基于瑞雷波法的高填路段墻背回填質量無損檢測與評價

姜益順,徐大眾,葛玉寧,袁繼奎,趙德生

(山東省路橋集團有限公司 濟南市 250014)

0 引言

受限于地形等因素的制約,山區高等級公路建設中,多為高填深挖路段。其中,高填路段的橋臺、擋土墻、涵洞這三類構造物“三背”回填因場地限制,大型壓實設備無法進場,人工夯實壓實效果不佳。受回填土壓實不足、季節性水位變化及多雨季節地表水入滲等影響,回填土容易出現沉降變形超限甚至填料沖刷、上部結構開裂等病害。

現有規范規定,路基和臺背的壓實質量應采用密度法檢測,即現場實測的干密度與室內擊實試驗所測算的最大干密度的比值,以百分比表示。達到某一閾值后,判斷路基壓實度是否達標。傳統壓實度檢測過程主要存在的問題有:(1)測速緩慢、效率低下、精確度差;(2)路基中無損檢測利用率較低,壓實度、含水量等相關指標的檢測依賴于環刀法、灌水法、填砂法、取芯法等破壞性檢測方法。隨著路基檢測技術水平的不斷提升,路基回填壓實檢測技術的發展方向發生了較大變化,主要表現為逐漸由人工檢測向自動化智能化檢測發展、逐漸由損傷型檢測向無損檢測型發展。現階段,新興檢測技術檢測方法主要有:瑞雷波法、孔內波速測井法[1]、高密度電法、瞬變電磁法等。其中,瑞雷波法具有較強的適用性。它主要基于瑞雷波的傳播特性-在介質的自由界面周圍傳播。在半無線體介質中,它的能量傳播范圍主要集中在1/2范圍內。在點震源(激振)作用下,表面波具有隨深度增加而逐漸衰減的特性。瑞雷波在二維平面空間傳播時,地質體中的質點是呈現橢圓形傳播的特性并沿其逆時針方向運動[1],即運動方向的水平分量運動具有滯后性,水平分量運動顯著慢于豎向分量運動。

基于瑞雷波法對現場半橋半路擋土墻墻背填土情況進行信號探測,實現深層填土壓密效果無損檢測,獲取墻背填土壓實分布規律,指導施工及時進行補強處理,避免出現病害。

1 瑞雷波檢測原理

瑞雷波利用激發點震源(如錘擊)激發所產生的面波,相同波長的瑞雷波傳播特征表征了被測試地質體在水平方向上的變化情況;不同波長的瑞雷波傳播特征表征不同深度地質體的變化[2]。在瞬態瑞雷波場現場勘測中,需利用快速傅氏變換(FFT)將時域記錄(數據)轉錄為頻域記錄(數據)。其中,對于頻率為fi的頻率分量,互譜法計算相鄰檢波器記錄的相移Δφi,相鄰道Δx長度內瑞雷波的傳播速度VRi:

VRi=2πfiΔx/Δφi

(1)

測量范圍NΔx內的平均波速為:

(2)

式中:φij為第j個φi值。

2 橋頭高填路段臺背回填檢測評價

依托工程為臨臨高速(臨淄至臨沂),項目地處山東省東南部,施工4標段主線起止里程:K66+000～K80+100,全長14.1km,路線大體呈西北東南走向,選線范圍涉及淄博博山區、沂源縣。整條高速公路線路基本上是一個多丘陵地帶。部分路段受地形條件限制采用半橋半路結構,如圖1所示,路基一側采用路肩擋墻,墻后填土5～15m不等,填土材料采用當地山體開挖風化砂。試驗場地位于龍家湖大橋段(K71+965),測點布置如圖2所示,試驗段長50m,通過縱橫交錯測線,實現對區域內路基填土壓實程度分布檢測與評價。

圖1 墻背高填路基橫斷面圖(單位:cm)

