瞬態(tài)瑞利波技術(shù)檢測(cè)鐵路既有線路基基床質(zhì)量

劉建新

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧錦州 121000)

1 概述

目前,我國(guó)單線鐵路正在全面增建二線進(jìn)行提速改造,提速鐵路面臨的首要問(wèn)題是現(xiàn)有路基能否滿(mǎn)足增建二線提速改造的要求,這就需要在提速前對(duì)既有線路基有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,給出路基的物理及力學(xué)指標(biāo),為提速線路的改建設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。如何正確評(píng)價(jià)鐵路既有線路基及基床的工作狀態(tài)(包括路基強(qiáng)度及剛度),一直是鐵路設(shè)計(jì)部門(mén)討論研究課題,在既有路基基床評(píng)價(jià)過(guò)程中既要保證既有線的正常運(yùn)營(yíng),又要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)與評(píng)價(jià),必須在不破壞路基及軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測(cè)。

2 瑞利波基本特性

(1)在分層介質(zhì)中,瑞利波在介質(zhì)表面具有頻散特性,即不同頻率的波具有不同的傳播速度,利用該特性可以進(jìn)行介質(zhì)分層。

(2)瑞利波的能量占全部波動(dòng)能量的2/3,絕大部分能量集中在距震源的第一個(gè)半波長(zhǎng)之內(nèi)。當(dāng)瑞利波的波動(dòng)傳播到一個(gè)波長(zhǎng)的深度時(shí),能量幾乎全部衰減。由半波長(zhǎng)理論可知,瑞利波的測(cè)試深度為半個(gè)波長(zhǎng)。

(3)瑞利波的波長(zhǎng)不同,其穿透介質(zhì)的深度也不同。波長(zhǎng)越長(zhǎng),穿透的地層深度越大。因此,根據(jù)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系,可通過(guò)改變激震頻率來(lái)測(cè)定不同深度介質(zhì)的平均瑞利波速度Vr,當(dāng)速度不變時(shí),頻率越低,測(cè)試深度就越大。

(4)從能量衰減特性來(lái)看,縱波和橫波的振幅反比于波傳播的距離,衰減與1/r(r是波的傳播距離)成正比,而瑞利波的振幅衰減與成 正比。因此,瑞利波的能量衰減要比橫波和縱波慢得多,這是瑞利波測(cè)試技術(shù)的優(yōu)越性之一,可以很好的用來(lái)識(shí)別瑞利波。

(5)瑞利波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。瑞利波傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”、“硬”程度,能方便地劃分軟弱地層的深度及范圍。

由上可知,瑞利波相對(duì)縱波、橫波而言,具有能量較強(qiáng)、速度較低、頻率較低、容易分辨等特點(diǎn)。路基內(nèi)瑞利波波速的變化直接反映出被測(cè)路基填料的物理性質(zhì)指標(biāo)大小及力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的強(qiáng)弱,并且兩者之間有著密切的相關(guān)關(guān)系。

