土石比对碎石土强夯地基加固效果影响规律瑞利波检测分析

黄 达 ，金华辉

（1. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；3. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

1 引 言

1969年merard首次提出强夯法并应用于地基加固工程以来，强夯法广泛应用于各种碎块石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等[1－2]。但至今为止，针对山区碎块石土强夯地基的相关研究并不多。水伟厚等[3－4]、王铁宏等[5]、年廷凯等[6]基于一系列高能级碎块石土回填地基强夯现场试验及检测，研究了地基承载力、标准贯入数、地面变形及孔隙水压力与强夯能量级间的相关规律，为高能级碎块石土强夯的设计、监测提供了参考依据。张峰[7]基于室内物理模型试验研究了碎石土的变形特征，分析了粗粒无黏性土的强夯机制，给出了考虑能量和夯击次数的有效加固深度的经验计算公式。也有较多学者[8－10]利用某一具体工程检测及测试数据，对山区碎块石土强夯加固效果及变形规律进行分析。国内外也有部分学者[11－13]通过合理的变形假设及能量原理等，从理论层面上对砂性粒状填土的强夯机制及评价指标进行研究，并通过数值手段实现了强夯过程的模拟。

通过上述分析表明，国内外对于不同土石比条件下碎块石土的强夯效果及较大粒径块石对其的影响规律至今还没有较为深入地探讨。本文基于3种不同土石比条件下山区碎块石土强夯地基瑞利波检测数据的对比分析，并结合探槽揭露情况，探讨了不同土石比条件下强夯前后波速的变化规律，揭示了大粒径块石与夯后波速曲线突变段的对应关系，分析了大粒径块石埋藏深度对强夯加固深度的影响规律。研究成果对山区碎块石填土强夯地基的设计及施工有一定参考价值。

2 场地概况及强夯设计

2.1 场地概况

重庆市开县某移民安置点场地主要为开山碎块石土填土。3个研究标段场地的地层特征基本一致，如图1所示典型的钻孔柱状图。地层分为4层：第①层为人工填土，主要由砂质泥岩碎块石，砂岩碎块石及粉质黏土等组成，块石粒径大多在 0.2～0.7 m之间，级配不均，最大甚至达到1.5～2.0 m，碎块石呈强～中等风化，为场地平整时随意性推填，回填时间已3年；第②层为粉质黏土（坡积层），含约20%～25%的泥岩及砂岩碎石；第③层为冲洪积层粉砂，成分以石英、长石砂粒为主，含约10%～20%的砂岩碎石和砾石，呈松散～稍密状态；第④层为基岩，岩层为砂岩、砂质泥岩。

2.2 强夯设计

整个场地分为 10个标段，根据钻孔中土和岩块的进尺比，选取3个不同土石比标段进行分析：标段a场地土石比为6:4，土、石分布较均匀；标段b土石比为5:5，土、石分布不均匀；标段c土石比为 3:8，土、石分布极不均匀。由于该地基为原场地开山爆破碎块石土回填，块石分布较广泛。特别是标段c大粒径块石在不同深度均有较多分布。

本文测定的土石比定义为某一代表区域内黏土或填土（包括粒径小于1 cm的碎石）与粒径大于1 cm以上的石块的体积比。测定方法是通过场地勘察钻孔岩芯及探槽断面统计估算方法综合确定。文中所谈土石比是指如图1所示的人工素填土层土石含量比例。

工程场地地基全部先后采用2次点夯和2次满夯共4次强夯工序加固，其中2次点夯夯点互相穿插呈梅花形布置。各标段夯实施工参数及工序一致，如表1所示。

图1 研究场地典型钻孔柱状图Fig.1 Typical subsoil profile of researched area

表1 强夯施工参数表Table 1 Construction parameters of dynamic compaction

3 强夯前、后瑞利波检测对比分析

瑞利波法是一种新兴的岩土原位测试方法。其利用瑞利波在非均匀介质中的频散性以及传播速度与岩层物理力学性的相关性，可对强夯加固深度、加固范围以及场地的整体性进行评价[14－15]。此次瑞利波检测采用北京水电物探所 SWS-3多波数字图像工程勘探与工程检测仪，采用瞬态法进行测试，信号击振采用8.17 kg人工锤击，本次强夯加固深度按规范估算在7～8 m，故瑞利波信号采集分析深度在10 m左右，都小于第①层素填土回填的深度，检测土层较单一，不存在不同土层及层面对检测的影响。检测时间为第4遍满夯完成后14 d左右。

