剪切波波速测试在地基加固效果评价中的应用

2021年
0引言
软土作为一种特殊性的岩土体，在天然状态下，具有高含水量、高液塑限、高孔隙比、高灵敏度、高压缩性和低抗剪强度等特点，在受到外荷载作用下，产生侧向挤出、大变形、剪切位移、流塑滑塌等，不能直接作为地基基础，需采取各种加固措施提高其力学和形变特性，如采用高压旋喷桩、三轴搅拌桩、CFG桩等[1-2]。

因此，对软土地基加固效果的评价成为工程建设中重要工作内容[3]。

目前，在我国现行的国家规范中，对软土地基加固前后的效果评价手段主要为原位测试技术方法，如载荷试验、标准贯入试验、静力触探试验、十字板剪切试验和波速试验等[4]。

大量的研究表明[5-8]，波速试验具有测试精度高、大面积测试、测试点密集、费用低、测试高效等优点，在地基加固检测与评价中具有明显优势。

欧阳锋等[9]结合路基沉降实例，采用瑞利面波方法对注浆效果进行检测；戴天等[10]采用瑞利波方法反演剪切波波速对强夯、柱锤冲扩桩、挤密砂桩的加固效果进行比较；岳向红等[11]人通过综合原位测试方法在厦门环东海域填海造地软土加固中的应用，对比了瑞利面波与标准贯入试验和重型动力触探试验的检测效果。

由此可知，目前对波速测试的研究主要集中在瑞利面波的方法上，而对于剪切波速方法的研究较少。

瑞利面波的传播特性表明其只在地表岩土-空气界面中传播，传播深度较浅，其次，采集的瑞利面波数据最终还是要采用反演的方式计算成剪切波波速。

采用剪切波测试技术可以直接对深层加固体的剪切波速度进行测试及避免了由于换算带来的各种精度问题。

1剪切波波速评价地基加固效果的基本原理及方法
1.1剪切波波速评价地基加固效果的基本原理
在表征土体力学和变形特征的参数中，压缩模量E s是最为重要的参数之一，在工程设计和计算模拟时，是不可或缺的输入参数。

因此，采用剪切波波速评价加固前后土体的力学和形变性能，最终是通过剪切波波速计算为压缩模量E s进行定量分析。

地震波在岩土体中传播时，主要分为两种波：沿着地表与空气界面中传播的面波，沿着地质体内部传播的体波。

而体波根据介质的振动方式和传播速率的不同，可以分为压缩波和剪切波。

剪切波的传播速率与土体的类型、密实程度、泊松比、结构等力学指标密切相关，主要的计算公式如下：
E
d
=
p·v
s
2
·（3v
p
2
-4v
s
2
）
v
p
2
·v
s
2
（1）
E
s
=250·（
E
d
1000
）1.7（2）
式中：E
d
为动弹性模量，MPa；E
s
为压缩模量，MPa；籽为
土的密度，kg/cm3；v
p
为土的压缩波速度，m/s；v
s
为土的剪切波速度，m/s。

1.2现场剪切波波速测试方法
检测设备采用武汉建科科技有限公司制造的剪切波测试仪WAVE3000，其中主机采用SR-SW场地振动测试仪，波形显示方式为10.4寸液晶大屏幕显示，数据由主机电子盘存储。

孔中波速探头采用JK-55A 型三分量检波器，仪器外径为55mm，振动系统自然频
剪切波波速测试在地基加固效果评价中的应用
朱文桥
（福建精品建设工程有限公司，福建福州350008）
摘要软土地基加固效果的评价是工程的重要难题，依托武汉地铁12号线中一路站的软土地基加固检测工程实例，在介绍剪切波评价地基加固效果的基本原理基础上，采用剪切波波速测试技术对场区加固前后的地质体进行了波速观测，分析了波速变化规律，计算加固前后的压缩模量，并与静力触探方法计算的压缩模量进行了对比。

