出了瞬時 加載條件下的軟基平均固結度的普遍表達式( 曾國熙，1 9 5 9 ) ： 玩= 1 一r e 堆 ( 2 8 ) 式中：口、取值視不同排水條件而異，見表2 2 。 表2 2 不同條件下的a 、值 表中：h r 為土層的豎向排水距離；c v 為豎向固結系數(shù)；巴為徑向固結系數(shù)；以為井徑比； 1 4 第一二章小問衙載下軟堆州結度的計算方法 吃為等效圓直徑；f ( 胛) = 毒備l r i ( 行) 一事；q 為砂井妖度與壓縮層厚度的比值：r 為十柱體j f 徑。 對于逐級等速加載，平均固結度計算式為： 曰2 一半) 參 汜。， 式中：礦多級等速加載，時刻修詎后的平