多道瞬態面波在路基填筑質量評價中的應用

何智杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

路基填筑質量檢測的常用方法有地基系數K30、動態變形模量Evd和靜態二次變形模量Ev2等，其中Evd和K30依據不同土類存在線性相關關系，此類方法屬于過程檢測控制的范疇，需要在路基填筑的過程中，針對每一層填料分別進行試驗，卻無法對既有線和新建線路中已經成形的路基進行整體質量評價。

路基填筑質量的后評價多采用工程物探的方法，其中地震面波法可通過測定面波速度值VR、速度等值線和頻散曲線等參數，對基床、路基本體和基底進行整體評價，該方法不僅克服了常規檢測中各點的孤立性，且有利于評價路基填筑的均勻性、碾壓密實度、基底的換填處理質量等，從而達到有效界定不合格區域的里程及深度范圍，判斷路基整體填筑質量的目的。多道瞬態面波以排列的形式采集數據，相比常規面波檢測，所采集的地層信息更加豐富和全面，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、成果直觀等特點，為路基填筑質量評價提供了有效的技術支撐。

1 面波法檢測原理

運用面波法評價路基填筑質量主要取決于面波的兩個特性：(1)面波在路基填筑的不同分層介質中具有頻散性；(2)面波在路基的不同填料和不同壓實區域中的傳播速度不同。通過以上特性，不僅可直觀看出路基的分層情況，而且可根據不同材料中的波速值求取相應填層的壓實度，從而評價路基填筑效果。

在均勻半空間彈性分層介質中，結構表面在受到瞬態震動時分別產生橫波(S波)、縱波(P波)和面波(R波)。面波是一種特殊的地震波，其主要集中在介質自由表面，并以逆轉橢圓的形式在垂直平面內滾動傳播，在單次激振中，縱波能量占全部能量的7%，橫波占26%，而面波卻占67%，因此，面波具有能量大、衰減速度慢、淺層分辨率高等特點。

在路基填筑質量檢測中，隨著路基填筑深度的增加，面波波速逐漸增大，而路基本體材料并非均勻，面波波速將伴隨著軟弱層的出現而降低。因此，在不同的填筑層中，面波發生頻散現象，頻散曲線呈現“之”字形形態變化。橫波波速和面波波速之間存在以下關系

(1)

VR=VS(0.87+1.12μ)/(1+μ)

(2)

其中，VS為橫波波速/(m/s)，VR為面波波速/(m/s),G為剪切模量/MPa,ρ為介質密度/(kg/m3),μ為地層的泊松比。對于第四系的地層而言，泊松比一般為0.3～0.4，因此對于常用的路基填料，可近似的認為VR=VS，從而可通過測定橫波波速來求得面波波速。

2 工程概況

林歹至織金(新店)鐵路為貴陽市域鐵路的重要組成部分，全長27.94 km，設計時速120 km/h，全線共有橋梁19座，隧道5座，車站2座，橋隧比例約為31.52%。

ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基地質概況為溶蝕低山地貌，地形起伏較大，巖層產狀變化較大，節理裂隙發育，多呈閉合狀。段內上覆第四系坡殘積、坡洪積黏土，沖洪積砂及卵石土，下伏基巖為三疊系下統八匙椋(1a)茅草鋪組(T1m)白云質灰巖夾白云巖。段內巖溶中等—強烈發育，地表多見溶洞塌陷、落水洞等，底下溶洞多為充填，局部為半填充和空洞，充填物為軟塑狀—流塑狀黏性土混少量沙礫。段內不良地質主要為巖溶、順層、偏壓、斷層破碎帶、基坑突發性涌水等，特殊巖土為軟土及松軟土、膨脹土。填筑深度和填料情況如表1所示。

表1 ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑設計資料

3 現場檢測工作

3.1 儀器設備及附件

根據ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑情況，本次檢測采用瞬態面波的方法對路基填筑的整體質量進行探查和評價，儀器設備采用重慶奔騰數控技術研究所研制的WZG-24A型工程地震儀、面波檢波器(主頻4 Hz)、數據傳輸電纜、大錘、激振錘墊、蓄電池電源、觸發開關、測繩和面波分析軟件等。面波檢測儀器如圖1所示。