研究表明，剪切波波速可划分各层土的土层、加固前后土层波速变化，为加固效果的力学特性评价提供了基础；水泥土搅拌桩对各层土的加固效果较为均匀，土的力学性质得到明显改善，剪切波波速测试与静力触探测试可得到相同结果；采用剪切波波速测试成果获取的压缩模量对定量评价加固效果具有可行性。

关键词剪切波速；静力触探；软土；地基
岩土工程
第3期（总第239期
）
地层统计
项目
天然含水
量w/%
土粒比
重G
s
天然重度γ/
（kN·m-3）
干重度γ
d
/
（kN·m-3）
饱和度S
r
/%
孔隙
比e
液限
ω
L
/%
塑限
ω
p
/%
塑限
指数I
p
液限
指数I
L
有机质含
量ω
u
/%
①1杂填土统计个数66666666662最大值34.8 2.7619.6115.9399 1.01556.131.025.10.15—最小值22.5 2.7317.6513.38860.68037.421.615.80.06—平均值29.4 2.7518.8614.61950.85547.727.020.70.11—标准差 4.700.010.74 1.04 5.280.14 6.95 3.61 3.540.04—变异系数0.160.000.040.070.060.160.150.130.170.34—
①3淤泥统计个数88888888882最大值76.8 2.7617.3611.80100 2.31957.233.325.1 1.78 4.74最小值43.8 2.7414.428.1591 1.27742.124.417.7 1.10 4.62平均值60.1 2.7516.1810.1697 1.68349.628.221.3 1.48 4.68标准差9.340.010.90 1.05 3.400.30 5.15 3.09 2.280.23—变异系数0.160.000.060.100.040.180.100.110.110.16—
③4淤泥质黏土统计个数14614614614614614614614614614615最大值69.4 2.7619.3215.28100 1.99756.933.725.1 1.63 4.58最小值26.4 2.7215.309.03860.75833.720.112.50.39 1.83平均值43.4 2.7417.4312.2297 1.22141.723.917.8 1.08 3.13标准差7.800.010.76 1.13 2.700.22 3.95 2.16 2.050.240.72变异系数0.180.000.040.090.030.180.090.090.120.220.23
率为（28±1）Hz，频率范围20～200Hz。

每隔1.0m采集2个波形数据，时窗为350μs，检测设备示意图见图1。

图1剪切波波速测试示意图
剪切波波速测试采用单孔剪切波速法（检层法），用木锤或适宜的铁锤分别水平敲击放置孔口压有重物的木板两端，地表产生的剪切波经地层传播，由孔内三分量检波器的水平向检波器接受SH波信号，然后读取正、反两方向的实测波形，找出波形交叉点，读取初至波传播时间。

按公式（3）计算出各测点（层）剪切波速值：
v i =
（1-
H
i-1
H
i
）s2+H
i
2
√
t
i
-
H
i-1
H
i
·
s2+H
i
2
√
s2+H
i-1
2
√·t i-1
（3）
式中：v
i
为第i-1点至第i点土层的剪切波速，m/s；H
i
为第i点的深度，m；H
i-1
为第i-1点的深度，m；d
i
为计
算深度范围内第i土层的厚度，m；s为激振板中心到
孔中心的距离，m；t
i
为第i点的剪切波到时，s；t
i-1
为第
i-1点的剪切波到时，s。

2工程概况
武汉市轨道交通12号线为武汉市轨道交通中唯
一的环线，联通武汉三镇；经由武昌火车站和汉口火车
站并与十多条地铁线路实现换乘。

12号线全线长度约
为60.7km（地下线长约54.6km，过渡段长约0.7km，高
架线长约5.4km），共设车站36座，平均站间距约为
1.69km。

测试场区选择中一路站，本站位于后湖大道与
中一路站交汇处，沿后湖大道布置，与轨道交通8号线
幸福大道（在建）换乘。

线路里程为右AK4+131.088～
右AK4+470.288，车站有效站台中心里程右AK4+
365.000，车站外包总长约340m，标准段宽度54.7m，基
坑开挖深度约25.50m。

