姜益順,徐大眾,葛玉寧,袁繼奎,趙德生

(山東省路橋集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250014)

0 引言

受限于地形等因素的制約,山區(qū)高等級公路建設(shè)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(gòu)造物“三背”回填因場地限制,大型壓實(shí)設(shè)備無法進(jìn)場,人工夯實(shí)壓實(shí)效果不佳。受回填土壓實(shí)不足、季節(jié)性水位變化及多雨季節(jié)地表水入滲等影響,回填土容易出現(xiàn)沉降變形超限甚至填料沖刷、上部結(jié)構(gòu)開裂等病害。

現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定,路基和臺背的壓實(shí)質(zhì)量應(yīng)采用密度法檢測,即現(xiàn)場實(shí)測的干密度與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所測算的最大干密度的比值,以百分比表示。達(dá)到某一閾值后,判斷路基壓實(shí)度是否達(dá)標(biāo)。傳統(tǒng)壓實(shí)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(shí)度、含水量等相關(guān)指標(biāo)的檢測依賴于環(huán)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(shù)水平的不斷提升,路基回填壓實(shí)檢測技術(shù)的發(fā)展方向發(fā)生了較大變化,主要表現(xiàn)為逐漸由人工檢測向自動化智能化檢測發(fā)展、逐漸由損傷型檢測向無損檢測型發(fā)展?，F(xiàn)階段,新興檢測技術(shù)檢測方法主要有:瑞雷波法、孔內(nèi)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(qiáng)的適用性。它主要基于瑞雷波的傳播特性-在介質(zhì)的自由界面周圍傳播。在半無線體介質(zhì)中,它的能量傳播范圍主要集中在1/2范圍內(nèi)。在點(diǎn)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(zhì)體中的質(zhì)點(diǎn)是呈現(xiàn)橢圓形傳播的特性并沿其逆時針方向運(yùn)動[1],即運(yùn)動方向的水平分量運(yùn)動具有滯后性,水平分量運(yùn)動顯著慢于豎向分量運(yùn)動。

基于瑞雷波法對現(xiàn)場半橋半路擋土墻墻背填土情況進(jìn)行信號探測,實(shí)現(xiàn)深層填土壓密效果無損檢測,獲取墻背填土壓實(shí)分布規(guī)律,指導(dǎo)施工及時進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理,避免出現(xiàn)病害。

1 瑞雷波檢測原理

瑞雷波利用激發(fā)點(diǎn)震源(如錘擊)激發(fā)所產(chǎn)生的面波,相同波長的瑞雷波傳播特征表征了被測試地質(zhì)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(zhì)體的變化[2]。在瞬態(tài)瑞雷波場現(xiàn)場勘測中,需利用快速傅氏變換(FFT)將時域記錄(數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)錄為頻域記錄(數(shù)據(jù))。其中,對于頻率為fi的頻率分量,互譜法計(jì)算相鄰檢波器記錄的相移Δφi,相鄰道Δx長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度VRi:

VRi=2πfiΔx/Δφi

(1)

測量范圍NΔx內(nèi)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(xiàng)目地處山東省東南部,施工4標(biāo)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(qū)、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(jié)構(gòu),如圖1所示,路基一側(cè)采用路肩擋墻,墻后填土5～15m不等,填土材料采用當(dāng)?shù)厣襟w開挖風(fēng)化砂。試驗(yàn)場地位于龍家湖大橋段(K71+965),測點(diǎn)布置如圖2所示,試驗(yàn)段長50m,通過縱橫交錯測線,實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)路基填土壓實(shí)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(xiàn)場面波檢測布點(diǎn)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(zhì)體中傳播的波速,或者是計(jì)算出路基深度有效范圍內(nèi)不同深度剪切波波速[3]。通過對關(guān)鍵物理參數(shù)的數(shù)值計(jì)算,對地質(zhì)體的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析和評價。通過計(jì)算所得地質(zhì)體的瑞雷面波速,可以得到瑞雷波在地質(zhì)體中的剪切波速;在一定條件下,也可以計(jì)算出相應(yīng)地質(zhì)體的縱波速度?；谝延械挠?jì)算公式或相應(yīng)參數(shù)表,得到相關(guān)巖土介質(zhì)層的物理力學(xué)參數(shù)[4],具體物理參數(shù)計(jì)算式見表1。

表1 物性參數(shù)計(jì)算式

基于已知經(jīng)驗(yàn)公式以及相關(guān)瑞雷波測算試驗(yàn)總結(jié)出的波速與各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,能夠快速處理現(xiàn)場實(shí)際測得的相關(guān)數(shù)據(jù),以求得所測地質(zhì)體中路基斷面的各項(xiàng)物理參數(shù)。

3 探測結(jié)果分析

現(xiàn)場測試獲取的原始數(shù)據(jù)是頻散曲線,頻散曲線由頻散點(diǎn)組成,每個頻散點(diǎn)對應(yīng)相應(yīng)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(zhì)體波速的特征值,需對頻散數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)中出現(xiàn)具有明顯差異的數(shù)據(jù),主要表現(xiàn)為中心位置處(測試面以下3m)出現(xiàn)了低波速值。為驗(yàn)證檢測過程中是否出現(xiàn)錯誤,提出對相同位置處進(jìn)行重復(fù)探測的檢測方案。對二次數(shù)據(jù)處理后,得到與首次測試數(shù)據(jù)相同的結(jié)果,基本上排除檢測過程中出現(xiàn)重大失誤的可能,佐證了試驗(yàn)過程的有效性。根據(jù)相對波速與材料之間的關(guān)系,表面以下3m～5m出現(xiàn)波速在170～195m/s之間,所測波速值遠(yuǎn)小于施工要求值,研判后得:出現(xiàn)波速較低區(qū)域的主要原因是路基回填材料壓實(shí)度不足。對于壓實(shí)度不滿足要求的位置,必須對其進(jìn)行補(bǔ)壓,一般采用小型振動壓路機(jī)或液壓夯機(jī)處理,以防止路基工程出現(xiàn)工程質(zhì)量隱患,以免影響公路在營運(yùn)期間的正常使用。

此外,現(xiàn)場對路基土進(jìn)行壓實(shí)度檢測,將波速與壓實(shí)度進(jìn)行對比,如表2所示,建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,基于該關(guān)聯(lián)公式,可對路基壓實(shí)效果進(jìn)行大面積快速檢測與評價。

表2 不同深度下部分測點(diǎn)參數(shù)及壓實(shí)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(yīng)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(jù)現(xiàn)場實(shí)測瑞雷波波速,在式(3)～式(6)中,得瑞雷波法測得路基土壓實(shí)度。對比分析灌砂法和瞬態(tài)瑞雷波法測量的各基壓實(shí)度,見表3。

表3 瑞雷波法與灌砂法測得壓實(shí)度對比表

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

4 結(jié)論

針對山區(qū)公路墻背回填路基難以充分壓實(shí)的問題,采用瑞雷波法開展回填土壓實(shí)質(zhì)量無損檢測試驗(yàn),主要得到以下結(jié)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(shí)度建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對路基壓實(shí)質(zhì)量的評價。

(2)瑞雷波法檢測波速與傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測方法相比,通過數(shù)據(jù)擬合分析,精準(zhǔn)度可以滿足要求。

(3)與傳統(tǒng)方法點(diǎn)位檢測相比,瑞雷波法可實(shí)現(xiàn)無損、快速、大面積檢測,通過科學(xué)方法實(shí)現(xiàn)檢測波速解譯,可用于指導(dǎo)施工。