吳曄(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京　100855)

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瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法路基結(jié)構(gòu)檢測(cè)對(duì)比

吳曄
(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京100855)

摘要:瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法屬于常規(guī)物探方法，用于路基填筑體深部密實(shí)情況檢測(cè)時(shí)，單一方法的檢測(cè)結(jié)果具有多解性特征。文章依托贛龍復(fù)線鐵路工程建設(shè)，選取特殊的路基結(jié)構(gòu)(巖溶路基)，應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行路基質(zhì)量檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析2種方法各自的優(yōu)點(diǎn)和適用性，闡明將2種方法結(jié)合起來(lái)的綜合物探法將是路基質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:瞬態(tài)瑞雷波地質(zhì)雷達(dá)路基結(jié)構(gòu)檢測(cè)不密實(shí)區(qū)

1　概述

路基質(zhì)量檢測(cè)包括路基填筑體表層壓實(shí)度檢測(cè)和填筑體深部密實(shí)情況檢測(cè)2個(gè)方面。壓實(shí)度是路基施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，采用密度試驗(yàn)、顆粒分析、擊實(shí)試驗(yàn)、EVd或K30檢測(cè)等試驗(yàn)檢測(cè)方法，查明表層壓實(shí)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。深部結(jié)構(gòu)密實(shí)程度的檢測(cè)是探明填筑體深部是否有不密實(shí)區(qū)域或空洞等異常體，多用于路基是否會(huì)發(fā)生較大的不均勻沉降的評(píng)估，常用動(dòng)力觸探法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)瑞雷波法等方法檢測(cè)。

1.1瞬態(tài)瑞雷波法

瑞雷勘探也稱彈性波頻率測(cè)深，是一種新興的巖土原位測(cè)試方法。面波分為瑞雷波(R波)和拉夫波(L波)，R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)，振幅最大，頻率最低，容易識(shí)別和測(cè)量。應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行工程地質(zhì)勘察檢測(cè)主要依賴瑞雷波的以下特性:

1)在分層介質(zhì)中瑞雷波具有頻散特性，不同頻率的波有不同的傳播速度;在均勻介質(zhì)中瑞雷波的傳播速度與頻率無(wú)關(guān)。

2)瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)，不同的介質(zhì)不同狀態(tài)下的波速不同，根據(jù)波速差異可以分辨出介質(zhì)特性。

3)瑞雷波的波長(zhǎng)不同，其穿透深度也不同。

用瑞雷波法探測(cè)路基地下洞穴，其判別依據(jù)是有洞穴處其頻散曲線出現(xiàn)拐折或速度降低，且出現(xiàn)頻散點(diǎn)減少或中斷等現(xiàn)象，而正常場(chǎng)的瑞雷波頻散曲線不具備上述特征。介質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了瑞雷波的頻散特性，利用其頻散特性和傳播速度反映介質(zhì)或目標(biāo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波(106～109Hz)來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)電性分布的一種地球物理探測(cè)技術(shù)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、波形將隨所經(jīng)過(guò)介質(zhì)的介電性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化，電磁波傳播過(guò)程中很少頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定。

探測(cè)深度依賴于雷達(dá)波傳播時(shí)的地下介質(zhì)介電性質(zhì)、目標(biāo)體自身的特性、目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異程度等因素。通過(guò)介質(zhì)的電性差異確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。

2　瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法工程應(yīng)用對(duì)比

2.1工程概況

贛龍鐵路工程沿線地層巖性復(fù)雜多變，以灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育較廣泛。地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山坡巖體發(fā)育有小型溶痕、溶洞、溶孔等，鉆孔揭示溶洞高度最小為0.2 m，最大達(dá)7.5 m。DK90—DK115地段為低丘地帶，下伏基巖為寒武系灰?guī)r，巖體破碎，主要是溶洞和溶孔及巖層破裂帶，其中有半填充和全填充的粉質(zhì)黏土，覆蓋層厚度一般在5～20 m，隨地形起伏厚度有所變化。

在贛龍復(fù)線鐵路DK90—DK119段，結(jié)合巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征及巖溶形態(tài)，篩選多個(gè)典型測(cè)區(qū)，利用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，討論2種方法的適用性和使用范圍。同時(shí)，與注漿后的路基檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，并用鉆芯法進(jìn)行驗(yàn)證。

下面以巖溶區(qū)域(DK87 + 780)和無(wú)巖溶區(qū)域(DK118 + 551)的2處典型路基為分析對(duì)象，探測(cè)路基下方軟弱夾層、溶洞、破碎帶等的情況，并判斷出這些異常體的埋深和位置。

2.2瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)

