郭 湘

(湘潭市交通建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站，湖南湘潭 411100)

0 引言

高速公路橋頭路基由于緊鄰橋臺，大型壓實機具難以使用導致壓實度不滿足要求，另外，雨水沖刷、不均勻沉降等都容易使臺背產(chǎn)生病害，進而導致搭板脫空、橋臺跳車等病害，特別是高填方橋臺、軟基橋臺，這種病害就更加容易產(chǎn)生［1］。

這類病害不管成因如何，其機理一般均為臺背填土沉降、脫空或路基填筑時壓實不均勻，導致臺背下產(chǎn)生不密實區(qū)，在雨水、路基自重等的作用下會使病害越來越嚴重，進而影響行車舒適及行車安全，帶來安全隱患。目前對于病害的防治主要就在路基填筑時，選擇合適的壓實機具及填筑材料，避免壓實不均勻，消除填土的不密實區(qū)，或設(shè)計承載力更好的碎石樁基礎(chǔ)，但其造價較高;當病害發(fā)生后，處治措施主要以注漿為主或進行開挖換填。病害發(fā)生均處于臺背填土內(nèi)部，如何確定病害(脫空、松散或不密實區(qū))的位置及大小是處治病害的前提條件。

瑞雷波法具有無損檢測的特點，操作方便、快捷，檢測結(jié)果滿足工程精度要求，是近年來工程檢測技術(shù)發(fā)展的新方向［2］。本文利用瑞雷波法對橋頭路基病害進行檢測，可較為精確的得出填土病害發(fā)生的區(qū)域，為注漿處治提供確切位置。注漿完成后，再次檢測，結(jié)果表明注漿效果良好，病害得到有效治理，說明該檢測技術(shù)是可靠的。

1 瑞雷波檢測原理［3］

瑞雷波作為無損檢測法的一種，其具有檢測成本低、檢測過程方便、檢測效率高等特點，作為一種表面波，在空間半無限體中，其傳播能量主要在波長的1/2范圍內(nèi)，在激發(fā)傳播源為點源時，瑞雷波的傳播隨著深度逐漸衰減，傳播介質(zhì)中的質(zhì)點運動軌跡為橢圓形，且逆時針進行，水平振動較豎直方向振動慢。

在同一深度范圍內(nèi)，同一波長的瑞雷波的傳播特性可反映這一深度內(nèi)的傳播介質(zhì)水平方向上的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性可反映不同深度范圍內(nèi)傳播介質(zhì)豎直方向上的變化情況，文中進行的瑞雷波檢測，可用傅氏變換公式將時域記錄轉(zhuǎn)換為頻域記錄，瑞雷波的傳播速度VRi可表示為:

VRi=2πfiΔx/ΔΦi(1)式中:fi為頻率;Δx為相鄰檢測通道的長度;Δφi相鄰檢測通道上的檢波器記錄到的相移。

由上式，整個檢測范圍內(nèi)，即NΔx內(nèi)，其平均波速應為:

式中符號意義同式(1)。

本次采用的瞬態(tài)瑞雷波檢測主要利用兩檢測點之間的相關(guān)分析來得到其相位差φ(f)，再由相位差反推兩檢測點間瑞雷波的傳播時差:

再根據(jù)通道的距離D，即可得到相速度:

瑞雷波儀檢測，就是通過收集不同介質(zhì)內(nèi)瑞雷波的頻散曲線，得到橋頭路基范圍內(nèi)不同深度填土的剪切波波速，再通過經(jīng)驗公式計算出不同波速對應介質(zhì)的物理參數(shù)，以判斷其工程性質(zhì)，評價橋頭路基質(zhì)量。各參數(shù)計算公式如下［4］:

式中:vR為瑞雷波波速;μ為泊松比;vs為剪切波速度。

式中:Gd為地基的動剪切模量;ρ為地基的質(zhì)量密度。

為了評價方便，有時也僅用瑞雷波儀對應的波速作為判斷指標，并將處治前后橋頭路基相同斷瑞雷波速的對比來評價處治效果。

2 瑞雷波法檢測實例分析

2.1 工程概況

高速公路總體線路呈南北走向，近北向南延伸，地勢總體為北低南高，位于丘陵崗地地形，路線穿越的地貌單元有丘陵高崗、丘間盆地、河谷階地等。路線區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，陽光充足，雨量充沛，年平均降水量1552.1 mm，4～6月降水量約占全年降水量的50%，年平均降水日數(shù)為154d。第B3合同段，地形起伏較大，橋臺高度較高，且山間存在軟弱土層，厚度一般為1～3m，地表水、地下水較為豐富，不利于高填路基穩(wěn)定。

