湿陷性黄土地区平山造地项目钻孔波速测试技术应用＊

时间：2024-05-19

陈俊，陈化涛

（甘肃省交科建设有限公司，甘肃兰州 730030）

兰州恒大文化旅游康养城项目57地块位于兰州市城关区北部，属于兰州市区平山造地项目，占地总面积约为7 500 亩（1 亩约等于666.67 m2），建设内容为一所九年一贯制学校。本项目于2021 年2 月开展岩土工程勘察工作，根据工程的规模和特征，拟建A-57 地块主要包括2 栋6F 综合楼及教师公寓楼、2 栋5F 中学教学楼、1 栋4F 小学教学楼、1 栋2F 报告厅及图书室楼、1 栋2F 风雨操场。本项目勘察工作先后采用工程测量、工程地质测绘、钻探、井探、现场原位测试、现场波速试验、室内试验、资料收集及利用等方法[1]，目的是为拟建建筑物施工方案及施工图提供详细的参数，并对项目地基进行岩土工程分析，分析场地类型，提出建筑基础形式、地基处理等专项建议。

1 现场波速试验

在半空间介质中（地面岩层），当在地面做竖向激震时，介质中产生3 种波传递，即纵波、横波和瑞利波。纵波沿着介质压缩变形方向产生；横波振动方向与波的传播方向垂直，也称为剪切波；瑞利波是沿地面表层传播的波，随着深度的增加能量迅速衰减，在分层介质中具有特有的频散现象[2]。

现场原位波速试验采用主动激震配合信号收集计算，从而获取工程土体的动力特性参数，此方法作为岩土原位测试方法被广泛应用。现场波速试验与静力学方法相比，主要有简便、快捷、经济无损的优势。测试方法可以分为单孔法和跨孔法。单孔法利用单一钻孔，采用孔内激发地面接收或地面激发孔内接收直达波，从而测得地表至测点间地层的平均波速。单孔法测试深度一般不超过80 m，因为单孔法多采用地面激发，波会随着深度而衰减，使得接收的信号变弱，且浅层测试效果更好。跨孔法一般在相距4～5 m 的2个平行钻孔的相同深度上，一孔激发，一孔接收，从波形图上读取激发信号至横波初至信号之间的时间差，除以2 个孔之间的距离，即可得到该地层的横波平均波速。与单孔法对比，跨孔法测试深度和精度更优，但需试前钻2～3 孔，因此成本更高[3]。

2 现场波速试验布置与测试数据

详细勘察阶段现场共布置ZK-6#和ZK-44#这2 个钻孔，现场激振采用重锤击打震源板，设备具有浮点放大、高精度、低噪声、数字滤波与超长记录等功能。本测试采用单孔法激发与收集信号，测点距选择1 m，单个深度测点上重复进行2 次测试用以复合数据并记录波形，单孔波速测试示意图如图1 所示。

图1 单孔波速测试示意图

本场地覆盖层测试厚度40.0～42.0 m，根据规范计算各个土层剪切波波速，具体如下：

式中：Vse为所求的土层中等效剪切波速的数值，单位m/s；d为土层计算深度数值，单位m，根据规范覆盖层厚度（或不足20 m 时）直接取20 m；t为波从地面激发至计算深度的传播时间的数值；di为第i层土的厚度的数值，单位m；Vsi为第i层土的剪切波速的数值，单位m/s。

图2 和图3 分别为ZK-6#与ZK-44#钻孔地层波速参数。经计算，ZK-6#和ZK-44#这2 个波速测试孔20 m 深度的土层等效剪切波速Vse分别为276 m/s 和265 m/s。

图3 ZK-44#钻孔地层波速参数

3 建筑场地土与场地类别划分

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[4]和GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》[5]的有关规定，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度，按表1 和表2 划分场地土的类型和建筑场地类别[6]。

表1 依据剪切波速范围划分土的类型

表2 建筑场地类别划分表

按表1 划分，该场地2 个测点均为中硬场地土。对于中硬场地土，当初始计算层厚度d0≥5 m 时，按表2 进行划分，该建筑场地类别为Ⅱ类；按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》进行划分，该地段为可建设的一般场地。

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，该区属大厚度黄土区，场地土类型为中硬场地土，因此，将拟建场地挖方区划分为抗震一般地段，填方区划分为抗震不利地段，具体划分如表3 所示。

表3 判定结果表

据本次详细勘察，场地土上部为第四系地层，岩性主要为第四系素填土及马兰黄土，下部为白垩系砂岩。根据现场勘查，拟建场地区域相对平坦开阔。场地内发育的不良地质现象主要有不稳定斜坡、地面沉降，无地下洞穴、岩溶地貌等不良地质现象。

不稳定斜坡：分布于拟建场地中部，受人为因素削坡、后期新构造运动上升和水系下切的影响，边坡微地貌多呈陡坡状（局部近似垂直），高陡的土质斜坡稳定性差，为地质灾害发育提供了有利的地形地貌条件[7]。经现场调查，斜坡上存在着垂直裂隙发育，坡面受长期雨水冲刷，坡脚易形成陡坎，长期冲蚀或地震易失稳产生滑塌变形。建议后期场地整平过程中直接挖除。

地面沉降：主要分布于场地内区域，其危害主要表现在毁坏场地硬化、道路、破坏绿化用地等工程设施，并形成落水洞，造成地面塌陷下沉、建筑地基失稳，从而毁坏道路及建筑物等工程设施，主要由湿陷性黄土或填土引起。拟建场地东侧区域为沟谷区域，回填有厚度较大的填土，固结性差，下部还存在湿陷性黄土，有大面积地面沉降的可能。建议除做好场地内地基处理外，同时做好截、排水工作，减少因大气降水导致水流入渗而引起下部黄土湿陷的可能性[7]。

根据区内已有资料和现场调查发现，场地内部及外围无第四系活动断裂；拟建场地挖方区划分为抗震一般地段，填方区划分为抗震不利地段；拟建场地内存在的不良地质主要为不稳定斜坡（根据业主规划，后期场平过程中对场地中部不稳定斜坡挖除），对场地影响较小；总体评价场地及地基稳定性一般，拟建场地基本适宜工程建设。

4 现场防范措施

根据测试及计算结果分析，预测本工程因地质条件可能造成的工程风险主要由基坑开挖引起，在大厚度湿陷性黄土地区建议采用的防范措施主要如下：①编制基坑开挖专项施工方案，并经技术负责人审核同意；②做好对施工人员的安全教育及安全技术交底；③按要求做好临边防护及隔离措施；④按要求设置人员上下通道；⑤基坑边不得堆载过重、过近；⑥挖土要自上而下逐层进行，严禁先挖坡脚的危险作业；⑦机械挖土，多台阶同时开挖土方时，应验算边坡的稳定性，根据规定和验算确定挖土机离边坡的安全距髙；⑧基坑开挖应严格按要求放坡，操作时应随时注意边坡的稳定情况，定期对支护、边坡变形进行监测，如发现有裂纹或部分塌落现象，要及时进行支撑或改缓放坡，并注意支撑的稳固和边坡的变化，施工完后及时回填；⑨坑壁渗水、漏水应及时排除，防止因长期渗漏而使土体破坏，造成挡土结构受损；⑩对拉锚杆件、紧固件及锚桩，应定期进行检查，对滑锲内土方及地面应加强检査和处理；⑪夜间施工时，应合理安排施工项目，防止挖方超挖或铺填超厚，施工现场应根据需要安设照明设施，在危险地段应设置红灯警示。