瑞雷波法在橋涵臺背填筑質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

張向北

（中國交通建設(shè)股份有限公司總承包經(jīng)營分公司， 北京 100088）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高等級公路建設(shè)步伐的加快，高速公路建設(shè)質(zhì)量備受人們的關(guān)注。由于結(jié)構(gòu)差異、施工時工程質(zhì)量差、材料控制不嚴(yán)等各樣因素，橋涵與路基相接部位沉降差異顯著，導(dǎo)致跳車現(xiàn)象的出現(xiàn)較為頻繁，不僅危及過往車輛的舒適性和安全性，還導(dǎo)致公路的使用年限減少，增加了后期維護(hù)公路的費(fèi)用[1]。眾多因素中，臺背回填質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致后期沉降過大，是影響橋頭跳車現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的重要因素[2]。 因此，選擇有效的檢測手段，及時發(fā)現(xiàn)填筑質(zhì)量問題，從而減輕甚至避免工后沉降，極其必要。

傳統(tǒng)檢驗(yàn)橋涵臺背回填料壓實(shí)度的常用辦法一般有灌砂法、灌水法、沉降法、觸探法、取芯法等，但受各種影響因素，均具有一定的限制。利用瑞雷波傳播特性，并應(yīng)用到橋涵臺背填筑質(zhì)量檢查，是近幾年來試驗(yàn)檢測技術(shù)發(fā)展的新方向[3]。本文通過具體的工程應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)分析瑞雷波法在嵩昆高速公路某涵背檢測中的實(shí)際應(yīng)用效果，以供公路工程質(zhì)量控制參考。

1 瑞雷波工作原理及方法

1.1 瑞雷波工作原理

瑞雷波法是一種十分實(shí)用的工程質(zhì)量檢測方法。瑞雷波是地震波中較為特殊的面波，可以通過面波在介質(zhì)中傳播的性質(zhì)來進(jìn)行分析。瑞雷波質(zhì)點(diǎn)通過自由表面進(jìn)行傳播，運(yùn)動的痕跡可以大致看作是一個逆時針轉(zhuǎn)動而形成的橢圓，兩條圓心軸的比例大約為2：3，強(qiáng)度會隨著深度而迅速減弱，但是水平方向就較為緩慢。瑞雷波是人們通過在地震發(fā)生過程中記錄下的，它頻率較低、速度能夠達(dá)到橫波的波速，而且速度衰減較為緩慢，它在地震波中因?yàn)槠涮厥庑?，可以容易就能測量[4]。

瑞雷波具有如下的特性：頻散性、波長不一樣，能夠穿透的深度也就不同、因?yàn)榕c橫波波速較為接近，可以通過測頻散曲線分層位，從而計(jì)算出每一層的波速，然后通過計(jì)算出的波速得出每一層瑞雷波波速與密度值的關(guān)系，可計(jì)算各層的壓實(shí)度值[5]，這就是利用瑞雷波進(jìn)行橋涵臺背填筑質(zhì)量檢測的基本原理。

1.2 瑞雷波工作方法

瑞雷波檢測方法分為釋放地震波、收集瑞雷波、信號分析這三個步驟，通過人工制造出地震波，采集信息得出地下的地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)地震波來源的不同，可以采用兩種方法進(jìn)行探測，一種是穩(wěn)態(tài)法，這種方法是根據(jù)頻率域的面波計(jì)算的。另一種是瞬態(tài)法，這種方法是根據(jù)時間域的面波計(jì)算的。兩種方法中，穩(wěn)態(tài)法使用的時間比較長久，所以運(yùn)用的十分熟練，但是它運(yùn)用的設(shè)備儀器十分笨重，效率不高，在大范圍的工程項(xiàng)目中不適合。瞬態(tài)法的設(shè)備儀器十分輕巧，使用方便，效率較高，使用的采集系統(tǒng)容易上手，所以在短時間內(nèi)就得到廣泛的應(yīng)用。

瑞雷面波法的工作方法主要包括兩個方面，一是激發(fā)和采集瑞雷面波信號，另一方面是從已采集的資料中，經(jīng)過處理得出各種頻率面波相對應(yīng)的速度VR和波長λR，并繪制其離散分布曲線，即頻散曲線，進(jìn)而通過反演，得到有關(guān)表層巖土分層的地質(zhì)解釋。

