瞬態(tài)瑞雷波法在鐵路路基檢測中的應(yīng)用

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 鄭州設(shè)計(jì)院 華建忠

瞬態(tài)瑞雷波法在鐵路路基檢測中的應(yīng)用

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鐵路路基作為題錄軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，必須具備強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測是鐵路路基質(zhì)量檢測過程中的一項(xiàng)重要工作， 它直接影響行車運(yùn)營的安全。

目前，對路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測方法主要有輕型動力觸探法與物探法兩類。輕型動力觸探方法的原理是通過在路基中的一定貫入度的錘擊數(shù)反映壓實(shí)程度，但該方法有一定的缺陷，首先，觸探位置的選擇精確度不高，會有一定的偏離，通?？尚械淖龇ㄊ沁x擇在路基兩側(cè)的路肩上，但這并不能真實(shí)反映基床以下的密實(shí)程度，做出來的錘擊數(shù)通常偏??；其次，由于觸探采用人工錘擊的方法，誤差較大。采用物探的方法可以彌補(bǔ)輕型動力觸探的不足，筆者所在設(shè)計(jì)院在許多既有線改造過程中，綜合運(yùn)用瞬態(tài)瑞雷波法和輕型動力觸探法，確定路基的密實(shí)程度，取得了令人滿意的效果。

湯臺鐵路是連接京廣線與京九線的重要組成部分，在該路段進(jìn)行的既有鐵路改造中，工作人員采用瞬態(tài)瑞雷波法與輕型動力觸探法相結(jié)合的方法，對路基本體路肩以下10 m深度范圍內(nèi)填筑土的密實(shí)程度進(jìn)行了測量。。

一、瞬態(tài)瑞雷波法原理

彈性介質(zhì)中，彈性波在到達(dá)速度或密度不同的介質(zhì)交界面時(shí)會產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生界面波。沿表層傳播的波被稱為面波，面波又分為兩種類型，其中，質(zhì)點(diǎn)沿波的傳播方向在垂直平面內(nèi)振動，其振動軌跡為逆時(shí)針方向振動的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，傳播速度略小于橫波；這中面波被稱為瑞雷波。

在沿地表傳播時(shí)，瑞雷波的穿透深度相當(dāng)于它的波長，因此，頻率越低的瑞雷波穿透深度越大。實(shí)際工作中，在地面測得的瑞雷波波速VR被認(rèn)為是深度等于1/2波長范圍內(nèi)介質(zhì)的平均速度值。根據(jù)上述特性可知，當(dāng)采用不同振動頻率的震源產(chǎn)生不同波長的瑞雷波時(shí)，可以得到不同穿透深度的瑞雷波的速度值。按1/2波長的深度就可以計(jì)算出不同深度介質(zhì)的平均速度VR。

瑞雷波波速VR與波數(shù)K（K＝2πf/VR）是隱函關(guān)系，即為VR的頻散函數(shù)。若給定一個頻率f，即可算出一個對應(yīng)的VR值。在同一地段測量出一系列頻率的VR值，就可得到VR– f曲線，也被稱為頻散曲線。通過對頻散曲線進(jìn)行反演解釋，可得到地下某一深度范圍內(nèi)的VR值。瑞雷波相對體波（P波、S波）而言，具有能量較強(qiáng)（瑞雷波占67%，縱波占7%，橫波占26%）、速度較低、頻率較低、容易分辨等特點(diǎn)。研究表明，瑞雷波的能量主要分布在一個波長的范圍內(nèi)。

當(dāng)基床以下存在軟弱層時(shí)，就會影響瑞雷波的傳播速度。反映在測得的頻散曲線上，就會出現(xiàn)異常反映。瞬態(tài)瑞雷波頻散曲線的特征及其變化與地下巖土體地球物理性質(zhì)，如地層的厚度、波速等，密切相關(guān)。研究這些地層物理特性的變化規(guī)律并分析這些特性，就可以初步確定地下巖層的分層以及各層厚度和速度的范圍，再通過曲線的綜合定量解釋，就可以確定出各層厚度及波速，達(dá)到地質(zhì)分層、尋找軟弱層等探測目的。瑞雷波的勘探實(shí)踐表明，瑞雷波檢測是一種對軟弱土層比較敏感、能夠定量解釋、而且干擾較小的檢測方法。

