多道瞬態(tài)面波在路基填筑質(zhì)量評價中的應(yīng)用

何智杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

路基填筑質(zhì)量檢測的常用方法有地基系數(shù)K30、動態(tài)變形模量Evd和靜態(tài)二次變形模量Ev2等，其中Evd和K30依據(jù)不同土類存在線性相關(guān)關(guān)系，此類方法屬于過程檢測控制的范疇，需要在路基填筑的過程中，針對每一層填料分別進(jìn)行試驗(yàn)，卻無法對既有線和新建線路中已經(jīng)成形的路基進(jìn)行整體質(zhì)量評價。

路基填筑質(zhì)量的后評價多采用工程物探的方法，其中地震面波法可通過測定面波速度值VR、速度等值線和頻散曲線等參數(shù)，對基床、路基本體和基底進(jìn)行整體評價，該方法不僅克服了常規(guī)檢測中各點(diǎn)的孤立性，且有利于評價路基填筑的均勻性、碾壓密實(shí)度、基底的換填處理質(zhì)量等，從而達(dá)到有效界定不合格區(qū)域的里程及深度范圍，判斷路基整體填筑質(zhì)量的目的。多道瞬態(tài)面波以排列的形式采集數(shù)據(jù)，相比常規(guī)面波檢測，所采集的地層信息更加豐富和全面，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、成果直觀等特點(diǎn)，為路基填筑質(zhì)量評價提供了有效的技術(shù)支撐。

1 面波法檢測原理

運(yùn)用面波法評價路基填筑質(zhì)量主要取決于面波的兩個特性：(1)面波在路基填筑的不同分層介質(zhì)中具有頻散性；(2)面波在路基的不同填料和不同壓實(shí)區(qū)域中的傳播速度不同。通過以上特性，不僅可直觀看出路基的分層情況，而且可根據(jù)不同材料中的波速值求取相應(yīng)填層的壓實(shí)度，從而評價路基填筑效果。

在均勻半空間彈性分層介質(zhì)中，結(jié)構(gòu)表面在受到瞬態(tài)震動時分別產(chǎn)生橫波(S波)、縱波(P波)和面波(R波)。面波是一種特殊的地震波，其主要集中在介質(zhì)自由表面，并以逆轉(zhuǎn)橢圓的形式在垂直平面內(nèi)滾動傳播，在單次激振中，縱波能量占全部能量的7%，橫波占26%，而面波卻占67%，因此，面波具有能量大、衰減速度慢、淺層分辨率高等特點(diǎn)。

在路基填筑質(zhì)量檢測中，隨著路基填筑深度的增加，面波波速逐漸增大，而路基本體材料并非均勻，面波波速將伴隨著軟弱層的出現(xiàn)而降低。因此，在不同的填筑層中，面波發(fā)生頻散現(xiàn)象，頻散曲線呈現(xiàn)“之”字形形態(tài)變化。橫波波速和面波波速之間存在以下關(guān)系

(1)

VR=VS(0.87+1.12μ)/(1+μ)

(2)

其中，VS為橫波波速/(m/s)，VR為面波波速/(m/s),G為剪切模量/MPa,ρ為介質(zhì)密度/(kg/m3),μ為地層的泊松比。對于第四系的地層而言，泊松比一般為0.3～0.4，因此對于常用的路基填料，可近似的認(rèn)為VR=VS，從而可通過測定橫波波速來求得面波波速。

2 工程概況

林歹至織金(新店)鐵路為貴陽市域鐵路的重要組成部分，全長27.94 km，設(shè)計(jì)時速120 km/h，全線共有橋梁19座，隧道5座，車站2座，橋隧比例約為31.52%。

ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基地質(zhì)概況為溶蝕低山地貌，地形起伏較大，巖層產(chǎn)狀變化較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈閉合狀。段內(nèi)上覆第四系坡殘積、坡洪積黏土，沖洪積砂及卵石土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)八匙椋(1a)茅草鋪組(T1m)白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖。段內(nèi)巖溶中等—強(qiáng)烈發(fā)育，地表多見溶洞塌陷、落水洞等，底下溶洞多為充填，局部為半填充和空洞，充填物為軟塑狀—流塑狀黏性土混少量沙礫。段內(nèi)不良地質(zhì)主要為巖溶、順層、偏壓、斷層破碎帶、基坑突發(fā)性涌水等，特殊巖土為軟土及松軟土、膨脹土。填筑深度和填料情況如表1所示。

表1 ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑設(shè)計(jì)資料

3 現(xiàn)場檢測工作

3.1 儀器設(shè)備及附件

根據(jù)ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑情況，本次檢測采用瞬態(tài)面波的方法對路基填筑的整體質(zhì)量進(jìn)行探查和評價，儀器設(shè)備采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WZG-24A型工程地震儀、面波檢波器(主頻4 Hz)、數(shù)據(jù)傳輸電纜、大錘、激振錘墊、蓄電池電源、觸發(fā)開關(guān)、測繩和面波分析軟件等。面波檢測儀器如圖1所示。