據(jù)所選典型路段路基深度的特征，采用Miniseis24系列綜合工程探測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本次測(cè)試選擇24道檢波器的接收方式，以測(cè)點(diǎn)為中心，以2 m為間隔、兩側(cè)各12個(gè)檢波器對(duì)稱布置，測(cè)線或沿等高線布置，或沿斜坡方向布置。用10.886 4 kg(24磅)大錘敲擊5 cm厚鐵板激發(fā)，采用單邊接收的形式。瞬態(tài)瑞雷波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作業(yè)布置如圖1所示。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析各層的波速大小和頻散曲線的形態(tài)變化，以評(píng)價(jià)路基的質(zhì)量。

圖1　瞬態(tài)瑞雷波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作業(yè)布置示意

2.2.1檢測(cè)結(jié)果分析

典型路基注漿前后瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知:

表1　典型路基注漿前后瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)結(jié)果

1)巖溶區(qū)域

注漿前深度4～10 m處波速偏低，說(shuō)明此區(qū)域的填筑密實(shí)程度較低;深度19～22 m處的波速類似于有溶洞及破碎帶時(shí)的波速。

注漿后無(wú)論土層還是巖層，測(cè)到的波速都明顯增加，說(shuō)明路基密實(shí)度增加;對(duì)比注漿前后的平均波速，土層波速最大增加55 m/s，增加了21.9% ;巖層波速最大增加94 m/s，增加了30.7%。

因破碎巖層的完整性較差，面波速度比完整灰?guī)r要低，注漿充填膠結(jié)后面波速度也會(huì)提高;若巖層中存在溶洞，注漿后溶洞被水泥漿液充填，經(jīng)過(guò)膠結(jié)后其成分發(fā)生了改變，密度相應(yīng)提高，孔隙率則降低，從而使得波速提高。這說(shuō)明巖層中有溶洞或破碎巖層。

2)無(wú)巖溶區(qū)域

注漿前深度0～12 m處波速略偏低，說(shuō)明整個(gè)土層區(qū)域的填筑欠密實(shí);深度13 m以下巖層相對(duì)完整。

注漿后測(cè)到的波速均有不同程度的增加。對(duì)比注漿前后的平均波速，土層波速最大增加59 m/s，增加了21.4% ;巖層波速最大增加28 m/s，增加了7.7%。土層、巖層注漿后瑞雷波速度均大于注漿前，只是土層波速增加量大于巖層。

2.2.2頻散曲線分析

注漿前后的頻散曲線如圖2。

圖2　注漿前后的頻散曲線

1)巖溶區(qū)域

由圖2(a)可知:注漿前深度0～2.5 m段未采集到頻散數(shù)據(jù)，該層速度較小，為黏土層;深度4～17 m段頻散曲線較為光滑，波速逐步增加;當(dāng)深度達(dá)到17 m后，頻散曲線發(fā)生極大的變化，形成“之”字形曲線;到22 m時(shí)頻散曲線開(kāi)始變得光滑平直，頻散點(diǎn)在一條直線上，頻散曲線斜率大致保持不變，波速隨深度逐漸升高，判為巖層。因此可將深度19～22 m確定為溶洞或破碎帶。注漿后，深度0～2.5 m仍未采集到頻散數(shù)據(jù)。在3 m之下，曲線較為光滑平直，頻散點(diǎn)基本集中在一條線上，波速隨深度逐漸升高。

對(duì)比注漿前后的頻散曲線可知，注漿后頻散曲線形態(tài)發(fā)生顯著變化，頻散點(diǎn)相對(duì)注漿前較為平滑，“之”字形扭曲消失，頻散點(diǎn)的跳躍也消失，波速明顯提高。

2)無(wú)溶洞區(qū)域

由圖2(b)可知:注漿前深度0～2.5 m段未采集到頻散數(shù)據(jù);曲線反映的頻散點(diǎn)相對(duì)集中在一條曲線上，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的斷點(diǎn)現(xiàn)象，曲線形態(tài)基本光滑，波速不斷增加，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)下地層分布相對(duì)簡(jiǎn)單，基本無(wú)軟弱夾層、溶洞;注漿后頻散曲線發(fā)生了變化，尤其是深度5～12 m段兩者波速差別越來(lái)越明顯，說(shuō)明注漿后路基的密度和密實(shí)度都得到提高，波速明顯增加。

2.2.3瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)結(jié)果的判別

DK87 + 780處地層分為2層。上覆黏土層埋深16.6 m，深度4～11 m的黏土層填筑密實(shí)度較低;下部為灰?guī)r，深度19～22 m有充填溶洞存在。

DK118 + 561處地層分為2層。上覆黏土層厚度12.0 m左右，深度5～9 m的黏土層填筑密實(shí)度較低;下部為灰?guī)r，無(wú)明顯巖溶現(xiàn)象。

