2瞬态面波法检测砂砾料压实干密度任健

1、工 程 物 探 信 息 2001年第1期 瞬态面波法检测砂砾料压实干密度研究任 健(水利部陕西水电研究院 陕西咸阳) 摘 要 堆石坝碾压施工中，压实干密度、相对密度是一项重要的施工质量监控指标。传统挖坑取样测试干密度的方法费力、费时、速度慢、费用高且数据代表性差等缺点。本文论述了多道瞬态面波法对黑河金盆水利枢纽坝壳砂砾料碾压遍数、铺料厚度、干密度等进行了检测研究。并通过研究成果证明是一种测试精度高、简便、快速无损检测新方法。 关键词 多道瞬态面波 原位无损检测 压实干密度1 前言 在水利水电工程施工建设中，堆石大坝砂砾料碾压干密度是一项重要的施工质量控制指标。为了改进与完善传统的挖坑取样测试碾

2、压干密度费力、费时、费用高等诸多缺点，本文以全国同类坝型中目前最高的西安市黑河引水工程金盆水利枢纽，利用砂砾料作为坝壳堆石体的土石坝为例，应用具有世界领先水平的高新技术SWS多道瞬态面波法，对砂砾料现场碾压试验进行了检测分析与研究。其目的采用多道瞬态面波法检测出碾压砂砾料厚度与波速，并算出该层面波速度的加权平均值VR()；通过与挖坑取样试验资料对比，建立面波速度与干密度、相对密度相关关系；根据关系式与检测出碾压砂砾料面波速度加权值，求出干密度、相对密度，以达到对碾压施工质量进行控制与评估。2 瞬态面波法检测压实干密度的方法技术2.1 瞬态面波法检测压实干密度的理论依据 瑞利面波质点的振动轨迹在

3、地表附近是以逆时针转动呈椭圆形轨迹传播。在均匀无限半空间弹性介质中，瑞利面波水平方向的位移U(Z)和垂直方向的位移W(Z)可由(1)式和(2)式表示： 角速度(rad)； L波长； Z深度(向下为正方向)；设泊松比为，VR与VP、Vs之间有下列关系： 式中：VP纵波速度；VS横波速度； VR瑞利面波速度；一密度； G剪切模量；-泊松比； E-杨氏模量；拉梅常数。 Vp、VS都是与介质的泊松比、密度、杨氏模量、剪切模量等有关，同理，由(3)、(4)式可见瑞利面波速度VR，也同VP、VS一样，可由介质的泊松比、密度、杨氏模量等力学参数来确定。由此可知瑞利面波VR与介质的密度存在着一定关系。 上述结

4、论是利用瞬态面波进行砂砾料压实干密度检测的理论依据。2.2 瞬态面波法检测压实干密度基本原理与方法2.2.1 瞬态面波法基本原理 瞬态面波法是岩土工程原位测试高新技术，其频散特性和在介质中的传播速度与砂砾料的物理力学性质有关。瞬态面波沿地表传播影响深度约为一个波长，同一波长的瞬态面波传播特性反映砂砾料在水平方向上的变化，不同波长的瞬态面波传播特性反映砂砾料在竖直方向上的变化。砂砾料介质在水平和竖直方向上存在着砾石含量等物性差异，这种差异将会引起瞬态面波在传播过程中产生频散和速度的变化。采集处理提取这种变化的差异性，进而可以检测砂砾料碾压厚度变化，并确定面波加权速度值，进而计算干密度等参数。2.

5、2.2 工作布置检测点分别在0.8m、1.10m、1.40m三个不同厚度区与4、6、8、10遍四个不同碾压遍数，每碾压遍数区做4个测点，每个检测点都与挖坑取样点重合，编号一致。2.2.3 观测系统、激发与接收的选择 检测点用多道排列(12道)固定偏移距的观测系统。道间距为0.31.0m。偏移距为0.5m3.0 m，采用小锤垫上垫板，测线两侧锤击激振，40Hz、100Hz检波器接收。2.2.4 仪器技术参数选择 采样率为0.250.5 ms，每道采样点数为512点、1024点，记录长度125 ms、250ms，滤波采用全通。2.3 检测仪器与碾压设备 检测工作使用北京市水电物探研究所研制生产的S

6、WSIG型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪。 碾压机具为美国英格索兰公司生产SD-175D型18吨自行式振动碾，采用前进后退法碾压，振动碾的行进速度为2.5kmh，振动频率为26.528.5Hz，振幅1.65 mm，激振力159319kN。3 瞬态面波检测资料处理解释与成果分析3.1 资料处理与面波速度计算3.1.1 对原始资料进行整理，并对各检测点瞬态面波记录进行频散曲线计算，然后对频散曲线进行正、反演拟合，人机联作解释碾压砂砾料厚度及VR值。3.1.2 面波速度加权值计算为了便于分析研究碾压砂砾料层面波速度值变化情况，采用“加权平均”方法将检测层速度值进行加权计算，其公式为：式中VR()