圖2 現場面波檢測布點平面示意圖

瑞雷波檢測能夠通過處理后的深度速度圖較為直觀獲得瑞雷波在地質體中傳播的波速,或者是計算出路基深度有效范圍內不同深度剪切波波速[3]。通過對關鍵物理參數的數值計算,對地質體的相關性質進行詳細分析和評價。通過計算所得地質體的瑞雷面波速,可以得到瑞雷波在地質體中的剪切波速;在一定條件下,也可以計算出相應地質體的縱波速度。基于已有的計算公式或相應參數表,得到相關巖土介質層的物理力學參數[4],具體物理參數計算式見表1。

表1 物性參數計算式

基于已知經驗公式以及相關瑞雷波測算試驗總結出的波速與各項相關參數的對應關系,能夠快速處理現場實際測得的相關數據,以求得所測地質體中路基斷面的各項物理參數。

3 探測結果分析

現場測試獲取的原始數據是頻散曲線,頻散曲線由頻散點組成,每個頻散點對應相應位置處的路基中波速值,如圖3所示。

圖3 波速-深度分布圖

為了獲得地質體波速的特征值,需對頻散數據進行提取[5-6]。將提取后的特征值由surfer軟件處理,生成瑞雷波波速等值線圖。由此而得,在臺背回填地質中出現具有明顯差異的數據,主要表現為中心位置處(測試面以下3m)出現了低波速值。為驗證檢測過程中是否出現錯誤,提出對相同位置處進行重復探測的檢測方案。對二次數據處理后,得到與首次測試數據相同的結果,基本上排除檢測過程中出現重大失誤的可能,佐證了試驗過程的有效性。根據相對波速與材料之間的關系,表面以下3m～5m出現波速在170～195m/s之間,所測波速值遠小于施工要求值,研判后得:出現波速較低區域的主要原因是路基回填材料壓實度不足。對于壓實度不滿足要求的位置,必須對其進行補壓,一般采用小型振動壓路機或液壓夯機處理,以防止路基工程出現工程質量隱患,以免影響公路在營運期間的正常使用。

此外,現場對路基土進行壓實度檢測,將波速與壓實度進行對比,如表2所示,建立關聯關系,基于該關聯公式,可對路基壓實效果進行大面積快速檢測與評價。

表2 不同深度下部分測點參數及壓實度

將原位測得的瑞雷波速值與灌沙法測得的土樣干密度值相匹配擬合后,建立相應的公式。不同路基土層深度下分別測得的瑞雷波速值和填砂法值測得的干密度值回歸曲線如圖4所示。

圖4 不同深度瑞雷波波速與干密度擬合曲線

(3)

(4)

(5)

(6)

依據現場實測瑞雷波波速,在式(3)～式(6)中,得瑞雷波法測得路基土壓實度。對比分析灌砂法和瞬態瑞雷波法測量的各基壓實度,見表3。

表3 瑞雷波法與灌砂法測得壓實度對比表

由表3可知:利用瞬態瑞雷波法與傳統灌砂法分別測得同一地點的壓實度的絕對誤差區間控制在1.2%范圍內,且相對誤差控制在1.14%范圍內。傳統灌砂法測得的壓實度與基于瑞雷波反算模式下得到的壓實度準確性及相關性較為良好,壓實度數值較為接近。絕對誤差控制在1.2%以內,相對誤差控制在1.14%以內,足以證明此段路基壓實效果良好。從而利用瞬態瑞雷波法測算狹窄路基位置處壓實度有工程實際意義。

4 結論

針對山區公路墻背回填路基難以充分壓實的問題,采用瑞雷波法開展回填土壓實質量無損檢測試驗,主要得到以下結論:

(1)墻背填土可通過瑞雷波法檢測獲取波速分布圖,通過波速與壓實度建立關聯關系,實現對路基壓實質量的評價。

(2)瑞雷波法檢測波速與傳統壓實度檢測方法相比,通過數據擬合分析,精準度可以滿足要求。

(3)與傳統方法點位檢測相比,瑞雷波法可實現無損、快速、大面積檢測,通過科學方法實現檢測波速解譯,可用于指導施工。