從2種典型路基的頻散曲線看，不論注漿前還是注漿后，兩者在0～2.5 m都未采集到頻散點(diǎn)。

2.3地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用的是瑞典CUⅡ型地質(zhì)雷達(dá)儀。按工作原理，天線頻率越高，探測(cè)的分辨率越高，探測(cè)深度越小;反之，天線的頻率越低，探測(cè)的分辨率越低，探測(cè)深度越大［4］。在實(shí)際地質(zhì)勘察中，探測(cè)頻率一般按表2選擇。

表2　雷達(dá)探測(cè)深度與天線頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)典型路基路段的特征，選擇以100 MHz天線(時(shí)窗寬度150 ns，采樣點(diǎn)數(shù)512～1 024)為主，以500 MHz天線(時(shí)窗寬度80 ns，采樣點(diǎn)數(shù)512～1 024)為輔，掃描速度5～10 km/h。按瑞雷波法檢測(cè)的測(cè)線布置方向，沿路基中軸線及其左右兩旁布置了3條縱向測(cè)線。

2.3.1地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)波形分析

1)巖溶區(qū)域

注漿前的雷達(dá)剖面圖見(jiàn)圖3?？梢?jiàn):與其左側(cè)波形相比大橢圓區(qū)域內(nèi)的反射波振幅明顯增強(qiáng)，呈現(xiàn)多個(gè)細(xì)密的弧形，屬典型的不密實(shí)波形特征;在4.0～9.5 m深度處，長(zhǎng)度約有20 m的橢圓右側(cè)波形振幅較橢圓形內(nèi)弱了許多，屬輕微不密實(shí);小橢圓區(qū)域內(nèi)波形的反射波振幅明顯增強(qiáng)，脫空相對(duì)嚴(yán)重，在18～20 m深度處，有長(zhǎng)度約10 m的溶洞或破碎帶。

圖3　注漿前雷達(dá)剖面圖

注漿后進(jìn)行復(fù)測(cè)，注漿前發(fā)現(xiàn)的脫空與不密實(shí)區(qū)域的雷達(dá)波形特征消失。

2)無(wú)巖溶區(qū)域

使用100 MHz天線對(duì)路基加以檢測(cè)，得到的路基分層和不密實(shí)區(qū)雷達(dá)剖面圖見(jiàn)圖4?？梢?jiàn):在0～2 m深橢圓區(qū)域內(nèi)的反射波振幅明顯增強(qiáng)，呈現(xiàn)典型的不密實(shí)波形特征，長(zhǎng)度約6 m;在6～10 m深處，矩形區(qū)內(nèi)反射波振幅明顯增強(qiáng)，有貫穿態(tài)勢(shì)，此處可能是巖石的破碎帶，屬分層反射信號(hào);11.0～12.5 m深處有一干凈的分層強(qiáng)烈反射信號(hào)，為土層與巖土層及巖層的分界。該路基填筑層面不清晰，沒(méi)有明顯強(qiáng)烈反射信號(hào)，地層基本無(wú)軟弱夾層、溶洞存在。

圖4　路基分層和不密實(shí)區(qū)雷達(dá)剖面圖

使用500 MHz天線檢測(cè)，獲得的路基分層雷達(dá)剖面圖見(jiàn)圖5。測(cè)深雖然小了，但淺層的分辨率提高，可清晰看到路基的填筑分層，路基壓實(shí)后填筑層面不水平，厚度不均，均大于設(shè)計(jì)要求(30 cm)，壓實(shí)較均勻，無(wú)法分辨出是否有異常點(diǎn)。用瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)時(shí)，該路段波速偏低，壓實(shí)欠密實(shí)，注漿處理后，波速明顯提高，說(shuō)明密實(shí)度增加，而雷達(dá)圖未反映出來(lái)。

圖5　路基分層雷達(dá)剖面圖

2.3.2地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)結(jié)果的判別

DK87 + 780處路基深度4.0～9.5 m處，長(zhǎng)度約20 m的路基填筑不密實(shí)，深度18～20 m處，長(zhǎng)度10 m左右有空洞或破裂帶。

DK118 + 561在深度0～2 m和6～10 m處路基填筑不密實(shí)，長(zhǎng)度分別約為6和50 m。此地層分布相對(duì)簡(jiǎn)單，基本無(wú)軟弱夾層、溶洞存在，巖土分界面在11.0 ～12.5 m。

2.4取芯法驗(yàn)證

無(wú)損探測(cè)工作完成后在該試驗(yàn)段選取了4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取芯。取芯情況:DK87 + 780處見(jiàn)巖深度約17 m，入巖深度約8 m，取芯深度約25 m;DK118 + 561處見(jiàn)巖深度11.5 m，取芯深度14 m，土層靠近巖層有一過(guò)渡軟弱夾層，長(zhǎng)約3 m。

