論瑞雷面波法在高鐵工程路基檢測中的應(yīng)用

劉猛

【摘 要】近年來，評價路基填筑工程質(zhì)量，主要是依據(jù)地基系數(shù)K30和壓實(shí)系數(shù)K（或者孔隙率n）兩個指標(biāo)。傳統(tǒng)方法測試速度較慢，在路堤已經(jīng)填筑完成后，全面、無損、快速檢測其工程質(zhì)量，就顯得很困難。因此，目前廣泛采用以瞬態(tài)瑞雷面波法為主的無損方法檢測路堤的填筑質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】瑞雷面波法高鐵工程路基檢測應(yīng)用

一、面波法檢測基本原理與實(shí)施

1.1面波勘探基本原理

瞬態(tài)瑞雷面波基本原理：該方法利用瑞雷面波在成層非均勻介質(zhì)中的頻散特性，即瑞雷波的相速度隨頻率的改變而改變，通過頻率改變實(shí)現(xiàn)瑞雷波速度測深。

面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞雷波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r針方向，傳播時以波前面約為一個高度為λR（R波長）的圓柱體向外擴(kuò)散。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動時，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計(jì)算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。

綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：

⑴在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；

⑵在不均勻介質(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)，對地層淺部（0～20米）分辨率較高；

⑶由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：

VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ為泊松比；

此關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；

⑷R波在多道接收中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；

⑸質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動；

⑹R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（λR）尺度范圍內(nèi)。

依據(jù)上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察的目的。

1.2面波檢測路基原理

前人研究結(jié)果表明：剪切波波速與土體的密度和有效應(yīng)力有關(guān)，且剪切波速的大小反應(yīng)了填土的壓實(shí)效果，但在工程應(yīng)用中，我們無法直接利用剪切波波速換算壓實(shí)系數(shù)或孔隙率，可行的辦法是利用已知的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（壓實(shí)系數(shù)或孔隙率）構(gòu)造剪切波速度與壓實(shí)系數(shù)或孔隙率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地基壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算。也就是說，通過建立剪切波速度與地基壓實(shí)度（壓實(shí)系數(shù)K30和孔隙率）的相關(guān)關(guān)系式來評價地基的填筑質(zhì)量。

路基質(zhì)量檢測是在基床頂面以瞬時沖擊力作震源激發(fā)面波，并沿直線接收、記錄。經(jīng)資料處理得到該點(diǎn)不同路基深度處填料的面波速度（見圖1瞬態(tài)瑞雷面波法檢測原理）。瑞雷面波屬于體積勘探，它得出的是路基不同深度的瑞雷面波速度，反映的是所布設(shè)測線范圍內(nèi)路基質(zhì)量的綜合結(jié)果。通過大量的試驗(yàn)及應(yīng)用研究，面波速度與介質(zhì)密度、地基系數(shù)、路（地）基承載力等有很好的相關(guān)關(guān)系。因此，可通過實(shí)測面波速度的大小及分布，檢測路基填料的密度、壓實(shí)（或地基）系數(shù)，評價路基的工程質(zhì)量。

二.工程概況

新建天津至秦皇島客運(yùn)專線，始于天津市，經(jīng)過唐山市，終點(diǎn)為秦皇島市，線路全長257公里，其中天津市境內(nèi)65公里，河北省境內(nèi)192公里；共設(shè)天津、軍糧城、濱海、濱海北、唐山、灤河、北戴河、秦皇島共8個車站。

正線路基累計(jì)85.629km，占總長度的33.3%；橋梁累計(jì)長度160.712km，占總長的62.4%；隧道14座，累計(jì)長度11.101km，占總長的4.3%；鋪軌單線590公里，站線鋪軌單線74.5公里；接觸網(wǎng)1000.3條公里，設(shè)牽引變電所7座。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求：路基基床表層厚度為0.6m，填料為A組填料；基床底層1.9m，填料為AB組填料；基床以下部分填料為可選A、B、C組填料。但由于當(dāng)?shù)貪M足要求的C組填料相對缺乏，遂與設(shè)計(jì)單位協(xié)商后均采用了較易取得的粗角礫土（為滿足規(guī)范要求的A組填料或B組填料，實(shí)際填筑時差別不明顯）；鑒于該線路基施工段距離較長，單個料場運(yùn)距較遠(yuǎn)，于是以“就近原則”選取了兩個料場，其中DK1+000～DK24+660段填料料場母巖為花崗巖，其中的粗顆粒風(fēng)化程度較高、強(qiáng)度低，細(xì)顆粒含量高；DK24+750～DK35+800段填料料場母巖為玄武巖，其中粗顆粒風(fēng)化程度較前者低，強(qiáng)度相對較高，級配均勻，粗顆粒含量高。路基及過渡段的基床以下路堤本體、基床底層、基床表層三部分自下而上填料基本一致，只是碾壓遍數(shù)自下而上逐步提高。

