2瞬態(tài)面波法檢測砂礫料壓實(shí)干密度任健

1、工 程 物 探 信 息 2001年第1期 瞬態(tài)面波法檢測砂礫料壓實(shí)干密度研究任 健(水利部陜西水電研究院 陜西咸陽) 摘 要 堆石壩碾壓施工中，壓實(shí)干密度、相對密度是一項(xiàng)重要的施工質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)。傳統(tǒng)挖坑取樣測試干密度的方法費(fèi)力、費(fèi)時、速度慢、費(fèi)用高且數(shù)據(jù)代表性差等缺點(diǎn)。本文論述了多道瞬態(tài)面波法對黑河金盆水利樞紐壩殼砂礫料碾壓遍數(shù)、鋪料厚度、干密度等進(jìn)行了檢測研究。并通過研究成果證明是一種測試精度高、簡便、快速無損檢測新方法。 關(guān)鍵詞 多道瞬態(tài)面波 原位無損檢測 壓實(shí)干密度1 前言 在水利水電工程施工建設(shè)中，堆石大壩砂礫料碾壓干密度是一項(xiàng)重要的施工質(zhì)量控制指標(biāo)。為了改進(jìn)與完善傳統(tǒng)的挖坑取樣測試碾

2、壓干密度費(fèi)力、費(fèi)時、費(fèi)用高等諸多缺點(diǎn)，本文以全國同類壩型中目前最高的西安市黑河引水工程金盆水利樞紐，利用砂礫料作為壩殼堆石體的土石壩為例，應(yīng)用具有世界領(lǐng)先水平的高新技術(shù)SWS多道瞬態(tài)面波法，對砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)進(jìn)行了檢測分析與研究。其目的采用多道瞬態(tài)面波法檢測出碾壓砂礫料厚度與波速，并算出該層面波速度的加權(quán)平均值VR()；通過與挖坑取樣試驗(yàn)資料對比，建立面波速度與干密度、相對密度相關(guān)關(guān)系；根據(jù)關(guān)系式與檢測出碾壓砂礫料面波速度加權(quán)值，求出干密度、相對密度，以達(dá)到對碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行控制與評估。2 瞬態(tài)面波法檢測壓實(shí)干密度的方法技術(shù)2.1 瞬態(tài)面波法檢測壓實(shí)干密度的理論依據(jù) 瑞利面波質(zhì)點(diǎn)的振動軌跡在

3、地表附近是以逆時針轉(zhuǎn)動呈橢圓形軌跡傳播。在均勻無限半空間彈性介質(zhì)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波長； Z深度(向下為正方向)；設(shè)泊松比為，VR與VP、Vs之間有下列關(guān)系： 式中：VP縱波速度；VS橫波速度； VR瑞利面波速度；一密度； G剪切模量；-泊松比； E-楊氏模量；拉梅常數(shù)。 Vp、VS都是與介質(zhì)的泊松比、密度、楊氏模量、剪切模量等有關(guān)，同理，由(3)、(4)式可見瑞利面波速度VR，也同VP、VS一樣，可由介質(zhì)的泊松比、密度、楊氏模量等力學(xué)參數(shù)來確定。由此可知瑞利面波VR與介質(zhì)的密度存在著一定關(guān)系。 上述結(jié)

4、論是利用瞬態(tài)面波進(jìn)行砂礫料壓實(shí)干密度檢測的理論依據(jù)。2.2 瞬態(tài)面波法檢測壓實(shí)干密度基本原理與方法2.2.1 瞬態(tài)面波法基本原理 瞬態(tài)面波法是巖土工程原位測試高新技術(shù)，其頻散特性和在介質(zhì)中的傳播速度與砂礫料的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。瞬態(tài)面波沿地表傳播影響深度約為一個波長，同一波長的瞬態(tài)面波傳播特性反映砂礫料在水平方向上的變化，不同波長的瞬態(tài)面波傳播特性反映砂礫料在豎直方向上的變化。砂礫料介質(zhì)在水平和豎直方向上存在著礫石含量等物性差異，這種差異將會引起瞬態(tài)面波在傳播過程中產(chǎn)生頻散和速度的變化。采集處理提取這種變化的差異性，進(jìn)而可以檢測砂礫料碾壓厚度變化，并確定面波加權(quán)速度值，進(jìn)而計(jì)算干密度等參數(shù)。2.