3.1 波速突变特征

波速曲线突变段的出现，是由土层的不均匀性决定的。根据现场开挖探槽揭示：在测线附近，波速曲线突变段对应深度内往往存在较大粒径块石，这表明突变段出现与大粒径块石存在的位置具有较好的对应关系。

图2 不同土石比条件下瑞利波检测曲线Fig.2 Curves for Rayleigh wave under different soil-rock ratios

图2为3个典型标段强夯前、后瑞利波速检测曲线（图中测量 ai、bi、ci（i=1、2、3）表示对应标段检测线编号。），由图2可知：

（1）3个标段强夯前波速随深度呈较光滑的曲线变化，且随土石比减小（碎块石含量增大）非线性特性略有增强。表明在重力固结的情况下土石比对瑞利波速的影响相对较小。

（2）强夯后的检测曲线均在某一深度发生明显突变特征，在大块石出现的部位波速突然减小。表明较大的块石对其下方岩土体的加固效果有较大的影响。

（3）随着土石比减小，强夯后检测曲线突变性的变化强度越大，即波速突然减小量越大。在土石比为3:8时突变段深度下方土体在夯实前、后波速增加很小，表明过多的石块含量严重影响了强夯的加固深度。

3.2 波速分区特征

根据文献[10]按强夯地基变形规律及强度理论，得到其加固效果的分区模式如图3所示。图4为3个标段强夯后各个测线瑞利波波速增强百分比统计曲线。由图4可知，增加比例曲线也出现较明显地分区现象，与强夯加固分区模式有较好的相似性。为了较好地分析增加规律，根据夯后波速检测曲线，结合密实度测试，统计确定可将夯后波速增加比例ΔVR=0%、15%、10%分别作为如图 3所示的强加密区、加密区、影响区的分区上限。

图3 地基强夯加固模式F ig.3 Consolidation mode for foundation by dynamic compaction

土石比6:4与5:5标段波速增加比例曲线在检测末端一般大于10%，但通过图2、图4比较分析表明，在加固影响区及其以下检测曲线与深度呈现较好的线性关系，因此，可通过末端波速数据的线性拟合来估算加固区及影响区的对应深度。

根据图4及相关的统计分析，得到3种土石比条件下的垂直分区及波速增加特征如下：

（1）土石比为6:4时强加密区、加密区以及影响区分区规律较明显。强加密区一般分布在 0.7～8 m，相对较厚；加密区相对较薄，一般在6～8 m；影响区可达9 m以上。测线a1、a2、a3在强加密区波速增加 15%～54%、21%～111%、23%～57%。其中a2测线增加比例曲线较理想，在同一深度内增加比例相对较高，8～8.75 m深度也可达40%以上。

（2）土石比为5:5时扰动松弛区、强加密区和加密区分区规律较明显。松弛区一般出现在浅层2 m以上；强加密区间较厚，一般分布在1～8 m；加密区一般出现在6 m以下，强夯影响区可达8.5 m以上。测线 b2、b3在扰动区波速减小约 0%～16%、0%～31%。测线 b1、b2、b3强加密区波速增加约15%～70%、0%～70%、0%～40%。

图4 不同土石比条件下瑞雷波速增加比例曲线Fig.4 Increasing proportion curve of Rayleigh wave velocities under different soil-rock ratios

（3）土石比为3:8时浅层2 m范围内检测波速增加比例表现出非常强的波动性。强加密区也一般出现在4 m深度以内；加密区一般分布在3～5.5 m之间，4 m以下增加比例明显下降；强夯影响区一般在4～5 m范围内。测线c1、c2、c3在强加密区波速增加约18%～111%、15%～152%、1%～115%。

夯后强加密区的加密强度及其规模是关系到强夯效果的关键因素，图5为3个土石比条件下的加密区的平均波速及其平均厚度与深度柱状图。由图5可知，强加密区夯后波速及增加比例差别不大，夯后波速度大小依次为土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，增加比例依次为土石比(6:4)>(3:8)>(5:5)；但不同土石比条件下的加固深度及厚度差别很大，其中土石比6:4和5:5较3:8时深或厚得多，深度大小依次为土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，厚度依次为土石比(6:4)>(5:5)>(3:8)。

图5 不同土石比条件下夯后强加密区波速、厚度及深度柱状图Fig.5 Histogram of Rayleigh wave velocities, thickness and depth for strong encryption zone under different soil-rock ratios

土石比3:8时虽然强加密区的波速增加比例较大，但平均波速较小、深度较浅、厚度较薄；土石比6:4和5:5强加密区深度及厚度差不多，但5:5时夯后波速相对较大。故土石比5:5和6:4强夯效果相对较好（其中5:5略好），3:8较差。