某橋N號臺(柱式橋臺)填土高度14.3m，施工完成后，臺前及路基兩側(cè)明顯可見填料被水沖刷流失，路基頂部亦可發(fā)現(xiàn)有輕微的不均勻沉降，這種沉降同行車軌跡(施工車輛)有一致性，這可能是因為橋臺填土內(nèi)部不密實后，車載作用下產(chǎn)生的變形。針對該橋兩側(cè)橋頭搭板及路基出現(xiàn)的病害，進行瑞雷波法檢測。

2.2 瑞雷波儀檢測步驟

為了準確的檢測出橋頭路基不密實區(qū)(或沖刷區(qū))的范圍及位置，在橋頭處布置測點，通過激發(fā)瑞雷波，檢測出測點下路基填土的頻散圖及云圖，分析得到整個填土范圍內(nèi)的波速等值線圖，從而判斷不密實區(qū)的幾何參數(shù)。具體檢測步驟如下:

1)在橋頭路基頂部(或搭板)，沿路線縱向、橫向分別布置檢測線，探頭布置間距為1m，呈線形布置，將連續(xù)布置的4個探頭作為一個探測點，一個探測點為4m。檢測線布置如圖1所示。

圖1 瑞雷波檢測測線布置示意圖

2)瞬時激發(fā)點源瑞雷波。采用瞬時激發(fā)點源瑞雷波，一組激發(fā)2次，對采集的頻散數(shù)據(jù)進行疊加，這樣可過濾干擾源對瑞雷波傳播的影響。如附近有較大干擾信號時，如車輛進過等，應暫停操作，待平穩(wěn)后再行檢測。

3)數(shù)據(jù)采集。瑞雷波檢測儀將采集到激發(fā)傳遞到橋臺填土中的瑞雷波波速的原始數(shù)據(jù)，檢測儀以頻散曲線行駛記錄并存儲這些數(shù)據(jù)，用于后期分析。由瑞雷波傳播原理可知，在各向均質(zhì)的傳播介質(zhì)表面，瞬態(tài)瑞雷波將以同一波速進行傳播，不隨振動頻率不同而不同，其頻散曲線為在圖中(瑞雷波檢測儀)顯示為一條豎向直線;當瑞雷波在多層性質(zhì)不同的介質(zhì)內(nèi)傳播時，收集到的頻散曲線為發(fā)散狀態(tài)，頻散點的分布規(guī)律由傳播介質(zhì)的特性決定，不同介質(zhì)會有不同的頻率和傳播速度，收集到的其頻散曲線圖是一條波速隨深度而變化的曲線［4，5］。

2.3 檢測數(shù)據(jù)分析

在對橋頭路基檢測前，選取3處本高速項目填方施工質(zhì)量(壓實度、填料性質(zhì)等)符合要求的段落進行檢測，以得到不同壓實度情況下的波速，將3組檢測數(shù)據(jù)處理后，可得不同壓實度區(qū)域?qū)ㄋ俦恚?，7］，如表1。考慮到不同路段填料性質(zhì)的差異以及施工工藝的差別，此數(shù)據(jù)僅作為參考用。

表1 試驗路段不同壓實度下的對應波速

對N號橋臺橋頭路基進行檢測，數(shù)據(jù)采集采用重復檢測法，當同一位置連續(xù)3次檢測的數(shù)據(jù)吻合時，進行下一測點的檢測，直至所布測點全部完成。對后期數(shù)據(jù)處理，采用提取頻散點，轉(zhuǎn)換成波速，再將波速相同點連成曲線，可得波速等值線圖，如圖2所示，橫軸為路基縱橫方向上的距離，縱軸為路基頂面以下深度。

