基于瑞雷波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的湖堤大道拼寬路基質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

朱慶慶，張武巍，狄恩州，石妍茹

(1.中交路橋華北工程有限公司 北京市 101100； 2.山東交通學(xué)院 濟(jì)南市 250300)

0 引言

路基是公路中承受行車荷載的主要結(jié)構(gòu)，路基質(zhì)量好壞直接影響到公路整體結(jié)構(gòu)性能和行車舒適性、安全性，路基改擴(kuò)建工程中易發(fā)生不均勻沉降病害。如何準(zhǔn)確、快速地診斷路基性能，預(yù)測(cè)路基病害的發(fā)生，是道路工程界面臨的重要課題。目前路基質(zhì)量評(píng)價(jià)主要通過(guò)壓實(shí)度檢測(cè)，具體方法有灌砂法、環(huán)刀法、核子密度儀法等，其中灌砂法、環(huán)刀法屬于破壞性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，核子密度儀法會(huì)發(fā)射對(duì)人體有害的放射性物質(zhì)。近年來(lái)，瑞雷波法因其檢測(cè)時(shí)無(wú)損、便捷的優(yōu)勢(shì)也被越來(lái)越多地用到路基壓實(shí)度的檢測(cè)上來(lái)。瞬態(tài)瑞雷波法是一種淺層地震勘探方法，其利用瑞雷波在不同介質(zhì)中傳播的頻散特性可以解決很多復(fù)雜的工程地質(zhì)難題[1]。瑞雷波這一頻散特性可用以對(duì)拼寬新老路基的密實(shí)度檢測(cè)，獲取不同深度不同位置路基的密實(shí)度分布情況，為路基進(jìn)一步質(zhì)量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

軟地基的加固處理，就是通過(guò)不同的方法，如強(qiáng)夯、擠密置換、化學(xué)處理等，使軟地基變“硬”。瑞利波法評(píng)價(jià)加固效果，是通過(guò)實(shí)測(cè)地基加固前后的波速差異，得到處理后的地基較處理前地基的物理力學(xué)性質(zhì)的改善程度，同時(shí)可方便地對(duì)處理后場(chǎng)地在水平方向的均勻性做出評(píng)價(jià)，以及確定加固所影響的深度和范圍[3]。

通過(guò)對(duì)瑞雷波設(shè)備改進(jìn)，使其適用于公路檢測(cè)，并形成一套完整瑞雷波法檢測(cè)既有公路路基壓實(shí)度的新方法，將大大提高既有路基狀況無(wú)損檢測(cè)效率，促進(jìn)我國(guó)高等級(jí)公路路基檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展[4]。

1 瑞雷波法檢測(cè)技術(shù)原理

瑞雷波是一種在介質(zhì)的自由界面附近傳播的面波，其形成傳播與介質(zhì)物理特性有關(guān)。瑞雷波在空間傳播時(shí)，其介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸垂直于自由界面，短軸與波的傳播方向平行。傳統(tǒng)地震勘探中，表面波被視為一種強(qiáng)干擾波，需要想方設(shè)法消除[5]。實(shí)際上，瑞雷面波占總輸入能量的 2/3，且衰減慢，攜帶足夠多的地下信息。在均質(zhì)半空間中，瑞雷波波速vR可近似表達(dá)為:

式中：vR為瑞雷波速；μ為剪切模量；vs為剪切波速。

可知瑞雷波波速與振動(dòng)頻率無(wú)關(guān)，即其具有非頻散性，瑞雷波勘探直接成果就是瑞雷波波速或波長(zhǎng)隨頻率的變化曲線[6]。由于瑞雷波波速表征的是其穿透深度范圍內(nèi)的地層平均速度，根據(jù)瑞雷波波速與穿透深度的關(guān)系，可得到瑞雷波波速與穿透深度的關(guān)系曲線，從而達(dá)到利用瑞雷波進(jìn)行地質(zhì)分層的目的[7]。

瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)試原理如圖1所示。選用合適大小的力錘在震源位置進(jìn)行錘擊激發(fā)信號(hào)， 通過(guò)對(duì)傳感器拾取的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行綜合分析后轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，瑞雷波頻率的不同所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也不同，其影響深度也不相同，反映的是介質(zhì)在不同深度范圍內(nèi)的特性[8]。不同頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系構(gòu)成了測(cè)點(diǎn)位置的頻散曲線，通過(guò)對(duì)頻散曲線的分析，確定各分層介質(zhì)的分層界面及對(duì)應(yīng)的波速，再將瑞雷波速與分層介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)之間建立起相關(guān)關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)基于瑞雷波方法進(jìn)行公路質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)[9]。