5、2.2 工作布置檢測點(diǎn)分別在0.8m、1.10m、1.40m三個不同厚度區(qū)與4、6、8、10遍四個不同碾壓遍數(shù)，每碾壓遍數(shù)區(qū)做4個測點(diǎn)，每個檢測點(diǎn)都與挖坑取樣點(diǎn)重合，編號一致。2.2.3 觀測系統(tǒng)、激發(fā)與接收的選擇 檢測點(diǎn)用多道排列(12道)固定偏移距的觀測系統(tǒng)。道間距為0.31.0m。偏移距為0.5m3.0 m，采用小錘墊上墊板，測線兩側(cè)錘擊激振，40Hz、100Hz檢波器接收。2.2.4 儀器技術(shù)參數(shù)選擇 采樣率為0.250.5 ms，每道采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)、1024點(diǎn)，記錄長度125 ms、250ms，濾波采用全通。2.3 檢測儀器與碾壓設(shè)備 檢測工作使用北京市水電物探研究所研制生產(chǎn)的S

6、WSIG型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀。 碾壓機(jī)具為美國英格索蘭公司生產(chǎn)SD-175D型18噸自行式振動碾，采用前進(jìn)后退法碾壓，振動碾的行進(jìn)速度為2.5kmh，振動頻率為26.528.5Hz，振幅1.65 mm，激振力159319kN。3 瞬態(tài)面波檢測資料處理解釋與成果分析3.1 資料處理與面波速度計(jì)算3.1.1 對原始資料進(jìn)行整理，并對各檢測點(diǎn)瞬態(tài)面波記錄進(jìn)行頻散曲線計(jì)算，然后對頻散曲線進(jìn)行正、反演擬合，人機(jī)聯(lián)作解釋碾壓砂礫料厚度及VR值。3.1.2 面波速度加權(quán)值計(jì)算為了便于分析研究碾壓砂礫料層面波速度值變化情況，采用“加權(quán)平均”方法將檢測層速度值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，其公式為：式中VR()

7、-面波速度加權(quán)值3.2 檢測資料成果分析 通過上述對資料處理及(9)式面波速度加權(quán)值計(jì)算及挖坑取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合成果見表1。成果分述如下： (1)碾壓遍數(shù)與各鋪料厚度的沉降量關(guān)系 砂礫料碾壓沉降量是根據(jù)瞬態(tài)面波檢測厚度與鋪料實(shí)測厚度之差計(jì)算出來，見表2及圖1。 從圖1可見，碾壓遍數(shù)與各鋪料厚度的沉降量變化較為明顯，在6遍到8遍三個不同鋪料厚度沉降量增加幅度最大，證明砂礫料在振動碾壓8遍時，顆粒位移明顯，體積縮小，面波速度增大，這為選擇施工碾壓遍數(shù)提供了依據(jù)。 圖1 碾壓遍數(shù)與鋪料厚度沉降量關(guān)系曲線 (2)VR()與鋪料厚度關(guān)系 從圖2可反映出，在不同碾壓遍數(shù)下，鋪料厚度越厚，面波速度相比較就小，

8、在相同碾壓遍數(shù)情況下，隨鋪料厚度的增加，面波速度也在減小，其關(guān)系為鋪料厚度(H)1.40m > 1.10m > 0.8m，而面波速度VR()(0.8m) > VR()(1.10m) > VR()(1.40m)，這就證明鋪料厚度要選擇合適，1.0m左右較好。 (3)碾壓遍數(shù)與VR()、干密度的關(guān)系。 從圖3中可知，隨著碾壓遍數(shù)的增加，面 波速度在增大、干密度值也在增大，這一規(guī)律 圖2 VR()與鋪料厚度(H)關(guān)系曲線是在總體上的反映，但在鋪料1.40m厚時，4遍到6遍，面波速度、干密度增加較大，6遍到10遍變化較?。讳伭?.8m厚時，4遍到8遍基本上呈線性增加，而8遍到1