拟采用明挖法施工，场区软土
地层主要为①1杂填土、①3淤泥及③4淤泥质黏土，以
下地层为粉细砂层、圆砾层及基岩。

各土层的主要物理
力学参数见表1。

场区软土的分布较为稳定，厚度均匀，其主要性质表1各土层的主要物理指标分层统计表
岩土工程
2021年
如下：
①1杂填土（Q ml ）：杂色，湿～饱和，主要由黏性土、砂土夹砖块、碎石、块石、炉渣等组成，局部夹少量生活垃圾，地表普遍有厚度15～50cm 的混凝土地坪。

该层土结构不均、土质松散，场地内普遍分布。

钻孔揭露层厚约2.0m 。

①3淤泥
（Q 4l
）：灰褐色，饱和，流塑状，局部为软塑状，富含有机质，局部混生活垃圾，具流变性，污手，有腐臭味。

无摇振反应，切面光滑，属于高压缩性土，厚度约6.0m 。

③4淤泥质黏土（Q
4al+pl
）：灰褐色，饱和，软～流塑
状态，富含有机质，具流变性，有腐臭味，属于高压缩性土。

该层土普遍分布，钻孔揭露层厚约8m 。

对软土地层采用1000@800水泥土搅拌桩进行加固，旋喷桩采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比一般为0.45～0.55，搅拌桩穿透上部①1杂填土、①3淤泥及③4淤泥质黏土，并进入下部砂层。

加固后的加固区土体，应有良好的均匀性、自立性、止水性，其28d 无侧限抗压强度q u ≥1.2MPa ，渗透系数≤1.0×10-7cm/s ，压缩模量E s ≥15.0MPa 。

3加固前后测试结果与分析
3.1剪切波波速测试成果分析
图2为地层不同深度位置处地基加固前土体剪切
波波形图。

从图2可以看出，采集的波形显示清晰，容易读取正、反两方向的实测波形初至时间，整体上，随着深度的增加，剪切波的到达时间逐渐增加，图中黑色虚线斜率值则为各土层的视剪切波波速值。

图2加固前钻孔Ⅱ17-21内剪切波时距曲线
类似地，根据场区加固前后不同钻孔内的剪切波波速时距曲线，利用公式（3）可以计算每个钻孔内每个测试深度处的剪切波波速值，选取车站纵向方向上的各钻孔内剪切波波速值，绘制速度值剖面，如图3所示。

对比表1可知，①3淤泥、③4淤泥质黏土的物理性质都比较相近，如天然含水率、比重、液塑限等。

由图3（a ）中看出，天然状态下的土层剪切波速度具有良好的分层作用，各层土的剪切波速度最大值均小于260m/s ，其中①1杂填土层的剪切波速度均值约148m/s ，①3淤泥层的剪切波速度均值约197m/s ，而③4淤泥质黏土层的剪切波波速均值约165m/s ；对比图3（b ）可知，加固后各层土的剪切波速度均得到大幅提高，加固体在深度方向和里程方向上其横波波速大致相同，剪切波速度均值约为342m/s 。

表明良好的剪切波物性差异为划分各层土的土层、评价加固前后土层的力学特性提供了基础，水泥土搅拌桩对各层土的加固效果较为均匀，土的力学性质得到明显改善。

（a ）加固前沿车站纵向剪切波速度值剖面图
（b ）加固后沿车站纵向剪切波速度值剖面图图3加固前后地质体剪切波速度值剖面对比
进一步地，对场区加固前后的软土剪切波速度进行比较，如图4所示。

从图4可以看出，加固前后的土体剪切波波速都出现明显的分离，表明地基的强度、密实度等物理力学性质得到提高。

采用公式（1）和公式
（2）则可以定量地对土体加固后的力学性质进行评价。

岩土工程
（b ）加固前后土体侧摩阻力对比图5加固前后静力触探参数对比
3.2与静力触探测试成果的比较
图5为加固前后静力触探参数成果对比。

从图5中可以看出，在地基加固范围内，土体的锥尖阻力及侧摩阻力都得到大幅度的提高。

加固前，0～2.0m 范围内①1杂填土的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为0.22MPa 、5.07kPa ；2.0～8.0m 范围内①3淤泥层的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为0.33MPa 、10.45kPa ；8.0～16.0m 范围内③4淤泥质黏土层的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为0.55MPa 、21.24kPa ；加固后，①3淤泥层的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为5.16MPa 、193.81kPa ；①3淤泥层的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为6.37MPa 、293.42kPa ；③4淤泥质黏土层的锥尖阻力和侧摩阻力平均值分别为6.53MPa 、289kPa 。