鉆芯驗(yàn)證結(jié)果表明:①土層芯樣里夾雜著更多的水泥漿，巖層芯樣縫隙中有水泥漿;②水泥漿注到路基土層的量要大于注到巖層的量;③土層與巖層分界處基本上是軟弱、破碎巖層。

3　 2種方法適用性對(duì)比分析

鉆芯取樣結(jié)果表明瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法的檢測(cè)結(jié)果具有較高的可信度，結(jié)論基本一致，滿足檢測(cè)要求，但2種方法有各自的優(yōu)勢(shì)和局限。

1)瞬態(tài)瑞雷波法

該檢測(cè)方法可準(zhǔn)確判斷出軟弱夾層、溶洞、破碎帶的位置，但不能判斷出缺陷的性質(zhì)和范圍?？梢酝ㄟ^(guò)選擇不同的震源激振方式來(lái)擴(kuò)大其檢測(cè)深度，可達(dá)100～200 m的測(cè)深，但該方法有檢測(cè)盲點(diǎn)，很難捕捉到超淺層的信息，對(duì)0～2 m深的部分基本無(wú)法檢測(cè)。對(duì)路基的分層只能從波速的大小來(lái)大致確定，有漏判的可能。因此瞬態(tài)瑞雷波法用于深層地質(zhì)勘探和檢測(cè)具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2)地質(zhì)雷達(dá)法

該方法根據(jù)不同的檢測(cè)目的選擇使用不同頻率的天線，對(duì)路基不同深度進(jìn)行高分辨率檢測(cè)，能準(zhǔn)確判斷出路基相對(duì)不密實(shí)區(qū)、分層情況、空洞位置及缺陷的大致范圍，彌補(bǔ)了瞬態(tài)瑞雷波法無(wú)法捕捉到超淺層信息的缺陷，但其探測(cè)深度遠(yuǎn)小于瞬態(tài)瑞雷波法。若路基填筑壓實(shí)均勻，即使壓實(shí)度不滿足要求，也無(wú)法從波形圖反映出來(lái)。地質(zhì)雷達(dá)法具有檢測(cè)速度快、分辨率高、圖像直觀等特點(diǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

鑒于物探檢測(cè)方法的多解性，使用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行路基質(zhì)量的綜合無(wú)損檢測(cè)，能夠顯著增加數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)路基存在的問(wèn)題。因此，將兩者結(jié)合的綜合物探法是路基質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

［1］楊成林.瑞雷波勘探原理及其應(yīng)用［J］.物探與化探，1989，13(6):465-468.

［2］朱裕林.瑞雷波勘探在工程勘察中的應(yīng)用［J］.工程勘探，1991(1):67-70.

［3］何振起，李海，郭有勁.利用瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行提速路基穩(wěn)定性檢測(cè)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2001(4):104-106.

［4］粟毅，黃春琳，雷文太.探地雷達(dá)理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［5］薛建，曾昭發(fā)，王者江，等.探地雷達(dá)在城市地鐵沿線空洞探測(cè)中的技術(shù)方法［J］.物探與化探，2010，34(5):617-621.

［6］徐華全.瑞雷面波的頻散特征研究及應(yīng)用［D］.成都:成都理工大學(xué)，2009.

［7］張金清.軟弱夾層瑞雷面波頻散曲線特征［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2(3):209-215.

(責(zé)任審編李付軍)

Comparison Study on Application of Transient Rayleigh Wave and Ground Penetrating Radar to Subgrade Structure Detection

WU Ye

(Beijing Tiecheng Construction Supervision Co.，Ltd.，Beijing 100855，China)

Abstract:T ransient Rayleigh W ave method and Ground Penetrating Radar method are conventional geophysical exploration methods.During the testing of compaction at the deep location of subgrade filling，a single method shows multi-solution.T his paper based on the Ganzhou－Longyan railway construction，and tested the subgrade quality with above methods.By appling these two methods on special subgrade structure(Karst subgrade)，a large number of field tests were obtained.An analysis between those applications have been done.Based on the test results，the advantages and applicability were compared to clarify that a combination way of two common geophysical detection methods is an important developing direction for the subgrade nondestructive testing.

Key words:T ransient Rayleigh W ave;Ground Penetrating Radar;Subgrade structure;Detection;No-dense area

作者簡(jiǎn)介:吳曄(1963—)，女，高級(jí)工程師。

收稿日期:2015-11-17;修回日期:2016-01-22

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0108-05

中圖分類號(hào):U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.27