三、檢測方法、依據(jù)及設(shè)備

3.1檢測內(nèi)容

檢測該線路基工程過渡段和路基填筑壓實(shí)質(zhì)量。

3.2檢測方法

采用多道瞬態(tài)瑞雷波法檢測。

3.3檢測依據(jù)

⑴《鐵路工程物理勘探規(guī)程》（TB10013-2010）；

⑵《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10414-2003）；

⑶《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001（2009年版））；

⑷《多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T143-2004）；

3.4檢測儀器設(shè)備

本次路基瑞雷波法數(shù)據(jù)采集使用青島驕鵬工程技術(shù)研究所有限公司生產(chǎn)的MiniSeis24型綜合工程探測儀（以下簡稱地震儀）及配套的24支4.5Hz動圈式地震檢波器、2條面波檢測用線纜、18磅長柄大錘、200mm×200mm×20mm合金錘墊等，主要分析軟件為日本OYO公司研發(fā)的SeisImager/SW軟件。

四、工作布置

4.1測點(diǎn)布置

依據(jù)該項(xiàng)目招標(biāo)文件要求，面波抽檢頻率為：路基每500米檢測2點(diǎn)，橋涵過渡段每處檢測2點(diǎn)，本工程項(xiàng)目實(shí)際檢測440點(diǎn)。檢測過程中，無明顯外界干擾的測點(diǎn)，檢波器排列方向與線路方向平行，面向大里程，排列分別位于線路中線左2米和右2米處；在線路附近有一上都電廠，距上都電廠2.0km范圍內(nèi)，由于發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)影響，對數(shù)據(jù)采集造成較大影響，為減小這種固定方向的振動影響，測線布置時檢波器排列方向指向電廠、與線路方向斜交，震源位于排列和電廠之間，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了很大改善。

4.2觀測系統(tǒng)

多道瞬態(tài)瑞雷波法檢測觀測系統(tǒng)采用直線觀測系統(tǒng)，當(dāng)路基填筑厚度大于或等于10m時，24支檢波器接收，道間距為1.0m，最小偏移距為4.0m；當(dāng)路基填筑厚度大于5m、小于10m時，12支檢波器接收，道間距為1.0m，最小偏移距為3.0m；當(dāng)路基填筑厚度小于5m時，12支檢波器接收，道間距為0.5m，最小偏移距為2.0m。

五、判定標(biāo)準(zhǔn)的建立

在正式開展檢測工作前，我公司于DK1+000～DK24+660和DK24+750～DK35+800段分別選取施工單位的路基填筑實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行了面波檢測，測點(diǎn)布置盡可能與施工單位自檢的壓實(shí)系數(shù)（K30）、孔隙率（n）試驗(yàn)點(diǎn)位置重合，并由施工單位提供了相應(yīng)段的所有K30和n實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對剪切波速度、壓實(shí)系數(shù)、孔隙率三種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理、剔除、分析后，歸納出如下關(guān)系式：

六、資料處理與解釋

多道瞬態(tài)瑞雷面波數(shù)據(jù)處理與解釋包括：記錄的編輯、時域窗口面波提取、提取基階面波、計(jì)算正演頻散曲線、反演擬合、速度結(jié)構(gòu)層建立、利用判定公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)等步驟，流程詳見圖2，面波法檢測路基結(jié)果圖見圖3。

七、檢測結(jié)果

新建天津至秦皇島客運(yùn)專線工程DK1+000～DK35+800范圍內(nèi)路基分5次進(jìn)行現(xiàn)場檢測，共抽檢220個路基斷面，每個斷面抽檢2個測點(diǎn)，共計(jì)440個測點(diǎn)。

通過多道瞬態(tài)瑞利波法檢測，該工程440個抽檢點(diǎn)中有20個點(diǎn)第一次檢測不合格，經(jīng)過施工單位重新處理后復(fù)檢，基床表層、基床底層及基床以下路堤其換算壓實(shí)系數(shù)K30、孔隙率n值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，路基壓實(shí)質(zhì)量評價為全部合格。