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        瞬態(tài)瑞雷波法在鐵路路基檢測中的應(yīng)用

        2012-10-20 09:49:48中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院華建忠
        河南科技 2012年14期
        關(guān)鍵詞:深度檢測

        中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 鄭州設(shè)計院 華建忠

        瞬態(tài)瑞雷波法在鐵路路基檢測中的應(yīng)用

        中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 鄭州設(shè)計院 華建忠

        鐵路路基作為題錄軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),必須具備強度高、剛度大、穩(wěn)定性好的特點。鐵路路基壓實質(zhì)量檢測是鐵路路基質(zhì)量檢測過程中的一項重要工作, 它直接影響行車運營的安全。

        目前,對路基壓實質(zhì)量的檢測方法主要有輕型動力觸探法與物探法兩類。輕型動力觸探方法的原理是通過在路基中的一定貫入度的錘擊數(shù)反映壓實程度,但該方法有一定的缺陷,首先,觸探位置的選擇精確度不高,會有一定的偏離,通??尚械淖龇ㄊ沁x擇在路基兩側(cè)的路肩上,但這并不能真實反映基床以下的密實程度,做出來的錘擊數(shù)通常偏??;其次,由于觸探采用人工錘擊的方法,誤差較大。采用物探的方法可以彌補輕型動力觸探的不足,筆者所在設(shè)計院在許多既有線改造過程中,綜合運用瞬態(tài)瑞雷波法和輕型動力觸探法,確定路基的密實程度,取得了令人滿意的效果。

        湯臺鐵路是連接京廣線與京九線的重要組成部分,在該路段進(jìn)行的既有鐵路改造中,工作人員采用瞬態(tài)瑞雷波法與輕型動力觸探法相結(jié)合的方法,對路基本體路肩以下10 m深度范圍內(nèi)填筑土的密實程度進(jìn)行了測量。。

        一、瞬態(tài)瑞雷波法原理

        彈性介質(zhì)中,彈性波在到達(dá)速度或密度不同的介質(zhì)交界面時會產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象,同時產(chǎn)生界面波。沿表層傳播的波被稱為面波,面波又分為兩種類型,其中,質(zhì)點沿波的傳播方向在垂直平面內(nèi)振動,其振動軌跡為逆時針方向振動的橢圓,且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減,傳播速度略小于橫波;這中面波被稱為瑞雷波。

        在沿地表傳播時,瑞雷波的穿透深度相當(dāng)于它的波長,因此,頻率越低的瑞雷波穿透深度越大。實際工作中,在地面測得的瑞雷波波速VR被認(rèn)為是深度等于1/2波長范圍內(nèi)介質(zhì)的平均速度值。根據(jù)上述特性可知,當(dāng)采用不同振動頻率的震源產(chǎn)生不同波長的瑞雷波時,可以得到不同穿透深度的瑞雷波的速度值。按1/2波長的深度就可以計算出不同深度介質(zhì)的平均速度VR。

        瑞雷波波速VR與波數(shù)K(K=2πf/VR)是隱函關(guān)系,即為VR的頻散函數(shù)。若給定一個頻率f,即可算出一個對應(yīng)的VR值。在同一地段測量出一系列頻率的VR值,就可得到VR– f曲線,也被稱為頻散曲線。通過對頻散曲線進(jìn)行反演解釋,可得到地下某一深度范圍內(nèi)的VR值。瑞雷波相對體波(P波、S波)而言,具有能量較強(瑞雷波占67%,縱波占7%,橫波占26%)、速度較低、頻率較低、容易分辨等特點。研究表明,瑞雷波的能量主要分布在一個波長的范圍內(nèi)。

        當(dāng)基床以下存在軟弱層時,就會影響瑞雷波的傳播速度。反映在測得的頻散曲線上,就會出現(xiàn)異常反映。瞬態(tài)瑞雷波頻散曲線的特征及其變化與地下巖土體地球物理性質(zhì),如地層的厚度、波速等,密切相關(guān)。研究這些地層物理特性的變化規(guī)律并分析這些特性,就可以初步確定地下巖層的分層以及各層厚度和速度的范圍,再通過曲線的綜合定量解釋,就可以確定出各層厚度及波速,達(dá)到地質(zhì)分層、尋找軟弱層等探測目的。瑞雷波的勘探實踐表明,瑞雷波檢測是一種對軟弱土層比較敏感、能夠定量解釋、而且干擾較小的檢測方法。

