瑞利波法在強夯加固臺背回填土質量檢測中的應用研究

康思源

湖南建工集團裝飾工程有限公司 湖南 長沙 410000

引言

隨著我國城鎮化加速，高等級公路交通網規模不斷擴大，“橋臺跳車”問題越來越受到研究人員和工程人員的關注。臺背回填土的工后沉降與橋梁主體結構的“零沉降”之間的沉降差是造成“橋頭跳車”的直接原因。如何有效提高臺背回填土壓實度以及對夯實質量進行檢測是該領域研究的熱點和難點。

1969年，法國工程師Menard首次提出并應用強夯法加固地基，之后強夯法便得到廣泛的發展[1]。強夯法通過將重力勢能轉化為夯擊能，在土層中產生沖擊波和動應力，對地基土顆粒進行擠密加固，有效降低其壓縮性的一種主動加固地基的方法。其中不少學者對強夯加固橋臺背回填土進行了研究，于克萍等[2]通過建立橋臺-路基3D有限元模型，對強夯作用下的土體應力和位移進行了分析。楊智剛[3]通過室內模型試驗，研究了橋臺背路基土體在強夯作用下的變形特性。劉亞軍等[4]詳細闡述了橋臺背回填土強夯加固基本原理、變形規律等，并提出了強夯設計和施工技術要求。劉立軍等[5]結合高速公路橋涵案例，對強夯法提高橋涵臺背壓實度進行了研究。

1885年，英國科學家Rayleigh首次在理論上確定了彈性半空間自由界面上瑞利波的存在[6]。隨后Thomson[7]、Haskell[8]先后采用傳遞矩陣法推導得到了瑞利波的特征方程，并發現了瑞利波的彌散特性。此后，國內外對瑞利波的傳播特性和彌散特性展開了進一步研究[9-13]。不少學者[14-16]運用瑞利波在巖土中的彌散和傳播特性可以反演得到介質剪切波速，同時根據剪切波速與巖土物理力學性質的相關性，對地基加固效果進行判定。周捷等[17]、葉咸等[18]結合實際案例，研究了瑞利波法在臺背回填質量的無損檢測應用效果。但這方面的研究成果較少，結論欠全面。

綜上所述，以往的研究對于瑞利波在橋臺背回填土質量檢測應用方面較少、結論欠全面，且在運用瑞利波檢測強夯加固橋臺背回填質量應用方面鮮有研究報道。本文以某高速公路工程為背景，因該工程工期緊，質量要求高，任務重等特點，經綜合考慮，采用強夯法對臺背回填土進行了沖擊夯實，并運用瑞利波法結合鉆芯取樣試驗結果對夯實效果進行合理評價，結果表明：在特定土質條件下，建立該土質的剪切波速和壓實度數學模型，可以較快的實現橋臺背回填土質量無損檢測。采用強夯加固橋臺背回填土，夯實效果明顯，但對不滿足壓實度要求的區域，應根據瑞利波檢測結果進行后期強夯補強。本文的研究方法和結論可以為相類似工程提供參考。

1 瑞利波法基本原理

如果在彈性半無限體的表面施加一個沖擊荷載，其中瑞利波產生的地面豎向運動位移比其他振動波要大得多，且隨著豎向深度或離開界面距離的增加，波動振幅不斷減小。根據這種傳播特性，只要當地面受豎向脈沖荷載作用時，將傳感器放在離震源適當的位置，同時降低檢測系統的放大倍數，則可在地表得到瑞利波信號。

圖1 表面波譜分析法原理圖

圖1是表面波譜分析法原理圖，當在振源處地表施加豎向敲擊，則位于地表的傳感器1和2接收到的基本上是波的豎向分量信號，利用頻譜分析可以得到兩信號各自的自功率譜及互功率譜，傳遞函數和相干函數。設信號1的線性譜為信號2的線性譜為則自功率譜分別為：

