瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法路基結(jié)構(gòu)檢測對比

吳曄(北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司，北京　100855)

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瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法路基結(jié)構(gòu)檢測對比

吳曄
(北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司，北京100855)

摘要:瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法屬于常規(guī)物探方法，用于路基填筑體深部密實情況檢測時，單一方法的檢測結(jié)果具有多解性特征。文章依托贛龍復線鐵路工程建設，選取特殊的路基結(jié)構(gòu)(巖溶路基)，應用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法進行路基質(zhì)量檢測。根據(jù)檢測結(jié)果對比分析2種方法各自的優(yōu)點和適用性，闡明將2種方法結(jié)合起來的綜合物探法將是路基質(zhì)量無損檢測的發(fā)展方向。

關鍵詞:瞬態(tài)瑞雷波地質(zhì)雷達路基結(jié)構(gòu)檢測不密實區(qū)

1　概述

路基質(zhì)量檢測包括路基填筑體表層壓實度檢測和填筑體深部密實情況檢測2個方面。壓實度是路基施工質(zhì)量檢測的關鍵指標之一，采用密度試驗、顆粒分析、擊實試驗、EVd或K30檢測等試驗檢測方法，查明表層壓實度是否滿足設計要求。深部結(jié)構(gòu)密實程度的檢測是探明填筑體深部是否有不密實區(qū)域或空洞等異常體，多用于路基是否會發(fā)生較大的不均勻沉降的評估，常用動力觸探法、地質(zhì)雷達法、瞬態(tài)瑞雷波法等方法檢測。

1.1瞬態(tài)瑞雷波法

瑞雷勘探也稱彈性波頻率測深，是一種新興的巖土原位測試方法。面波分為瑞雷波(R波)和拉夫波(L波)，R波在振動波組中能量最強，振幅最大，頻率最低，容易識別和測量。應用瞬態(tài)瑞雷波法進行工程地質(zhì)勘察檢測主要依賴瑞雷波的以下特性:

1)在分層介質(zhì)中瑞雷波具有頻散特性，不同頻率的波有不同的傳播速度;在均勻介質(zhì)中瑞雷波的傳播速度與頻率無關。

2)瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關，不同的介質(zhì)不同狀態(tài)下的波速不同，根據(jù)波速差異可以分辨出介質(zhì)特性。

3)瑞雷波的波長不同，其穿透深度也不同。

用瑞雷波法探測路基地下洞穴，其判別依據(jù)是有洞穴處其頻散曲線出現(xiàn)拐折或速度降低，且出現(xiàn)頻散點減少或中斷等現(xiàn)象，而正常場的瑞雷波頻散曲線不具備上述特征。介質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了瑞雷波的頻散特性，利用其頻散特性和傳播速度反映介質(zhì)或目標體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是利用高頻電磁波(106～109Hz)來探測地下介質(zhì)電性分布的一種地球物理探測技術。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、波形將隨所經(jīng)過介質(zhì)的介電性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化，電磁波傳播過程中很少頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定。

探測深度依賴于雷達波傳播時的地下介質(zhì)介電性質(zhì)、目標體自身的特性、目標體與周圍介質(zhì)的電性差異程度等因素。通過介質(zhì)的電性差異確定地下界面或目標體的空間位置及結(jié)構(gòu)。

2　瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法工程應用對比

2.1工程概況

贛龍鐵路工程沿線地層巖性復雜多變，以灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育較廣泛。地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山坡巖體發(fā)育有小型溶痕、溶洞、溶孔等，鉆孔揭示溶洞高度最小為0.2 m，最大達7.5 m。DK90—DK115地段為低丘地帶，下伏基巖為寒武系灰?guī)r，巖體破碎，主要是溶洞和溶孔及巖層破裂帶，其中有半填充和全填充的粉質(zhì)黏土，覆蓋層厚度一般在5～20 m，隨地形起伏厚度有所變化。

在贛龍復線鐵路DK90—DK119段，結(jié)合巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征及巖溶形態(tài)，篩選多個典型測區(qū)，利用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法對同一區(qū)域進行檢測，討論2種方法的適用性和使用范圍。同時，與注漿后的路基檢測結(jié)果進行比對，并用鉆芯法進行驗證。