圖1 瑞雷波法檢測(cè)示意圖

2 工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

環(huán)湖大道東線工程為《濟(jì)寧市公路網(wǎng)規(guī)劃》確定的“一環(huán)、六射、九縱、五橫、九聯(lián)”干線公路網(wǎng)中“縱八”線的重要組成部分，位于濟(jì)寧太白湖新區(qū)、微山境內(nèi)，全長(zhǎng) 116.2km。根據(jù)水利部淮河水利委員會(huì)組織召開(kāi)的《環(huán)湖大道東線工程防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》咨詢會(huì)專家意見(jiàn)， 同時(shí)結(jié)合沿線構(gòu)造物及外側(cè)房屋布設(shè)情況，環(huán)湖大道 K2+500～K3+700、K4+300～K5+800 段按堤外加寬方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中堤頂?shù)诙尤跖蛎浶哉惩梁穸容^大，如采用全斷面開(kāi)挖并摻灰改善則會(huì)導(dǎo)致社會(huì)影響較大，同時(shí)施工方案需經(jīng)淮河水利委員會(huì)批復(fù)，實(shí)施難度較大。因此針對(duì)此類土質(zhì)和湖堤防洪現(xiàn)狀，路基處理擬采用加固土樁方案改良此類不良土質(zhì)。路段路基清表主要位于湖灘內(nèi)側(cè)灘地，因存在多年淤積土，清表厚度按 30cm 計(jì)。當(dāng)原地面縱坡大于 12%或橫坡陡于 1∶5 時(shí)，進(jìn)行挖臺(tái)階處理，臺(tái)階寬度應(yīng)大于 2m，并設(shè)置成向內(nèi)大于4%的坡度。翻挖原湖堤厚 1.44m(路面結(jié)構(gòu) 64cm+路床處理厚度 80cm)后，沿新舊堤相接的邊坡線開(kāi)挖三級(jí)臺(tái)階，分別在老堤堤頂開(kāi)挖面、邊坡上的臺(tái)階、加寬側(cè)的湖灘共計(jì)四個(gè)平臺(tái)采用漿噴樁法處理，再采用素土逐層回填，然后采用分層沖擊碾壓處理。原湖堤路基漿噴樁樁長(zhǎng) 7m，新建路基基底漿噴樁樁長(zhǎng) 10m，等邊三角形布置，間距 2m，樁徑 0.5m。湖堤路基改擴(kuò)建設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

圖2 湖堤路基改擴(kuò)建設(shè)計(jì)圖

2.2 測(cè)試方案

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖 3 所示，測(cè)點(diǎn)采用網(wǎng)格化布置，間隔 2m 布設(shè)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)范圍覆蓋了新老路堤，以及復(fù)合地基加固區(qū)(路基邊坡填筑之前完成檢測(cè))。擬通過(guò)測(cè)試獲取不同深度范圍土體壓密效果。瑞雷波法檢測(cè)路基參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

表1 瑞雷波法檢測(cè)路基參數(shù)設(shè)置

注：道間距指兩測(cè)點(diǎn)之間距離，偏移距指振源距最近測(cè)點(diǎn)的距離。

2.3 瑞雷波采集分析設(shè)備

本次試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集分析工作主要包括重錘即震源、拾振器、信號(hào)采集儀、計(jì)算機(jī)采集及分析軟件組成。

常見(jiàn)的震源激發(fā)方式有錘擊震源、落重震源和炸藥震源，考慮方式的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)于高速公路一般采用錘擊震源，本次試驗(yàn)選用 19 磅重長(zhǎng)柄鐵錘，用透明膠帶將觸發(fā)傳感器與鐵錘緊密粘結(jié)，避免儀器因時(shí)間差而漏采信號(hào)。錘重越大，會(huì)使錘子與鋼墊接觸面越大，接觸面剛度越小，接觸面剛度可以通過(guò)改變鋼墊來(lái)達(dá)到所需的要求，本次試驗(yàn)錘墊采用鋼墊提高激振頻率，尺寸為 25cm×30cm×2cm。墊塊需與土面接觸牢固，由于墊塊面積大小會(huì)影響瑞雷波，因此，墊塊面積不宜太大。

本次試驗(yàn)所用分析軟件是由武漢巖土星的表面波分析軟件 SWCT。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選定主要采集參數(shù)如表 2 所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程如圖4所示。

表2 主要采集參數(shù)表

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程圖

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)區(qū)域共分十七層填筑，每層層厚為 20cm，有效路基分析深度位 0～8m。圖5分別為利用 Surfer 15 軟件處理后的檢測(cè)區(qū)的新填筑路基速度剖面圖，新舊路基交界處速度剖面圖，河底老路基速度剖面圖。