圖2 注漿處治前N號橋臺波速等值線圖

由圖2a)可知，路線橫向方向上，在路基中線右側(cè)5m處路基頂面以下3～6m，寬2m的范圍內(nèi)有波速異常低的區(qū)域出現(xiàn)，其大小為700～850m/s;路線縱向方向上，靠近橋臺背墻位置至大樁號方向上5m左右范圍內(nèi)，也有波速異常低的區(qū)域出現(xiàn)，其深度也為3～6m，這與橫向檢測數(shù)據(jù)吻合。對比波速與材料之間的關(guān)系，初步判斷波速異常低的區(qū)域為不密實區(qū)，并確定了不密實區(qū)域的空間位置及大小，為注漿處治提供了依據(jù)。

分析該處不密實填筑區(qū)域的原因，主要有以下幾種可能［8］:1)路基填料本身不符合技術(shù)要求，難以壓實，或為材料具有液限高、遇水軟化等特性，在遇水作用下導致不密實;2)臺背填土區(qū)域工作面較小，大型壓實機具無法使用，采用小型機具或人工壓實，壓實度達不到設(shè)計要求;3)由于建設(shè)工期較短，路基填土自身固結(jié)沉降未完成，在車輛荷載的作用下，工后沉降較大。

上述原因?qū)е碌牟幻軐崊^(qū)域均需進行處治，以消除公路運營時的安全隱患。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，可采用鉆孔注漿處治方式，以加強臺背路基強度。漿液采用水泥凈漿，水灰比為1∶1，根據(jù)瑞雷波儀檢測出的不密實區(qū)域大小，布置注漿鉆孔。

注漿完成后，待漿液與路基填料間的結(jié)合穩(wěn)定后，再進行瑞雷波檢測，檢測測線、測點布置均同處治前，以觀察注漿處治效果。得到的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，繪制成波速等值線圖，如圖3所示。

圖3 注漿處治后N號橋臺波速等值線圖

將圖3與圖2對比可知:路線橫向方向上，在路基中線右側(cè)5m處路基頂面以下3～6m，寬2m的范圍內(nèi)異常低波速區(qū)已經(jīng)消失，該范圍的波速大致為1050～1350m/s;路線縱向方向上，異常低波速去也消失，此外，注漿影響范圍內(nèi)，波速均有不同程度增強，說明注漿對橋頭路基的整體強度及穩(wěn)定性都有明顯的增強。

為了更直觀的說明注漿對橋頭路基填料波速的影響，在路線橫向上選取4個特征點的注漿前后波速進行對比分析，各分析點坐標分別為A(3，－1)，B(4，－2)，C(5，－3)，D(6，－4)，x坐標代表橫向上離路基中線的距離，y坐標代表搭板以下深度。各分析點波速對比及物理參數(shù)見表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，各分析點在注漿后，波速均有提高，其中C分析點提高幅度最大，達25.1%，A點提高幅度最小，為10.3%，整體來看，各分析點的波速、壓實度等指標符合路基技術(shù)要求，說明注漿加固達到了預期的處治效果，現(xiàn)場取芯試驗驗證了上述分析。值得注意的是，注漿不僅對原不密實區(qū)進行了有效的處治，且對注漿影響范圍內(nèi)的其他區(qū)域進行了補強，整個橋頭路基在注漿處治后，路基穩(wěn)定性明顯得到提高。

表2 路線橫向各分析點注漿處治前后波速對比成果表

以上瑞雷波檢測分析實例表明，瑞雷波檢測可較為準確的確定橋頭路基不密實區(qū)域的位置及大小，受到現(xiàn)場施工環(huán)境的影響，檢測數(shù)據(jù)不可避免的有干擾存在，但總體看僅對檢測路基體的表面有一定影響，對其下部一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)影響較小，檢測數(shù)據(jù)可作為工程判斷依據(jù)。

3 結(jié)論

本文通過應用瑞雷波法檢測橋頭路基病害實例，驗證了其在公路檢測領(lǐng)域的實用性。

瑞雷波檢測數(shù)據(jù)處理后得到的波速等值線圖能直觀的反映橋頭路基不密實區(qū)域，可較為準確的判斷病害發(fā)生的范圍及嚴重程度，可為注漿處治提供必要的依據(jù)。處治后的檢測結(jié)果表明，注漿對處理橋頭路基的填料不密實病害有良好的效果，也進一步驗證了瑞雷波檢測技術(shù)在公路路基病害檢測中具有較高的可靠性。瑞雷波法作為無損檢測的一種，在工程檢測領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

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