3 道碴與路基二層介質(zhì)的瞬態(tài)瑞利波速檢測(cè)方法

既有線路基及道碴層質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中瞬態(tài)瑞利波數(shù)據(jù)的采集方式是在軌枕頭部沿線路方向布置,以激振錘作為錘擊震源,以?xún)傻纻鞲衅鬟M(jìn)行信號(hào)采集,,激震源與一號(hào)傳感器的間距設(shè)為X1,兩傳感器的間距設(shè)為X2。檢測(cè)時(shí),由錘擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)同步啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),使采集儀進(jìn)入工作狀態(tài),同時(shí)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)被檢測(cè)的道碴及路基土層傳遞至傳感器1及傳感器2。傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電模擬信號(hào)后,傳遞至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大部分進(jìn)行固定增益放大,再傳輸至主放大器進(jìn)行可變?cè)鲆娣糯?。同時(shí),由電子轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)兩道并行、并經(jīng)放大的模擬信號(hào)進(jìn)行逐次采樣,使其變?yōu)橐宦反械碾x散脈沖信號(hào),此脈沖信號(hào)被放大到A/D轉(zhuǎn)換器要求的幅度范圍內(nèi)后,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)由儀器內(nèi)的單片機(jī)統(tǒng)一控制,經(jīng)邏輯控制電路實(shí)現(xiàn)各種功能的選擇與控制,這些功能包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示及處理分析等。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)亦可通過(guò)儀器的通訊接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于瑞利波在分層介質(zhì)傳播過(guò)程中具有頻散特性,即不同頻段的瑞利波速將反映不同深度土層的工程特性,因此在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采集儀通過(guò)數(shù)字濾波技術(shù)將檢測(cè)深度以外的頻段濾掉,從而達(dá)到檢測(cè)預(yù)定深度土層的目的(如圖1所示)。

圖1 瞬態(tài)瑞利波速檢測(cè)原理

4 瞬態(tài)瑞利波法在既有線質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

為了對(duì)既有線路基的質(zhì)量進(jìn)行合理的評(píng)價(jià),采用上述理論及專(zhuān)用檢測(cè)儀器,對(duì)集寧至通遼鐵路線全線鐵路路基質(zhì)量進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)?，F(xiàn)對(duì)K273+340～K273+700段鐵路路基質(zhì)量進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)做簡(jiǎn)要分析。

4.1 場(chǎng)地特征

集通線既有線提速道倫郭勒至公主埂段K273+340～K273+700主要位于錫林浩特市正藍(lán)旗境內(nèi),處于內(nèi)蒙古高原區(qū),該段風(fēng)積沙地和沙丘較多,為渾善達(dá)克沙地的一部分,地形呈緩波狀起伏。該段為填方,路基高約2～3m,道碴厚約40～50cm,路基填料為風(fēng)積粉細(xì)砂,局部為粉質(zhì)黏土,填料組別為C、D類(lèi),屬路基病害多發(fā)區(qū)段。由于路基基床較為軟弱,路基沉降變形較大,多年沉降量的累積,使得后期回填的道碴層厚度較大,既有路基的工作狀態(tài)較差,不能滿(mǎn)足增建二線提速改造。為了滿(mǎn)足增建二線提速改造的要求,這就需要在提速前對(duì)既有線路基有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,給出路基的物理及力學(xué)指標(biāo),為提速線路的改建設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集與工作情況

瞬態(tài)瑞利波采用國(guó)產(chǎn)SWS-Ⅰ型地震儀和美國(guó)產(chǎn)S-12淺層地震儀及配套電纜和檢波器進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。根據(jù)測(cè)試段較短,測(cè)試點(diǎn)距選用30m,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用12道4Hz低頻檢波器接收,道間距0.5m,偏移距為0.5m、3.0m,震源采用18磅大錘和60kg落錘,錘擊墊板,單邊激發(fā)。采樣間隔250μs,記錄點(diǎn)13個(gè),每測(cè)點(diǎn)記錄2次。

4.3 資料處理與成果分析

(1)資料處理

瑞利波勘察數(shù)據(jù)處理是從野外采集的多道地震數(shù)據(jù)中提取瑞利波的頻散數(shù)據(jù),再由頻散數(shù)據(jù)進(jìn)一步反演出地層的瑞利波速等值線斷面圖。通過(guò)對(duì)比道碴厚度曲線進(jìn)行分析,以此評(píng)價(jià)路基。瑞利波勘察數(shù)據(jù)處理是利用相關(guān)軟件進(jìn)行下列三步處理:(1)由多道地震數(shù)據(jù)記錄文件開(kāi)始,在時(shí)間距離(X-T)域設(shè)置面波時(shí)距窗口和頻率范圍。用合適的時(shí)距窗口,排除其他干擾波的影響,將多道地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率波數(shù)譜。(2)在頻率波數(shù)(F-K)域的譜圖上,圈定基階面波的能量峰脊,計(jì)算出頻散數(shù)據(jù),組成頻散數(shù)據(jù)文件。(3)用取得的頻散數(shù)據(jù),在深度速度(Z-V)域,經(jīng)過(guò)人機(jī)聯(lián)作,設(shè)置初始地層參數(shù),再優(yōu)化擬合,得出采集排列下部地層瑞利波速的分層斷面。