圖5 新路基、新老路基交界處、老路基波速剖面速度圖

由圖5分析可得：在該檢測(cè)區(qū)路基深度 0～8m 范圍內(nèi)，波速均在 150～1500m/s范圍內(nèi)，沒(méi)有明顯的凹凸點(diǎn)，說(shuō)明波速變化較穩(wěn)定，且土的場(chǎng)地類型一致，VR(瑞雷波速)>500，故屬于堅(jiān)硬場(chǎng)地土。新路基、拼寬段路基、老路基測(cè)點(diǎn)波速變化幅度依次減小， 由于老路基已通車運(yùn)營(yíng)多年，故老路基上的測(cè)點(diǎn)波速變化最平穩(wěn)。分析波速變化得出，三種路基填筑狀況差異不大。但在三種路基中，老路基填筑狀況與拼寬路基、新路基的填筑狀況比較而言，老路基填筑狀況、填筑材料均勻程度和密實(shí)程度仍具有優(yōu)越性。

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得三種路基的波速取其均值繪制折線圖如圖6所示。

圖6 路基波速—深度曲線圖

從圖 6 中可以看出，新路基和拼寬段路基變化趨勢(shì)接近，存在拐點(diǎn)，波速呈現(xiàn)“增加—減小—增加”的變化趨勢(shì)，深度 1～2m 處存在部分低速拐點(diǎn)，但屬于正常范圍內(nèi)；老路基曲線較光滑，自始至終波速隨深度呈增大趨勢(shì)，其波速值不存在明顯離散點(diǎn)和拐點(diǎn)，與新路基和拼寬段路基相比，變化范圍較小，老路基整體均勻性、密實(shí)性良好，也與其運(yùn)營(yíng)通車多年實(shí)際情況相一致；拼寬段路基曲線連續(xù)性良好，變化程度在三者之間最大，在 3m 范圍內(nèi)其波速值與新路基十分接近，3m往下范圍內(nèi)波速明顯增大，考慮是因位于新老路基搭接處，既有老路基又有新路基，在開(kāi)挖臺(tái)階填筑時(shí)，上部新路基居多，下部老路基居多，運(yùn)營(yíng)通車多年老路基密實(shí)性好，故更深處路基波速明顯增大，沒(méi)有出現(xiàn)波速離散，說(shuō)明填筑狀況良好。

4 影響因素分析

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，可能影響瑞雷波檢測(cè)精度的因素如下：

(1)震源的激震頻率的影響

(2)空間采樣率的影響

采用瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)得而采取的頻散曲線，頻散特征反映的是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間介質(zhì)的平均效應(yīng)。空間采樣率越小，橫向分辨率越高，即對(duì)介質(zhì)橫向變化特征刻畫越仔細(xì)。道間距的設(shè)置應(yīng)該盡可能滿足要求，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

(3)時(shí)間采樣率的影響

在路基一定深度范圍內(nèi)，相速度的變化范圍也是相對(duì)固定的。頻散曲線散點(diǎn)分布情況非常不均勻是因?yàn)槿鹄撞ǖ念l率范圍變化較大，可能從單個(gè)赫茲到數(shù)百赫茲。但在低頻范圍到高頻范圍散點(diǎn)分布從稀疏到密集，因此需選擇合適的采樣頻率。

(4)多道接收時(shí)道一致性的影響

采集到真實(shí)的記錄只有在相鄰道拾振器采集的信號(hào)有較好的一致性才存在可能性，因此要對(duì)檢波器進(jìn)行振幅和相位一致性檢驗(yàn)是十分有必要的。

(5)檢波器與地面耦合情況的影響

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，檢波器與測(cè)點(diǎn)附近地表面的耦合作用與其所拾取的原始信號(hào)真實(shí)性還原度呈正相關(guān)，為后續(xù)分析的精度保證了前提。

5 結(jié)論

基于瑞雷波法的基本原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，利用fk變換法分析頻散曲線，對(duì)新路基、老路基、拼寬段路基沿行車方向和垂直于行車方向進(jìn)行路基填筑質(zhì)量分析。對(duì)比分析深度—波速剖面圖得出，新路基、老路基、拼寬段路基填筑狀況差異不大。依據(jù)數(shù)據(jù)建立路基波速―深度關(guān)系曲線，分析得出拼寬段路基大于3m范圍內(nèi)波速明顯增大，考慮是因位于新老路基搭接處，既有老路基又有新路基導(dǎo)致的波速增大。