9、0遍基本上沒有變化；鋪料1.10 m厚時從4遍到10遍二者都呈線性增加，這又證明了1.10 m鋪料厚度，面波速度、干密度反映最好。(4)VR()與d、Dr之間關(guān)系以上論述了鋪料厚度、碾壓遍數(shù)與VR()與d之間關(guān)系，那么VR()與d、Dr之間有何關(guān)系？這是本文研究的重點(diǎn)，也是監(jiān)控碾壓質(zhì)量重要技術(shù)指標(biāo)。從圖4中分析可見：隨著碾壓砂礫料面波速度增大，相應(yīng)干密度也在增加，它們之間基本上呈線性關(guān)系。從圖5中可以看出：隨著面波速度增大。相對密度0.710.73基本上呈線性；0.73080這段也呈線性，但面波速度變化不大，分析認(rèn)為，這與礫石含量基本上變化不大有關(guān)；相對密度0.80.9， 圖3 碾壓遍數(shù)與VR

10、()、d關(guān)系曲線基本上隨著面波速度增大呈線性。通過以上分析研究對圖4、圖5進(jìn)行解析求出它們之間關(guān)系： 圖4 VR()與干密度d關(guān)系曲線 圖5 VR()與相對密度Dr關(guān)系曲線 VR()與d()關(guān)系式為： d()=a+KVR() （10） VR()與Dr關(guān)系式為： 當(dāng)Dr在0.730.8之間 Dr=bl+K1VR() （11）當(dāng)Dr在0.80.9之間 Drb2+K2VR() （12）式中：d()干密度(g/m3) Dr相對密度 a、b、K均為系數(shù) 依據(jù)(10)、(11)、(12)公式，根據(jù)檢測碾壓砂礫料面波加權(quán)平均速度值，即可求出碾壓砂礫料的干密度與相對密度。(5)振動碾壓上層與下層之間關(guān)系圖6是

11、在鋪料厚度1.10m區(qū)，碾壓8遍D32L3點(diǎn)的人機(jī)聯(lián)作解釋成果，其分析可知：檢測第一層厚度為1.08m，VR()=190m/s；第二層厚度為0.89mVR()=236m/s；第三層厚度為0.66m，VR()276m/s；第四層厚度為0.66m，VR()296m/s；(第二、三、四層均為碾壓試驗(yàn)前凹地的墊層)，頻散曲線 圖6 由第四層以下基本上呈直線下降，說明砂礫料顆粒基本上不再發(fā)生位移，已達(dá)到最大壓實(shí)干密度，以上分析證明上層振動碾壓對下層仍有壓實(shí)作用，其特征為：(1)面波速度增大，相應(yīng)的干密度也在增加，但增加到一定范圍就不再增加，保持一定數(shù)值。(2)瞬態(tài)面波法檢測砂礫料壓實(shí)干密度，不但對本層進(jìn)行檢測，而且對下層砂礫料壓實(shí)干密度也能監(jiān)控，這也是該方法一大特點(diǎn)。4 結(jié)束語4.1 通過以上分析研究，黑河金盆水利樞紐壩殼砂礫料鋪料厚度1.0m左右最佳，碾壓遍數(shù)8遍效果最好。4.2 解析推導(dǎo)出計(jì)算干密度公式為： d()a+KVR() 計(jì)算相對密度公式為： Drb+KVR()4.3 瞬態(tài)面波法檢測砂礫料碾壓密實(shí)度與傳統(tǒng)方法相比，有以下特點(diǎn)：(1)挖坑取樣試驗(yàn)僅僅反映一個孤立的點(diǎn)，而瞬態(tài)面波檢測反映的是一個體積單元，因而更具有真實(shí)性和代表性；(2)挖坑取樣是對體積單元某點(diǎn)上破壞，而瞬態(tài)面波是無損的原位檢測；(3)挖坑取樣費(fèi)時費(fèi)力