圖1 面波檢測儀器示意

3.2 檢測測線布置

在該雙線鐵路檢測區(qū)域的左右線路中間分別布置1條測線，每10 m采集一個面波排列，震源采用18磅鐵錘人工錘擊激發(fā)的方式端點(diǎn)激發(fā)，偏移距7 m，均勻布置24個道間距為1 m的檢波器，采樣率0.5 ms，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，單條測線長度180 m，采用MASW多道面波法采集，探測深度約為基床表層以下20 m。

4 數(shù)據(jù)解釋與驗(yàn)證

4.1 檢測數(shù)據(jù)處理流程

(1)回放野外采集記錄， 對非正常道進(jìn)行處理；

(2)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；

(3)按照測線對記錄進(jìn)行組合，并建立觀測系統(tǒng)；

(4)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二維空間互相關(guān)計(jì)算(SPAC)；

(5)按照共中心點(diǎn)(CMP)抽道集；

(6)對各個道集記錄進(jìn)行τ-p變換，在F-V域拾取相速度曲線；

(7)按測線對頻散曲線初始化，非線性最小二乘法進(jìn)行反演；

(8)輸出整條測線的波速剖面圖，繪制出各個測點(diǎn)頻散曲線成果圖。

4.2 檢測數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)各測點(diǎn)頻散曲線所反映的面波波速情況，繪制ZD1K0+000～ZD1K0+180段左線面波速度等值線圖(如圖2所示)。整體上分析，在探測深度范圍內(nèi)，面波波速在230m/s以上的區(qū)域，面波波速等值線分布均勻性好，在填筑深度為2.2 m的ZD1K0+000～ZD1K0+090區(qū)段，面波波速范圍為200～250 m/s，在ZD1K0+090～ZD1K0+180區(qū)段不同填筑深度范圍內(nèi)的面波波速范圍為250～310 m/s，其中，ZD1K0+000～ZD1K0+075區(qū)段為低速區(qū)，填筑深度范圍內(nèi)面波波速在220 m/s以下(如圖2中的虛線區(qū)域)。

圖2 左線ZD1K0+000～ZD1K0+180面波速度等值線

ZD1K0+030、ZD1K0+050和ZD1K0+070等處的存在低速極值點(diǎn)，其頻散曲線分別如圖3和圖4所示?？梢?，在填筑深度范圍內(nèi)，ZD1K0+030處深度1.2～2.0 m和ZD1K0+070處深度1.5～2.0 m范圍內(nèi)存在換填區(qū)域，且該換填層壓實(shí)效果較差。

圖3 左線ZD1K0+030處頻散曲線

圖4 左線ZD1K0+070處頻散曲線

4.3 現(xiàn)場開挖比對

根據(jù)對檢測數(shù)據(jù)的分析和解釋，分別對左線ZD1K0+030和ZD1K0+070兩處進(jìn)行開挖驗(yàn)證，開挖深度2 m，開挖結(jié)果如圖5所示，可見，整體上路基填料級配不滿足設(shè)計(jì)要求，在判定的低速區(qū)范圍內(nèi)，存在軟弱夾層，表明路基實(shí)際填筑質(zhì)量和現(xiàn)場檢測判定結(jié)果吻合。

圖5 左線ZD1K0+030(左)和ZD1K0+070(右)處開挖驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

(1)多道瞬態(tài)面波法檢測路基填筑質(zhì)量是行之有效的，相比常規(guī)Evd、Ev2和K30試驗(yàn)分層逐點(diǎn)檢測的方法，其沿測線方向以多道檢波器組成排列的形式進(jìn)行整個檢測剖面信息的連續(xù)采集和迭加，數(shù)據(jù)更連續(xù)，信息更豐富，結(jié)果更精確。

(2)該方法可對從基床表層到基底處理的路基整體填筑質(zhì)量進(jìn)行一次性的檢測，檢測成果涵蓋沿線路方向的全斷面路基情況，更適合路基填筑質(zhì)量的大面積普查和路基深層缺陷的快速探查。

(3)不同地區(qū)地層特性存在差異性，因此在界定面波波速臨界參考值時，需對現(xiàn)場不同填料的合格路基分別進(jìn)行面波檢測并提出有效值范圍，現(xiàn)場無合格路基做參考時，可考慮對不同填料段路基進(jìn)行動力觸探試驗(yàn)，從而將面波速度和動力觸探結(jié)果建立起數(shù)學(xué)模型，以獲取不同分層條件下的面波速度范圍信息，為合理解釋檢測數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

[1] JGJ/T 143—2004 多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程[S]

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