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)量評價主要通過壓實度檢測，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)場試驗，且費時費力，核子密度儀法會發(fā)射對人體有害的放射性物質(zhì)。近年來，瑞雷波法因其檢測時無損、便捷的優(yōu)勢也被越來越多地用到路基壓實度的檢測上來。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拼寬新老路基的密實度檢測，獲取不同深度不同位置路基的密實度分布情況，為路基進一步質(zhì)量評價提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

軟地基的加固處理，就是通過不同的方法，如強夯、擠密置換、化學(xué)處理等，使軟地基變“硬”。瑞利波法評價加固效果，是通過實測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，同時可方便地對處理后場地在水平方向的均勻性做出評價，以及確定加固所影響的深度和范圍[3]。

通過對瑞雷波設(shè)備改進，使其適用于公路檢測，并形成一套完整瑞雷波法檢測既有公路路基壓實度的新方法，將大大提高既有路基狀況無損檢測效率，促進我國高等級公路路基檢測及養(yǎng)護技術(shù)的發(fā)展[4]。

1 瑞雷波法檢測技術(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，其介質(zhì)質(zhì)點振動軌跡為逆時針方向轉(zhuǎn)動的橢圓形，橢圓的長軸垂直于自由界面，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干擾波，需要想方設(shè)法消除[5]。實際上，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頻率無關(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，從而達到利用瑞雷波進行地質(zhì)分層的目的[7]。

瞬態(tài)瑞雷波法測試原理如圖1所示。選用合適大小的力錘在震源位置進行錘擊激發(fā)信號， 通過對傳感器拾取的時域信號進行綜合分析后轉(zhuǎn)換為頻域信號，瑞雷波頻率的不同所對應(yīng)的波長也不同，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]。不同頻率與波長的關(guān)系構(gòu)成了測點位置的頻散曲線，通過對頻散曲線的分析，確定各分層介質(zhì)的分層界面及對應(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，就可實現(xiàn)基于瑞雷波方法進行公路質(zhì)量無損檢測[9]。

圖1 瑞雷波法檢測示意圖

2 工程現(xiàn)場試驗方案設(shè)計

2.1 工程概況

環(huán)湖大道東線工程為《濟寧市公路網(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，位于濟寧太白湖新區(qū)、微山境內(nèi)，全長 116.2km。根據(jù)水利部淮河水利委員會組織召開的《環(huán)湖大道東線工程防洪評價報告》咨詢會專家意見， 同時結(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行設(shè)計，其中堤頂?shù)诙尤跖蛎浶哉惩梁穸容^大，如采用全斷面開挖并摻灰改善則會導(dǎo)致社會影響較大，同時施工方案需經(jīng)淮河水利委員會批復(fù)，實施難度較大。因此針對此類土質(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。當(dāng)原地面縱坡大于 12%或橫坡陡于 1∶5 時，進行挖臺階處理，臺階寬度應(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挖三級臺階，分別在老堤堤頂開挖面、邊坡上的臺階、加寬側(cè)的湖灘共計四個平臺采用漿噴樁法處理，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 7m，新建路基基底漿噴樁樁長 10m，等邊三角形布置，間距 2m，樁徑 0.5m。湖堤路基改擴建設(shè)計如圖 2 所示。

圖2 湖堤路基改擴建設(shè)計圖

2.2 測試方案

現(xiàn)場測點布設(shè)如圖 3 所示，測點采用網(wǎng)格化布置，間隔 2m 布設(shè)一個檢測點，檢測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)。擬通過測試獲取不同深度范圍土體壓密效果。瑞雷波法檢測路基參數(shù)設(shè)置見表1。

圖3 測點布設(shè)示意圖

表1 瑞雷波法檢測路基參數(shù)設(shè)置

注：道間距指兩測點之間距離，偏移距指振源距最近測點的距離。

2.3 瑞雷波采集分析設(shè)備

本次試驗現(xiàn)場采集分析工作主要包括重錘即震源、拾振器、信號采集儀、計算機采集及分析軟件組成。

常見的震源激發(fā)方式有錘擊震源、落重震源和炸藥震源，考慮方式的可實現(xiàn)性，對于高速公路一般采用錘擊震源，本次試驗選用 19 磅重長柄鐵錘，用透明膠帶將觸發(fā)傳感器與鐵錘緊密粘結(jié)，避免儀器因時間差而漏采信號。錘重越大，會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改變鋼墊來達到所需的要求，本次試驗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影響瑞雷波，因此，墊塊面積不宜太大。

本次試驗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)場測試流程

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選定主要采集參數(shù)如表 2 所示?，F(xiàn)場測試流程如圖4所示。

表2 主要采集參數(shù)表

圖4 現(xiàn)場測試流程圖

3 測試數(shù)據(jù)分析

檢測區(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：在該檢測區(qū)路基深度 0～8m 范圍內(nèi)，波速均在 150～1500m/s范圍內(nèi)，沒有明顯的凹凸點，說明波速變化較穩(wěn)定，且土的場地類型一致，VR(瑞雷波速)>500，故屬于堅硬場地土。新路基、拼寬段路基、老路基測點波速變化幅度依次減小， 由于老路基已通車運營多年，故老路基上的測點波速變化最平穩(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程度仍具有優(yōu)越性。

將現(xiàn)場測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接近，存在拐點，波速呈現(xiàn)“增加—減小—增加”的變化趨勢，深度 1～2m 處存在部分低速拐點，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，其波速值不存在明顯離散點和拐點，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、密實性良好，也與其運營通車多年實際情況相一致；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，在開挖臺階填筑時，上部新路基居多，下部老路基居多，運營通車多年老路基密實性好，故更深處路基波速明顯增大，沒有出現(xiàn)波速離散，說明填筑狀況良好。

4 影響因素分析

在現(xiàn)場測試過程中，可能影響瑞雷波檢測精度的因素如下：

(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)瑞雷波法測得而采取的頻散曲線，頻散特征反映的是兩個測點之間介質(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)場測試效果進行細(xì)微調(diào)整。

(3)時間采樣率的影響

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

(4)多道接收時道一致性的影響

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

(5)檢波器與地面耦合情況的影響

在現(xiàn)場測試中，檢波器與測點附近地表面的耦合作用與其所拾取的原始信號真實性還原度呈正相關(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)計試驗方案，進行現(xiàn)場試驗后，利用fk變換法分析頻散曲線，對新路基、老路基、拼寬段路基沿行車方向和垂直于行車方向進行路基填筑質(zhì)量分析。對比分析深度—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。