二、野外工作方法及技術(shù)措施分析

本文，筆者以某次野外勘探工作為例，對瑞雷波在鐵路路基檢測中的具體應(yīng)用進(jìn)行說明?？碧焦ぷ饕罁?jù)《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0170–1997），采用多道瞬態(tài)面波技術(shù)進(jìn)行勘探，使用的儀器為北京水電物探研究所生產(chǎn)的SWS工程勘探檢測儀。

勘探工作共進(jìn)行78個面波點(diǎn)的勘探，位置位于路基路肩上。根據(jù)現(xiàn)場地、震地質(zhì)條件，對觀測儀器、震源、儀器采集參數(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行了試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定勘探的方法：采用縱觀測系統(tǒng)，激震點(diǎn)和檢波器排列在一條直線上，采用10.8 kg大鐵錘做為震源，用4 hZ的專用面波勘探檢波器進(jìn)行12道接收，道間距為2 m，偏移距為3 m，采樣間隔為0.25 ms，記錄長度為2 000 ms。為了提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，特采取以下措施：

1.在同一激發(fā)點(diǎn)重復(fù)接收3～5次，把重復(fù)接收的信號疊回，取其平均值，以加強(qiáng)有效信號，抑制干擾信號。

2.在勘探點(diǎn)一側(cè)激振和接收完成后，把震源移至勘探點(diǎn)的另一側(cè)再重復(fù)接收3～5次，取兩側(cè)測量結(jié)果的平均值做為該點(diǎn)的最終結(jié)果。

三、資料整理

面波勘探采集到的原始資料是面波沿地面?zhèn)鞑サ恼駝硬ㄐ螖?shù)據(jù)，只有對原始資料進(jìn)行整理、計(jì)算和解釋，才可以得到所需的勘探結(jié)果。針對此次野外勘探工作，筆者選用FKSWSA面波處理系統(tǒng)軟件對現(xiàn)場采集的面波資料進(jìn)行處理、解釋。首先計(jì)算面波頻散曲線，再利用頻散曲線和一些已知的相關(guān)地質(zhì)資料進(jìn)行面波資料的反演解釋，最終得到標(biāo)注有地層參數(shù)的面波反演解釋結(jié)果。典型的路基密實(shí)度的瑞雷波頻散曲線以勘測點(diǎn)K29＋912為例，其深度–剪切波速反演曲線如圖1所示。

有圖1可知，該曲線淺部速度低，隨著深度的增大，瑞雷波頻散曲線斜率變大，相應(yīng)的VR值變大，中間沒有低速帶。

典型的路基有軟弱層的瑞雷波頻散曲線以勘測點(diǎn)K118＋991為例，其深度–剪切波速反演曲線如圖2所示。

由圖2可知，該點(diǎn)的瑞雷波曲線呈遞增趨勢，但是該曲線在2.55 ～ 4.24 m段出現(xiàn)低速帶，是該段路基密實(shí)度不足所致。

依據(jù)現(xiàn)有的動探（N10）資料，結(jié)合勘探獲得的相鄰探點(diǎn)的剪切波速進(jìn)行了相關(guān)分析，得到了該區(qū)的線性回歸公式：

由式（1）可計(jì)算出各勘探點(diǎn)不同深度的土層的動探（N10）擊數(shù)，從而對路基的密實(shí)度進(jìn)行較好的評價(jià)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 勘探點(diǎn)動探擊數(shù)計(jì)算結(jié)果

四、結(jié)論

經(jīng)過認(rèn)真的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和科學(xué)的室內(nèi)計(jì)算，取得了準(zhǔn)確、可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)，較好低完成了本次勘探任務(wù)。這表明，在路基檢測中采用瞬態(tài)瑞雷波技術(shù)，可以獲得高信躁比的信息，具有較高的分辨能力和勘探精度，是一種有效的勘探手段。