下面以巖溶區(qū)域(DK87 + 780)和無巖溶區(qū)域(DK118 + 551)的2處典型路基為分析對象，探測路基下方軟弱夾層、溶洞、破碎帶等的情況，并判斷出這些異常體的埋深和位置。

2.2瞬態(tài)瑞雷波法檢測

據(jù)所選典型路段路基深度的特征，采用Miniseis24系列綜合工程探測儀進行數(shù)據(jù)采集。

本次測試選擇24道檢波器的接收方式，以測點為中心，以2 m為間隔、兩側(cè)各12個檢波器對稱布置，測線或沿等高線布置，或沿斜坡方向布置。用10.886 4 kg(24磅)大錘敲擊5 cm厚鐵板激發(fā)，采用單邊接收的形式。瞬態(tài)瑞雷波法現(xiàn)場測試作業(yè)布置如圖1所示。通過檢測數(shù)據(jù)分析各層的波速大小和頻散曲線的形態(tài)變化，以評價路基的質(zhì)量。

圖1　瞬態(tài)瑞雷波法現(xiàn)場測試作業(yè)布置示意

2.2.1檢測結(jié)果分析

典型路基注漿前后瞬態(tài)瑞雷波法檢測結(jié)果見表1。由表1可知:

表1　典型路基注漿前后瞬態(tài)瑞雷波法檢測結(jié)果

1)巖溶區(qū)域

注漿前深度4～10 m處波速偏低，說明此區(qū)域的填筑密實程度較低;深度19～22 m處的波速類似于有溶洞及破碎帶時的波速。

注漿后無論土層還是巖層，測到的波速都明顯增加，說明路基密實度增加;對比注漿前后的平均波速，土層波速最大增加55 m/s，增加了21.9% ;巖層波速最大增加94 m/s，增加了30.7%。

因破碎巖層的完整性較差，面波速度比完整灰?guī)r要低，注漿充填膠結(jié)后面波速度也會提高;若巖層中存在溶洞，注漿后溶洞被水泥漿液充填，經(jīng)過膠結(jié)后其成分發(fā)生了改變，密度相應提高，孔隙率則降低，從而使得波速提高。這說明巖層中有溶洞或破碎巖層。

2)無巖溶區(qū)域

注漿前深度0～12 m處波速略偏低，說明整個土層區(qū)域的填筑欠密實;深度13 m以下巖層相對完整。

注漿后測到的波速均有不同程度的增加。對比注漿前后的平均波速，土層波速最大增加59 m/s，增加了21.4% ;巖層波速最大增加28 m/s，增加了7.7%。土層、巖層注漿后瑞雷波速度均大于注漿前，只是土層波速增加量大于巖層。

2.2.2頻散曲線分析

注漿前后的頻散曲線如圖2。

圖2　注漿前后的頻散曲線

1)巖溶區(qū)域

由圖2(a)可知:注漿前深度0～2.5 m段未采集到頻散數(shù)據(jù)，該層速度較小，為黏土層;深度4～17 m段頻散曲線較為光滑，波速逐步增加;當深度達到17 m后，頻散曲線發(fā)生極大的變化，形成“之”字形曲線;到22 m時頻散曲線開始變得光滑平直，頻散點在一條直線上，頻散曲線斜率大致保持不變，波速隨深度逐漸升高，判為巖層。因此可將深度19～22 m確定為溶洞或破碎帶。注漿后，深度0～2.5 m仍未采集到頻散數(shù)據(jù)。在3 m之下，曲線較為光滑平直，頻散點基本集中在一條線上，波速隨深度逐漸升高。

對比注漿前后的頻散曲線可知，注漿后頻散曲線形態(tài)發(fā)生顯著變化，頻散點相對注漿前較為平滑，“之”字形扭曲消失，頻散點的跳躍也消失，波速明顯提高。

2)無溶洞區(qū)域

由圖2(b)可知:注漿前深度0～2.5 m段未采集到頻散數(shù)據(jù);曲線反映的頻散點相對集中在一條曲線上，沒有出現(xiàn)明顯的斷點現(xiàn)象，曲線形態(tài)基本光滑，波速不斷增加，說明該測點下地層分布相對簡單，基本無軟弱夾層、溶洞;注漿后頻散曲線發(fā)生了變化，尤其是深度5～12 m段兩者波速差別越來越明顯，說明注漿后路基的密度和密實度都得到提高，波速明顯增加。