(2)成果分析

本次成果分析主要通過(guò)分析各剖面的瑞利波速等值線斷面圖和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)道碴厚度曲線(圖2),從瑞利波速度和道碴厚度變化的角度對(duì)基床狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 瑞利波速等值線斷面

針對(duì)瑞利波速速度,主要判釋原則為:

VR＜130m/s,基床土密實(shí)度低,基床狀態(tài)差;

VR=130～160m/s,基床土密實(shí)度稍低,基床狀態(tài)稍差;

VR=160～190m/s,基床土密實(shí)度較高,基床狀態(tài)一般;

VR=190～250m/s,基床土密實(shí)度高,基床狀態(tài)好;

VR＞250m/s,基床土密實(shí)度高,基床狀態(tài)良好。

針對(duì)瑞利波速速度斷面形態(tài),主要判釋原則為:

①瑞利波速有低速區(qū)域,分布較大,表明基床土軟弱,密實(shí)度低。

②瑞利波速分布雜亂,高低速區(qū)域分布無(wú)規(guī)律。表明基床土密實(shí)度分布不均勻。

③存在低速區(qū)域延伸至基床深部的情況,表明局部基床土密實(shí)度低。

④瑞利波呈近似層狀分布,表層局部的低速區(qū)域?qū)儆谡Ｇ闆r,一般不作為異常。

本段為填方,路基高約2～3m,道碴厚約40～50 cm。此段瑞利波呈高低速交錯(cuò)分布,低速段延伸至底部,波速有一定起伏,表明基床土密實(shí)度稍低;基床穩(wěn)定性稍差。

集通線既有線提速K273+340～K273+700段檢測(cè)過(guò)程,是在對(duì)路基基床工作狀態(tài)完全不了解的情況下進(jìn)行的,通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的判譯后,在與集通線白旗工務(wù)段溝通后才獲悉對(duì)應(yīng)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處路基基床的工作狀態(tài)的。經(jīng)過(guò)與其他檢測(cè)手段獲得的技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比,瞬態(tài)瑞利波法檢測(cè)既有線基床比較準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

集通線既有線全線路基基床質(zhì)量評(píng)價(jià),各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)亦表明了以瑞利波速作為檢測(cè)既有線路基質(zhì)量及評(píng)定路基工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)是可行的,是有著充分的理論和實(shí)踐依據(jù)的。此外,以瞬態(tài)瑞利波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行既有線的路基質(zhì)量評(píng)價(jià),具有檢測(cè)速度快、儀器輕便、檢測(cè)時(shí)不影響正常行車(chē)、不破壞路基及軌道結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。檢測(cè)判定結(jié)果與工務(wù)段提供的既有路基病害段落基本一致,資料的定性分析及定量解釋方法準(zhǔn)確合理。為準(zhǔn)確的檢測(cè)出既有線路基基床的強(qiáng)度,既有線路改造以及增建二線提供準(zhǔn)確的物理力學(xué)指標(biāo)。

[1]楊成林,等.瑞利波勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1993:13-30

[2]煙臺(tái)大學(xué)巖土工程研究所.鄭徐電化既有線提速路基基床質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)段瑞利波速檢測(cè)報(bào)告[R].煙臺(tái):煙臺(tái)大學(xué)巖土工程研究所,2005

[4]鐵三院.集通鐵路提速段既有工程基床評(píng)價(jià)物探成果報(bào)告[R].天津:鐵三院,2008