表明水泥土搅拌桩对各层土的加固效果较为均匀，土的力学性质得到明显改善，这个结果与剪切波测试结果一致。

为了定量地评价地基的加固效果，对剪切波测试与静力触探测试的压缩模量进行对比，如图6所示。

由图6可以看出，加固前的①1杂填土、①3淤泥、③4淤泥质黏土的压缩模量较低，平均值分别为1.40MPa 、2.01MPa 、2.99MPa ，而加固后的土体压缩模量得到迅速提高，均值在17.60MPa ，相对来说，①1杂填土、①3淤泥、③4淤泥质黏土的压缩模量分别提高1157%、776%、489%。

处理后的地基压缩模量满足压缩模量E s ≥15.0MPa 的要求。

此外，从图中也可以看出，静力触探压缩模量与剪切波测试压缩模量的数值相近，误差较小，表明采用剪切波测试进行地基加固效果的定量评价具有可行性。

图6加固前后静力触探与剪切波测试压缩模量对比
4结论
（1）不同的剪切波波速可划分各层土的土层、加固
前后土层波速变化，为加固效果的力学特性评价提供
了基础。

图4加固前后土体剪切波速度对
比
（a ）加固前后土体锥尖阻力对比
（下转第53页）
（上接第47页）
（2）加固前后的土体剪切波波速都出现明显的分离，地基的强度、密实度等物理力学性质得到提高，加固后各层土体的剪切波速度平均值相近，水泥土搅拌桩对各层土的加固效果较为均匀，土的力学性质得到明显改善，剪切波波速测试与静力触探测试可得到相同结果。

（3）静力触探压缩模量与剪切波测试压缩模量的数值相近，误差较小，采用剪切波波速测试成果获取的压缩模量对定量评价加固效果具有可行性。

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作者简介：朱文桥（1988—），男，福建仙游人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程相关专业。

（2）桩底无沉渣。

长螺旋钻孔压灌注桩相对冲孔灌注桩、旋挖灌注桩等工艺具有桩尖无成渣的优点，而且该工艺边提钻边灌注混凝土，能有效防止断桩、缩径、塌孔等施工通病，施工质量容易得到保证。

（3）环境影响。

长螺旋钻孔压灌混凝土桩技术具有施工噪音小，无泥浆污染，作业机械设备移动方便，交叉影响作业小，无挤土作用，对相邻的土体及建筑物扰动较小等特点。

（4）经济效益。

长螺旋钻孔施工工艺与传统的冲钻孔桩工艺相比较，为项目创造了近40万元的利润，且工期也提前了7d。

2.4桩身质量检测
基坑工程完成后，按照规范要求，经设计单位、建设单位、监理单位代表选取其中40根桩进行低应变检测。

由检测单位对支护桩进行低应变检测，检测结果I 类桩34根，II类桩6根，均满足设计及规范要求。

2.5基坑监测
基坑开挖过程中，经监测单位监测，支护桩的深层水平位移、基坑坡顶位移等基坑变形均在规范允许范围内。

3结束语
长螺旋钻孔压灌混凝土桩是一种桩基础施工方面的新型技术，与普通传统的水下灌注桩施工工艺相比较，该技术具有较快成桩，施工噪音小，不受地下水位限制，无泥浆污染及泥皮效应，且成桩质量好又造价较低。

随着技术的发展，长螺旋工艺也不在不断的更新，潜孔锤长螺旋钻机组合技术工艺解决了在中风化花岗岩、微风化花岗岩等岩层钻进困难的缺点。

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作者简介：林德瑜（1986—）,男，本科，工程师，主要从事岩土工程施工。