2.2.3瞬態(tài)瑞雷波法檢測結(jié)果的判別

DK87 + 780處地層分為2層。上覆黏土層埋深16.6 m，深度4～11 m的黏土層填筑密實度較低;下部為灰?guī)r，深度19～22 m有充填溶洞存在。

DK118 + 561處地層分為2層。上覆黏土層厚度12.0 m左右，深度5～9 m的黏土層填筑密實度較低;下部為灰?guī)r，無明顯巖溶現(xiàn)象。

從2種典型路基的頻散曲線看，不論注漿前還是注漿后，兩者在0～2.5 m都未采集到頻散點。

2.3地質(zhì)雷達法檢測

現(xiàn)場檢測使用的是瑞典CUⅡ型地質(zhì)雷達儀。按工作原理，天線頻率越高，探測的分辨率越高，探測深度越小;反之，天線的頻率越低，探測的分辨率越低，探測深度越大［4］。在實際地質(zhì)勘察中，探測頻率一般按表2選擇。

表2　雷達探測深度與天線頻率對應關系

根據(jù)典型路基路段的特征，選擇以100 MHz天線(時窗寬度150 ns，采樣點數(shù)512～1 024)為主，以500 MHz天線(時窗寬度80 ns，采樣點數(shù)512～1 024)為輔，掃描速度5～10 km/h。按瑞雷波法檢測的測線布置方向，沿路基中軸線及其左右兩旁布置了3條縱向測線。

2.3.1地質(zhì)雷達法檢測波形分析

1)巖溶區(qū)域

注漿前的雷達剖面圖見圖3?？梢?與其左側(cè)波形相比大橢圓區(qū)域內(nèi)的反射波振幅明顯增強，呈現(xiàn)多個細密的弧形，屬典型的不密實波形特征;在4.0～9.5 m深度處，長度約有20 m的橢圓右側(cè)波形振幅較橢圓形內(nèi)弱了許多，屬輕微不密實;小橢圓區(qū)域內(nèi)波形的反射波振幅明顯增強，脫空相對嚴重，在18～20 m深度處，有長度約10 m的溶洞或破碎帶。

圖3　注漿前雷達剖面圖

注漿后進行復測，注漿前發(fā)現(xiàn)的脫空與不密實區(qū)域的雷達波形特征消失。

2)無巖溶區(qū)域

使用100 MHz天線對路基加以檢測，得到的路基分層和不密實區(qū)雷達剖面圖見圖4。可見:在0～2 m深橢圓區(qū)域內(nèi)的反射波振幅明顯增強，呈現(xiàn)典型的不密實波形特征，長度約6 m;在6～10 m深處，矩形區(qū)內(nèi)反射波振幅明顯增強，有貫穿態(tài)勢，此處可能是巖石的破碎帶，屬分層反射信號;11.0～12.5 m深處有一干凈的分層強烈反射信號，為土層與巖土層及巖層的分界。該路基填筑層面不清晰，沒有明顯強烈反射信號，地層基本無軟弱夾層、溶洞存在。

圖4　路基分層和不密實區(qū)雷達剖面圖

使用500 MHz天線檢測，獲得的路基分層雷達剖面圖見圖5。測深雖然小了，但淺層的分辨率提高，可清晰看到路基的填筑分層，路基壓實后填筑層面不水平，厚度不均，均大于設計要求(30 cm)，壓實較均勻，無法分辨出是否有異常點。用瞬態(tài)瑞雷波法檢測時，該路段波速偏低，壓實欠密實，注漿處理后，波速明顯提高，說明密實度增加，而雷達圖未反映出來。

圖5　路基分層雷達剖面圖

2.3.2地質(zhì)雷達法檢測結(jié)果的判別

DK87 + 780處路基深度4.0～9.5 m處，長度約20 m的路基填筑不密實，深度18～20 m處，長度10 m左右有空洞或破裂帶。

DK118 + 561在深度0～2 m和6～10 m處路基填筑不密實，長度分別約為6和50 m。此地層分布相對簡單，基本無軟弱夾層、溶洞存在，巖土分界面在11.0 ～12.5 m。

2.4取芯法驗證

無損探測工作完成后在該試驗段選取了4個點進行取芯。取芯情況:DK87 + 780處見巖深度約17 m，入巖深度約8 m，取芯深度約25 m;DK118 + 561處見巖深度11.5 m，取芯深度14 m，土層靠近巖層有一過渡軟弱夾層，長約3 m。