兩信號在波傳播過程中的時間滯后會產生相位差Δφ，由振動理論可知，當相位差為2π時，所對應的時間為周期T，則輸出的y(t)和輸入x(t)的時間滯后可表達為：

由于兩傳感器的距離x是已知的，且波沿這兩點傳播的路徑為一直線，因此與頻率f相對應的瑞利波波速與波長為：

由上兩式可得實測的瑞利波彌散曲線圖，剪切波速Vs與瑞利波速VR的關系式近似如下：

式中，μ為泊松比。

2 工程案例概況

某高速公路設計速度為80km/h，路基采用整體式設計寬度為25.5m，行車道寬為15m（雙向四車道，單條車道寬3.75m）。臺背回填材料采用級配較好的碎石土填筑，壓實度≥96%，其立面見圖2。強夯加固方案采用自下而上逐層進行攤鋪和夯實，每層壓實厚度為50cm，其中夯錘采用圓形球底重錘（直徑1.2m，球底平面直徑1.04m，重量6t），夯錘下落高度根據現場實際夯實效果控制在4m～8m，夯點設置方案參照文獻[6]。

為了合理科學快速評價強夯加固后臺背回填土壓實質量，首先對強夯加固后A橋臺背回填土進行瑞利波檢測和鉆芯取樣試驗，得到同類特定土質條件下剪切波速和壓實度的統計規律，以此為依據，然后對其他橋背回填土夯實效果進行瑞利波速測試，最后達到分析整條線路臺背回填土壓實質量的目的。

圖2 臺背立面圖（單位：cm）

3 模型建立

表1 A橋臺背回填土瑞利波檢測與鉆芯取樣試驗結果

為得到該工程橋臺背回填土的剪切波速和壓實度的統計規律，對A橋臺背回填土各檢測點（S1#～S9#）實現差異性夯實即得到不同夯實度，結果見表1。A橋臺背回填土測點土體剪切波速與鉆芯取樣試驗壓實度散點圖見圖3。

圖3 土層剪切波速與壓實度的散點圖

由圖3易知，該土質條件下各測點剪切波速VS和壓實度K存在線性關系，假設滿足以下線性關系：

根據最小二乘法可知：

由上式可知：

A=0.063，B=65.25，則該土質剪切波速和壓實度的關系為：

將表1數據帶入上式可知相關系數r=0.9823，說明擬合度好，假設合理。該土質條件下剪切波速與壓實度擬合曲線見圖4。

圖4 剪切波速與壓實度的擬合曲線

4 瑞利波測試成果運用

運用瑞利波檢測結果結合式（12）對其他橋臺背回填土夯實質量進行評價。本文以B橋臺背應用結果為例，見表2。

表2 B橋臺背回填土瑞利波測試結果

從表2可知測點S33#、S35#、S36#、S37#、S39#處土層壓實度均大于96%即滿足設計要求，測點S32#、S34#、S38#處土層壓實度均小于96%不滿足設計要求，故對測點S32#、S34#、S38#區域采用強夯補強，結果見表3。

表3 B橋臺背強夯補強瑞利波測試結果

從表3可知測點S32#、S34#、S38#區域，通過強夯定點區域補強后壓實度滿足設計要求。根據現場工程效果反饋，效果較好，具有一定的經濟性。

5 結束語

為進一步推廣瑞利波檢測結果的應用，基于瑞利波檢測結果和鉆芯取樣結果，對橋臺背回填土夯實效果進行了合理評價，初步結論與建議如下：

（1）本文首先通過對其特定土質進行瑞利波速檢測和鉆芯取樣試驗，得到該土質的剪切波速和壓實度的統計規律，再對待測臺背回填土進行瑞利波速測試，可以快速直觀地對整條線路臺背土層夯實效果進行合理評價，具有一定的經濟性。

（2）本文通過檢測數據分析得出該工程橋臺背回填土層剪切波速和壓實度的相關關系為相關系數r=0.9823。對于不同的土質條件，土層剪切波速與壓實度的關系有一定差別，因此，要推廣瑞利波法在檢測強夯加固橋臺背回填土質量的應用，對于特定的工程，還需要針對特定的土體進行比對測試。