鐵路既有線路基基床評(píng)價(jià)的基本方法

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，在我國(guó)的主要鐵路干線正在全面提速，提速鐵路面臨的首要問(wèn)題是現(xiàn)有路基能否滿足提速要求，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)。對(duì)于壓實(shí)系數(shù)、孔隙率等物理指標(biāo)，可采用核子密度儀、灌砂法、灌水法等試驗(yàn)方法測(cè)得，而對(duì)既有線基床強(qiáng)度的檢測(cè)也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，既有路基基床檢測(cè)主要采用瞬態(tài)瑞利波法、地質(zhì)雷達(dá)法、Evd動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)法。實(shí)踐證明，采用瞬態(tài)瑞利波法、地質(zhì)雷達(dá)法、Evd動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)法檢測(cè)速度快、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確且不影響行車，為準(zhǔn)確的檢測(cè)出既有線路基基床的強(qiáng)度，為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)。

2 技術(shù)原理

2.1 瞬態(tài)瑞雷波法

地震波分為兩類，即體波和面波，體波包括縱波(P)和橫波(S)。當(dāng)介質(zhì)中存在分界面時(shí)，體波在一定條件下會(huì)相互干涉并迭加產(chǎn)生出一種頻率較低、能量較強(qiáng)的次生波，因其主要沿介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑?，故稱為面波。面波分為兩類，即瑞雷波和勒夫波，目前主要是利用瑞雷波進(jìn)行工程勘察。

瑞雷波在介質(zhì)中傳播存在以下幾個(gè)特性：

在分層介質(zhì)中，瑞雷波在介質(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。

瑞雷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)瑞雷波的波動(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，瑞雷波的測(cè)試深度為半個(gè)波長(zhǎng)。

瑞雷波的波長(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)的平均瑞雷波速度Vr，當(dāng)速度不變時(shí)，頻率越低，測(cè)試深度就越大。

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，而瑞雷波的振幅衰減與1/成正比。因此，瑞雷波的能量衰減要比橫波和縱波慢得多，這是瑞雷波測(cè)試技術(shù)的優(yōu)越性之一，可以很好的用來(lái)識(shí)別瑞雷波。

瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。瑞雷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，瑞雷波相對(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)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Rader簡(jiǎn)稱GPR）是利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘測(cè)儀器，屬于電磁波法應(yīng)用的范疇，它是利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播與反射特性來(lái)進(jìn)行探測(cè)的。電磁波脈沖由發(fā)射天線發(fā)出，被地下介質(zhì)界面（或異常體）反射，然后由接收天線接收，并以實(shí)時(shí)成像方式顯示地下結(jié)構(gòu)剖面，探測(cè)結(jié)果一目了然，分析、判釋直觀方便。

由于其具有分辨率高、圖象直觀、工作效率高、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)，在工程檢測(cè)領(lǐng)域已得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

2.3 Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)

Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)是采用動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀來(lái)監(jiān)控檢測(cè)土體承載力指標(biāo)-動(dòng)態(tài)變形模量Evd的試驗(yàn)方法。它通過(guò)落錘試驗(yàn)和沉陷測(cè)定來(lái)直接反映土體動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)Evd，計(jì)量單位為Mpa。

Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)適于粒徑不大于荷載板直徑1/4的各類土和土石混合填料，測(cè)試有效深度范圍為400～500mm。

3 數(shù)據(jù)采集與工作情況

根據(jù)要求，瑞雷波數(shù)據(jù)和Evd數(shù)據(jù)在既有線任一側(cè)路肩進(jìn)行采集，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)在線路任一側(cè)道碴上（軌枕端）采集。

3.1 瑞雷波法

瑞雷波法采用國(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)試段落長(zhǎng)短，測(cè)試點(diǎn)距分別選用30m和50m，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60 kg落錘，錘擊墊板，單邊激發(fā)。采樣間隔250μs，記錄點(diǎn)1024個(gè)，記錄長(zhǎng)度256ms，每測(cè)點(diǎn)記錄2次。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試采用SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)（美國(guó)GSSI公司產(chǎn)）和400MHz屏蔽天線進(jìn)行采集。時(shí)窗范圍：50～60ns，采樣率：512樣/掃描，掃描率：10掃描/秒，疊加32次。測(cè)量方式采用連續(xù)測(cè)量，每隔10m打一標(biāo)碼。

3.3 Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)

Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)采用德國(guó)產(chǎn)Evd動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀 HMP LFG，在路肩指定里程點(diǎn)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，荷載板保持水平，導(dǎo)向桿保持垂直。反復(fù)進(jìn)行三次預(yù)沖擊后，正式進(jìn)行三次沖擊，記錄下沉量作為正式測(cè)試記錄。

4 資料處理與成果分析

4.1 資料處理

4.1.1 瑞雷波法

瑞雷波勘察數(shù)據(jù)處理是從野外采集的多道地震數(shù)據(jù)中提取瑞雷波的頻散數(shù)據(jù)，再由頻散數(shù)據(jù)進(jìn)一步反演出地層的瑞雷波速等值線斷面圖。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。

瑞雷波勘察數(shù)據(jù)處理是利用相關(guān)軟件進(jìn)行下列三步處理：

由多道地震數(shù)據(jù)記錄文件開始，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。

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。

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雷波速的分層斷面。

4.1.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)資料的處理過(guò)程就是抑制隨機(jī)的和有規(guī)律的干擾，最大限度地提高雷達(dá)剖面圖像上的分辨能力，通過(guò)提取電磁回波的各種有用參數(shù)，來(lái)解釋不同介質(zhì)的物理特征。

一般的，數(shù)據(jù)處理分五個(gè)步驟進(jìn)行：數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括文件編輯、文件巡視等；技術(shù)性處理，包括數(shù)字濾波、反褶積、偏移及希爾伯特變換等；拾取反射層；確定介電常數(shù)，計(jì)算速度，進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，形成深度剖面；判釋異常界面，繪制成果（道碴厚度）曲線。

4.1.3 Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)

Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)可直接獲得測(cè)點(diǎn)Evd值，對(duì)每個(gè)里程點(diǎn)的5個(gè)測(cè)點(diǎn)Evd值進(jìn)行平均，得到Evd算術(shù)平均值，作為基床評(píng)價(jià)依據(jù)。

也可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式K30=3.10×Evd+14.3換算出K30值，作為基床評(píng)價(jià)參考。

4.2 成果分析4.2.1判釋原則

成果分析主要通過(guò)分析各剖面的瑞雷波速等值線斷面圖和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)道碴厚度曲線，從瑞雷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)，其判釋原則分別為：

A針對(duì)瑞雷波速速度，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。

B針對(duì)瑞雷波速速度斷面形態(tài)，主要判釋原則為：瑞雷波速有低速區(qū)域，分布較大，表明基床土軟弱，密實(shí)度低；瑞雷波速分布雜亂，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；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；瑞雷波呈近似層狀分布，表層局部的低速區(qū)域?qū)儆谡Ｇ闆r，一般不作為異常。

C根據(jù)道碴厚度曲線，判釋基床沉降有兩方面依據(jù)：

道碴厚度偏厚，高于實(shí)際量測(cè)值；道碴厚度曲線變化劇烈。

5 結(jié)論

瞬態(tài)瑞利波法、地質(zhì)雷達(dá)法、Evd動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)法綜合運(yùn)用野外數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確完整，根據(jù)成果資料的分析，基床穩(wěn)定性差的段落推斷為病害基床，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。為為準(zhǔn)確的檢測(cè)出既有線路基基床的強(qiáng)度，為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].1993（5）.

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