7、-面波速度加权值3.2 检测资料成果分析 通过上述对资料处理及(9)式面波速度加权值计算及挖坑取样试验数据综合成果见表1。成果分述如下： (1)碾压遍数与各铺料厚度的沉降量关系 砂砾料碾压沉降量是根据瞬态面波检测厚度与铺料实测厚度之差计算出来，见表2及图1。 从图1可见，碾压遍数与各铺料厚度的沉降量变化较为明显，在6遍到8遍三个不同铺料厚度沉降量增加幅度最大，证明砂砾料在振动碾压8遍时，颗粒位移明显，体积缩小，面波速度增大，这为选择施工碾压遍数提供了依据。 图1 碾压遍数与铺料厚度沉降量关系曲线 (2)VR()与铺料厚度关系 从图2可反映出，在不同碾压遍数下，铺料厚度越厚，面波速度相比较就小，

8、在相同碾压遍数情况下，随铺料厚度的增加，面波速度也在减小，其关系为铺料厚度(H)1.40m > 1.10m > 0.8m，而面波速度VR()(0.8m) > VR()(1.10m) > VR()(1.40m)，这就证明铺料厚度要选择合适，1.0m左右较好。 (3)碾压遍数与VR()、干密度的关系。 从图3中可知，随着碾压遍数的增加，面 波速度在增大、干密度值也在增大，这一规律 图2 VR()与铺料厚度(H)关系曲线是在总体上的反映，但在铺料1.40m厚时，4遍到6遍，面波速度、干密度增加较大，6遍到10遍变化较小；铺料0.8m厚时，4遍到8遍基本上呈线性增加，而8遍到1

9、0遍基本上没有变化；铺料1.10 m厚时从4遍到10遍二者都呈线性增加，这又证明了1.10 m铺料厚度，面波速度、干密度反映最好。(4)VR()与d、Dr之间关系以上论述了铺料厚度、碾压遍数与VR()与d之间关系，那么VR()与d、Dr之间有何关系？这是本文研究的重点，也是监控碾压质量重要技术指标。从图4中分析可见：随着碾压砂砾料面波速度增大，相应干密度也在增加，它们之间基本上呈线性关系。从图5中可以看出：随着面波速度增大。相对密度0.710.73基本上呈线性；0.73080这段也呈线性，但面波速度变化不大，分析认为，这与砾石含量基本上变化不大有关；相对密度0.80.9， 图3 碾压遍数与VR

10、()、d关系曲线基本上随着面波速度增大呈线性。通过以上分析研究对图4、图5进行解析求出它们之间关系： 图4 VR()与干密度d关系曲线 图5 VR()与相对密度Dr关系曲线 VR()与d()关系式为： d()=a+KVR() （10） VR()与Dr关系式为： 当Dr在0.730.8之间 Dr=bl+K1VR() （11）当Dr在0.80.9之间 Drb2+K2VR() （12）式中：d()干密度(g/m3) Dr相对密度 a、b、K均为系数 依据(10)、(11)、(12)公式，根据检测碾压砂砾料面波加权平均速度值，即可求出碾压砂砾料的干密度与相对密度。(5)振动碾压上层与下层之间关系图6是

11、在铺料厚度1.10m区，碾压8遍D32L3点的人机联作解释成果，其分析可知：检测第一层厚度为1.08m，VR()=190m/s；第二层厚度为0.89mVR()=236m/s；第三层厚度为0.66m，VR()276m/s；第四层厚度为0.66m，VR()296m/s；(第二、三、四层均为碾压试验前凹地的垫层)，频散曲线 图6 由第四层以下基本上呈直线下降，说明砂砾料颗粒基本上不再发生位移，已达到最大压实干密度，以上分析证明上层振动碾压对下层仍有压实作用，其特征为：(1)面波速度增大，相应的干密度也在增加，但增加到一定范围就不再增加，保持一定数值。(2)瞬态面波法检测砂砾料压实干密度，不但对本层进行检测，而且对下层砂砾料压实干密度也能监控，这也是该方法一大特点。4 结束语4.1 通过以上分析研究，黑河金盆水利枢纽坝壳砂砾料铺料厚度1.0m左右最佳，碾压遍数8遍效果最好。4.2 解析推导出计算干密度公式为： d()a+KVR() 计算相对密度公式为： Drb+KVR()4.3 瞬态面波法检测砂砾料碾压密实度与传统方法相比，有以下特点：(1)挖坑取样试验仅仅反映一个孤立的点，而瞬态面波检测反映的是一个体积单元，因而更具有真实性和代表性；(2)挖坑取样是对体积单元某点上破坏，而瞬态面波是无损的原位检测；(3)挖坑取样费时费力