4 大粒径块石对强夯效果影响探讨

4.1 波速曲线突变段位置

在土石比3:8标段不同深度内均有较多大粒径块石分布，但仅仅在波速曲线浅层表现一定的突变性。对各个标段曲线突变段对应波速统计分析表明（见表2）：曲线的突变段一般分布在强加密区内，并且在波速增加比例的峰值点以上；突变段波速增加比例变化幅度较大，统计样本一般为30%～97%，其中测线 a2、c2、c3突变段波速增加比例较大，分别达72%、97%、95%。

综合表2及强夯前、后波速图对比分析表明：在波速增加比例峰值点以上，曲线的突变段和大粒径块石存在有较好的对应关系；突变段波速增加比例越大，其突变强度越大，只有当波速增加比例达到一定值后，大块石存在位置的夯后波速曲线才会表现较强的突变性。

表2 瑞雷波检测曲线突变段位置及其波速统计Table 2 Location and velocity statistics of catastrophe section for Rayleigh wave test curve

4.2 大粒径块石的扰动特征

由图2和表2可知，在测线b3、c1深度1～2 m、4～7 m范围内波速增加比例出现明显的负值；其中b3突变段曲线出现在扰动松弛区，c1在强加密区连续出现两段突变段。测线b3扰动区深度达2.25 m，大于夯坑深度，而曲线的突变段位于夯坑深度以下，其受夯锤作用力较明显，对周边土层的扰动作用也较强，再加上其形状以及大小的不利因素的叠加，使得周边土层产生了明显的扰动松弛。测线c1在强加密区连续出现两段曲线的突变段，并且突变程度依次递减，表明两大块石存在位置较近，其对两大块石位置以下土层产生较强的叠加扰动效应，造成夯后波速的负增长。因此，当大粒径块石位于夯后场地表层或较多大块石距离较近时，对附近土体扰动性较大。

4.3 大粒径块石埋藏深度对强夯加固深度的影响

由于碎块石强夯影响因素较多，加固机制较复杂，难以建立比较符合实际的理论体系对强夯加固深度进行定量的评价，加固深度的确定往往依赖于检测技术和类似工程经验。因此，为了探讨大粒径块石对强夯加固深度影响规律，拟定夯后瑞利波波速增加比例10%作为强夯加固深度的阈值，即图3中加密区下限深度。

由图2可知，a标段各个检测线的突变段，突变程度相似，b标段突变程度不一，c标段不同深度都有较多大块石的存在。为了尽可能忽略由于大块石大小、形状、多块叠加等因素的影响，选取a标段进行大块石埋藏深度对加固深度影响分析有较好的可比较性。

按照前述拟定确定测线 a1、a2、a3的加固深度分别7.5、9.25、8.5 m。结合表2相关数据可知：当大块石位于强加密区内或波速增加比例峰值点深度以上时，加固深度随着大粒径块石埋深增加而减小；测线a1、a3大粒径块石的埋深接近其波速增加峰值点，大粒径块石的埋深位置越靠近波速增加峰值点时对周边土体扰动效应越明显，加固深度越浅。

5 结 论

（1）夯前波速呈一定线性，并随着土石比的减小，非线性略有增强；夯后波速曲线具有明显突变规律，其突变段与大粒径块石有较好的对应性，并随着土石比的减少其突变程度增强。

（2）夯后波速增加比例曲线具有垂直分区特征。土石比5:5、6:4标段强加密区厚度较大，波速增加明显，加固效果相对较好。土石比3:8标段虽然强加密区波速增加显著但其厚度很少，加固效果较差。

（3）大粒径块石对周边土体扰动影响显著，夯后波速曲线上往往表现为较强的突变性减少，突变段一般分布在波速增加比例峰值点以上，突变程度随着波速增加比例增加而增强。当其位于夯后场地表层或较多大块石距离较近时，对附近土体扰动性较大。

（4）当大块石位于强加密区内或波速增加比例峰值点深度以上时，加固深度随着大粒径块石埋深增加而减小。大粒径块石的埋深位置越靠近波速增加峰值点时对周边土体扰动效应越明显，加固深度越浅。

（5）土石比6:4、5:5加固深度在7～9 m范围内，加固效果较好；而土石比3:8加固深度在3.5～6 m范围内，低于规范[1]给出的参考值6～8 m。说明合理的土石比以及严格控制大粒径块石回填对山区碎块石土强夯地基甚为重要。

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