        二、野外工作方法及技術(shù)措施分析

        本文,筆者以某次野外勘探工作為例,對瑞雷波在鐵路路基檢測中的具體應(yīng)用進(jìn)行說明??碧焦ぷ饕罁?jù)《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0170–1997),采用多道瞬態(tài)面波技術(shù)進(jìn)行勘探,使用的儀器為北京水電物探研究所生產(chǎn)的SWS工程勘探檢測儀。

        勘探工作共進(jìn)行78個面波點的勘探,位置位于路基路肩上。根據(jù)現(xiàn)場地、震地質(zhì)條件,對觀測儀器、震源、儀器采集參數(shù)逐項進(jìn)行了試驗,依據(jù)試驗結(jié)果確定勘探的方法:采用縱觀測系統(tǒng),激震點和檢波器排列在一條直線上,采用10.8 kg大鐵錘做為震源,用4 hZ的專用面波勘探檢波器進(jìn)行12道接收,道間距為2 m,偏移距為3 m,采樣間隔為0.25 ms,記錄長度為2 000 ms。為了提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量,特采取以下措施:

        1.在同一激發(fā)點重復(fù)接收3~5次,把重復(fù)接收的信號疊回,取其平均值,以加強有效信號,抑制干擾信號。

        2.在勘探點一側(cè)激振和接收完成后,把震源移至勘探點的另一側(cè)再重復(fù)接收3~5次,取兩側(cè)測量結(jié)果的平均值做為該點的最終結(jié)果。

        三、資料整理

        面波勘探采集到的原始資料是面波沿地面?zhèn)鞑サ恼駝硬ㄐ螖?shù)據(jù),只有對原始資料進(jìn)行整理、計算和解釋,才可以得到所需的勘探結(jié)果。針對此次野外勘探工作,筆者選用FKSWSA面波處理系統(tǒng)軟件對現(xiàn)場采集的面波資料進(jìn)行處理、解釋。首先計算面波頻散曲線,再利用頻散曲線和一些已知的相關(guān)地質(zhì)資料進(jìn)行面波資料的反演解釋,最終得到標(biāo)注有地層參數(shù)的面波反演解釋結(jié)果。典型的路基密實度的瑞雷波頻散曲線以勘測點K29+912為例,其深度–剪切波速反演曲線如圖1所示。

        有圖1可知,該曲線淺部速度低,隨著深度的增大,瑞雷波頻散曲線斜率變大,相應(yīng)的VR值變大,中間沒有低速帶。

        典型的路基有軟弱層的瑞雷波頻散曲線以勘測點K118+991為例,其深度–剪切波速反演曲線如圖2所示。

        由圖2可知,該點的瑞雷波曲線呈遞增趨勢,但是該曲線在2.55 ~ 4.24 m段出現(xiàn)低速帶,是該段路基密實度不足所致。

        依據(jù)現(xiàn)有的動探(N10)資料,結(jié)合勘探獲得的相鄰探點的剪切波速進(jìn)行了相關(guān)分析,得到了該區(qū)的線性回歸公式:

        由式(1)可計算出各勘探點不同深度的土層的動探(N10)擊數(shù),從而對路基的密實度進(jìn)行較好的評價。計算結(jié)果見表1。

        表1 勘探點動探擊數(shù)計算結(jié)果

        四、結(jié)論

        經(jīng)過認(rèn)真的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和科學(xué)的室內(nèi)計算,取得了準(zhǔn)確、可靠的實測數(shù)據(jù),較好低完成了本次勘探任務(wù)。這表明,在路基檢測中采用瞬態(tài)瑞雷波技術(shù),可以獲得高信躁比的信息,具有較高的分辨能力和勘探精度,是一種有效的勘探手段。

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