鉆芯驗證結(jié)果表明:①土層芯樣里夾雜著更多的水泥漿，巖層芯樣縫隙中有水泥漿;②水泥漿注到路基土層的量要大于注到巖層的量;③土層與巖層分界處基本上是軟弱、破碎巖層。

3　 2種方法適用性對比分析

鉆芯取樣結(jié)果表明瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法的檢測結(jié)果具有較高的可信度，結(jié)論基本一致，滿足檢測要求，但2種方法有各自的優(yōu)勢和局限。

1)瞬態(tài)瑞雷波法

該檢測方法可準確判斷出軟弱夾層、溶洞、破碎帶的位置，但不能判斷出缺陷的性質(zhì)和范圍?？梢酝ㄟ^選擇不同的震源激振方式來擴大其檢測深度，可達100～200 m的測深，但該方法有檢測盲點，很難捕捉到超淺層的信息，對0～2 m深的部分基本無法檢測。對路基的分層只能從波速的大小來大致確定，有漏判的可能。因此瞬態(tài)瑞雷波法用于深層地質(zhì)勘探和檢測具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟、抗干擾強等優(yōu)點。

2)地質(zhì)雷達法

該方法根據(jù)不同的檢測目的選擇使用不同頻率的天線，對路基不同深度進行高分辨率檢測，能準確判斷出路基相對不密實區(qū)、分層情況、空洞位置及缺陷的大致范圍，彌補了瞬態(tài)瑞雷波法無法捕捉到超淺層信息的缺陷，但其探測深度遠小于瞬態(tài)瑞雷波法。若路基填筑壓實均勻，即使壓實度不滿足要求，也無法從波形圖反映出來。地質(zhì)雷達法具有檢測速度快、分辨率高、圖像直觀等特點。

4　結(jié)語

鑒于物探檢測方法的多解性，使用瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達法進行路基質(zhì)量的綜合無損檢測，能夠顯著增加數(shù)據(jù)解釋的準確性，準確發(fā)現(xiàn)路基存在的問題。因此，將兩者結(jié)合的綜合物探法是路基質(zhì)量無損檢測的重要發(fā)展方向。

參考文獻

［1］楊成林.瑞雷波勘探原理及其應用［J］.物探與化探，1989，13(6):465-468.

［2］朱裕林.瑞雷波勘探在工程勘察中的應用［J］.工程勘探，1991(1):67-70.

［3］何振起，李海，郭有勁.利用瞬態(tài)瑞雷波法進行提速路基穩(wěn)定性檢測［J］.鐵道工程學報，2001(4):104-106.

［4］粟毅，黃春琳，雷文太.探地雷達理論與應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［5］薛建，曾昭發(fā)，王者江，等.探地雷達在城市地鐵沿線空洞探測中的技術方法［J］.物探與化探，2010，34(5):617-621.

［6］徐華全.瑞雷面波的頻散特征研究及應用［D］.成都:成都理工大學，2009.

［7］張金清.軟弱夾層瑞雷面波頻散曲線特征［J］.工程地球物理學報，2005，2(3):209-215.

(責任審編李付軍)

Comparison Study on Application of Transient Rayleigh Wave and Ground Penetrating Radar to Subgrade Structure Detection

WU Ye

(Beijing Tiecheng Construction Supervision Co.，Ltd.，Beijing 100855，China)

Abstract:T ransient Rayleigh W ave method and Ground Penetrating Radar method are conventional geophysical exploration methods.During the testing of compaction at the deep location of subgrade filling，a single method shows multi-solution.T his paper based on the Ganzhou－Longyan railway construction，and tested the subgrade quality with above methods.By appling these two methods on special subgrade structure(Karst subgrade)，a large number of field tests were obtained.An analysis between those applications have been done.Based on the test results，the advantages and applicability were compared to clarify that a combination way of two common geophysical detection methods is an important developing direction for the subgrade nondestructive testing.

Key words:T ransient Rayleigh W ave;Ground Penetrating Radar;Subgrade structure;Detection;No-dense area

作者簡介:吳曄(1963—)，女，高級工程師。

收稿日期:2015-11-17;修回日期:2016-01-22

文章編號:1003-1995(2016)03-0108-05

中圖分類號:U416.1

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.27