瑞利波檢測技術在高速公路改擴建工程中的應用

徐晨鳴，周艷紅

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.南京交通建設項目管理有限責任公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

高速公路路基路面在行車荷載、自然環境和施工質量等諸多因素作用下出現不同類型的病害。為了解病害產生的原因及其發展情況，有必要對這些病害進行現場調查與檢測。傳統的鉆探取芯、開挖取樣檢測手段不但效率低、代表性差、成本高，而且具有破壞性。目前世界各國都在發展快速、高效、經濟、簡便的工程質量無損檢測技術。近年來，我國高速公路建設發展迅速，公路工程質量檢測技術也隨之發展。

每一種檢測手段有其不同的優點和缺陷，因此正確選擇檢測手段是非常有意義的。對于擴建工程來說，無破損檢測技術已經成為檢測原有路基路面工程質量的重要手段。

本文根據滬寧高速公路瑞利波檢測數據，擬合波速與壓實度對應關系式，并通過鉆孔取樣驗證瑞利波檢測結果的可靠性。

1 瑞利波原理簡介

彈性波到達彈性、速度或密度不同的介質界面上時，會產生反射、折射現象，同時產生界面波，將沿自由方向表面傳播的波稱為表面波。其中質點在波的傳播方向垂直平面內振動，質點的振動軌跡為逆時針方向轉動的橢圓且振幅隨深度呈指數急劇衰減，傳播速度略小于橫波。面波波長和波及深度、面波速度和剪切波速點狀震源產生的球面波，將彈性能量向周邊介質傳遞，在地表自由面上，受界面彈性條件的制約，產生沿地表傳播的壓縮波和CV型剪切波，疊合形成瑞利面波。它的傳播規律，反映了傳播途徑中所涉及介質的彈性參數。瑞利波具有兩種特性：a）瑞利波在分層介質中傳播時具有頻散性；b）瑞利波傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。利用此兩種特性可進行高速公路路基工程質量無損檢測。

1.1 路基結構層厚度的測試

應用瑞利波測定路基結構層的厚度是基于層狀介質中瑞利波頻散曲線的變化規律，它除與結構層的物理參數有關外，還與結構層厚度密切相關，尤其是頻散曲線的拐點即（vR為瑞利波波速，λ為波長）的極值點，只與結構層厚度有關。各層的界面深度為：

式中，Hj為第j層底界面深度，m；β為系數，可取0.35～0.5；λj為極值點處對應的波長，m。

確定了各層的底界面的深度，即可計算處各層的厚度。

1.2 壓實度測試

利用彈性波測定壓實度k是基于速度與密度間存在的相關關系。根據此關系可以推導出的換算關系式為：

式中，vp、vR是與實際壓相應的縱波實度達到密度ρ相應的縱波和瑞利波速度；vp0、vR0是與最大密度ρ0相應的縱波和瑞利波速度；B1、B2由統計分析求取。

瞬態瑞利波的測試是通過上述兩種換算關系式確定所測試路段路基路面的質量參數，其換算僅僅是通過波速及波長來進行判斷分析，換算較為簡化明了，所得數據較為直觀，通過一定資料的標定，可以達到較高的測試精度。

2 鉆探取芯驗證瑞利波結論

瑞利波檢測結果顯示：063+550~650波速為171.5m/s、 205.9m/s； 095+250~350波速為357.1m/s；226+360~460波速為193.3m/s、 189.8m/s和205.5m/s（見圖1～圖3）。

圖1 063+550~650瑞利波速圖

圖2 095+250~350瑞利波速圖

圖3 226+360~460瑞利波速圖

通過鉆取滬寧高速公路不同部位路基孔，進行干密度、最大干密度和壓實度等相關的土工試驗。瑞利波波速與其對應數據詳見表1。

表1 滬寧高速干密度、最大干密度、壓實度、瑞壓實度與瑞利波速統計表

3 瑞利波評價體系

理論及實驗研究表明，瑞利面波波速與壓實度之間存在如下關系：

通過對鉆探所得到的Vr與K之間的關系進行回歸分析得到關系式（見圖4）：

圖4 Vr與K回歸分析示意圖

根據壓實度與波速標定的結果，提出以下評價標準：

a）波速小于180m/s的波速層路基質量定義為差；

b）波速在180～230m/s范圍的波速層路基質量定義為次；

c）波速在230～330m/s范圍的波速層路基質量定義為中；

d）波速在330～380m/s范圍的波速層路基質量定義為良；

e）波速大于380m/s的波速層路基質量定義為優。

根據以上計算分析得出壓實度、瑞利波速及優良等級對應范圍（見表2）。

表2 壓實度、瑞利波速等級對比表

4 結論

本文基于滬寧高速公路鉆孔土工試驗數據以及瑞利波檢測資料，得出以下結論：

a）瑞利波檢測技術系統是快速的、準確的和有效的；

b）利用滬寧高速公路擴建工程無損檢測的數據與鉆孔資料進行對比分析，證實了它們的可靠性；

c）瑞利波波速確立了高速公路路基路面質量指標與檢測物理參數間直接或相關關系。

[1]趙建三，李亭.瑞雷波法應用于高速公路路基工程質量無損檢測試驗研究[J].湖南大學學報：自然科學版， 2003， 30（1）： 107-112.

[2]范躍武，李宏志，袁凍雷，等.瑞雷波法在商開高速公路路基檢測中的應用[J].中外公路，2001，（6）：53-57．

[3]楊成林，時福榮，李從信，等．應用瑞雷波等方法對公路質量進行無損檢測[J]．物探與化探，1996，20（2）： 104-115.

[4]Jianghai Xia，Miller R.D,Park C.B.Estimation of near-surface shear wave velocity by inversion of Rayleigh waves[J].Geophysics,1999,（64）： 691-700.

[5]王水強，萬明浩，謝雄耀，等.不同地質波雷達測量參數對數據采集效果的影響[J].物探與化探，1999， 23（3）： 211-215.

[6]Kobayashi S.Stress measurement by use of Rayleigh waves[J].NDT&E International,1995,28,（2）： 114.

[7]中交第二公路勘察設計研究院有限公司.高速公路改擴建勘察設計關鍵技術研究[R].湖北：武漢，2008.