圖1 面波檢測儀器示意

3.2 檢測測線布置

在該雙線鐵路檢測區域的左右線路中間分別布置1條測線，每10 m采集一個面波排列，震源采用18磅鐵錘人工錘擊激發的方式端點激發，偏移距7 m，均勻布置24個道間距為1 m的檢波器，采樣率0.5 ms，采樣點數1 024，單條測線長度180 m，采用MASW多道面波法采集，探測深度約為基床表層以下20 m。

4 數據解釋與驗證

4.1 檢測數據處理流程

(1)回放野外采集記錄， 對非正常道進行處理；

(2)數據格式轉換；

(3)按照測線對記錄進行組合，并建立觀測系統；

(4)對數據進行二維空間互相關計算(SPAC)；

(5)按照共中心點(CMP)抽道集；

(6)對各個道集記錄進行τ-p變換，在F-V域拾取相速度曲線；

(7)按測線對頻散曲線初始化，非線性最小二乘法進行反演；

(8)輸出整條測線的波速剖面圖，繪制出各個測點頻散曲線成果圖。

4.2 檢測數據解釋

根據各測點頻散曲線所反映的面波波速情況，繪制ZD1K0+000～ZD1K0+180段左線面波速度等值線圖(如圖2所示)。整體上分析，在探測深度范圍內，面波波速在230m/s以上的區域，面波波速等值線分布均勻性好，在填筑深度為2.2 m的ZD1K0+000～ZD1K0+090區段，面波波速范圍為200～250 m/s，在ZD1K0+090～ZD1K0+180區段不同填筑深度范圍內的面波波速范圍為250～310 m/s，其中，ZD1K0+000～ZD1K0+075區段為低速區，填筑深度范圍內面波波速在220 m/s以下(如圖2中的虛線區域)。

圖2 左線ZD1K0+000～ZD1K0+180面波速度等值線

ZD1K0+030、ZD1K0+050和ZD1K0+070等處的存在低速極值點，其頻散曲線分別如圖3和圖4所示。可見，在填筑深度范圍內，ZD1K0+030處深度1.2～2.0 m和ZD1K0+070處深度1.5～2.0 m范圍內存在換填區域，且該換填層壓實效果較差。

圖3 左線ZD1K0+030處頻散曲線

圖4 左線ZD1K0+070處頻散曲線

4.3 現場開挖比對

根據對檢測數據的分析和解釋，分別對左線ZD1K0+030和ZD1K0+070兩處進行開挖驗證，開挖深度2 m，開挖結果如圖5所示，可見，整體上路基填料級配不滿足設計要求，在判定的低速區范圍內，存在軟弱夾層，表明路基實際填筑質量和現場檢測判定結果吻合。

圖5 左線ZD1K0+030(左)和ZD1K0+070(右)處開挖驗證結果

5 結論

(1)多道瞬態面波法檢測路基填筑質量是行之有效的，相比常規Evd、Ev2和K30試驗分層逐點檢測的方法，其沿測線方向以多道檢波器組成排列的形式進行整個檢測剖面信息的連續采集和迭加，數據更連續，信息更豐富，結果更精確。

(2)該方法可對從基床表層到基底處理的路基整體填筑質量進行一次性的檢測，檢測成果涵蓋沿線路方向的全斷面路基情況，更適合路基填筑質量的大面積普查和路基深層缺陷的快速探查。

(3)不同地區地層特性存在差異性，因此在界定面波波速臨界參考值時，需對現場不同填料的合格路基分別進行面波檢測并提出有效值范圍，現場無合格路基做參考時，可考慮對不同填料段路基進行動力觸探試驗，從而將面波速度和動力觸探結果建立起數學模型，以獲取不同分層條件下的面波速度范圍信息，為合理解釋檢測數據提供準確依據。

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