2 工程應(yīng)用分析

采用瑞雷波探測法對嵩昆高速某標(biāo)段涵背填筑質(zhì)量進(jìn)行檢測。

2.1 參數(shù)的選取

瑞雷波探測的準(zhǔn)確度受激發(fā)、接收、探測環(huán)境等方面的影響。

2.1.1 震源及激發(fā)設(shè)備的選取

震源的選擇主要以滿足檢測深度為目的，同時要求考慮場地條件、操作方便等要求。目前多采用錘擊、落重、爆炸等方式產(chǎn)生震源?？紤]到檢測的安全及可操作性，本次采用人工錘擊方式產(chǎn)生震源，錘越重，激發(fā)產(chǎn)生的波能量越強(qiáng)，對應(yīng)的瑞雷波最大振幅越大，主頻越小，頻譜范圍變窄，干擾波或二次波振幅與主頻振幅接近，對信號分析帶來不利影響，因此對于深度小于10m的臺背宜采用輕錘、面積小但剛度大的墊板；深度大于10m的臺背宜采用重錘、面積大但剛度小的墊板，本次檢測采用輕錘配合體積小、剛度大的墊板。

2.1.2 采集參數(shù)的選取

道間距、偏移、采樣間隔及采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)對數(shù)據(jù)的采集有較大的影響，道間距影響接收信號的相位差，因此設(shè)置應(yīng)合理，要保證接收信號有足夠的相位差，且易將面波與干擾波分離；偏移距影響各道接收信號能量大小，且對頻譜寬度存在影響。偏移距過大，可導(dǎo)致末道檢波器無法接收信號，且接收到的高頻部分減少、頻譜范圍變窄、淺部信息減弱；但偏移距過小，干擾波容易與面波疊加，且近震源的檢波器記錄信號質(zhì)量差；較小的采樣間隔，重建信號將更精確地代表原始信號，采樣間隔過大易造成高頻成分丟失，但是可以提高頻率分辨率，采樣點(diǎn)數(shù)宜在明確采樣間隔后，根據(jù)采樣記錄長度的要求來確定，一般選擇為 1024或2048，在采樣間隔小但記錄長度大的情況下，需采用較大的采樣點(diǎn)數(shù)。

將采集的實(shí)際數(shù)據(jù)與檢測目的相結(jié)合，本次面波采集參數(shù)為：間距0.7m，偏2m，道數(shù)為24，點(diǎn)數(shù)2048，時間0.1ms，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場測試布線

2.1.3 探測環(huán)境

瑞雷波探測受周圍環(huán)境的影響比較大，包括各種電干擾、振動干擾以及震源本身的干擾等，因此，在檢測時，應(yīng)停止周邊施工、車輛運(yùn)行，減少人員走動等。

2.2 數(shù)據(jù)的采集及分析

選用上述參數(shù)對嵩昆高速某標(biāo)段涵背填筑情況信號進(jìn)行采集，圖 2是一個完整的面波時域信號記錄。

圖2 瑞雷波記錄

通過采集到的完整的面波時域信號，使用二維F-K方法，得出瑞雷波的頻散曲線。二維F-K域分析法能夠通過地震通道數(shù)據(jù)，對瑞雷波的相速度進(jìn)行提取，而且十分的精確，這種辦法的理念方向是通過采集野外與時間和距離得出的瑞雷波記錄進(jìn)行分析，根據(jù)瑞雷波是地震波中能量最大的面波，從而提取到它的頻散曲線。

通過使用幾種不一樣的算法從實(shí)測記錄信號中得出瑞雷波頻散曲線，而工程中需要的是巖土體的不同層次的速度，所以需要用瑞雷波頻散曲線變換為瑞雷波分層速度，并且計(jì)算出剪切波的速度。瑞雷波頻散曲線變換為瑞雷波分層速度的辦法多種多樣，目前最為常用的方法是運(yùn)用下方的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

視速度VR隨深度H增大而增大時，

視速度VR隨深度H增大而減小時，

式中，Hn：第n個頻散點(diǎn)的深度；

Hn-1：第n-1個頻散點(diǎn)的深度；

VR，n：大于第n個頻散點(diǎn)的瑞雷波均速；

VR，n-1：大于第n-1個頻散點(diǎn)的瑞雷波均速；

VR，m：第Hn－Hn-1深度的瑞雷波速度；

層次是通過頻散曲線而進(jìn)行區(qū)分的，頻散曲線特征通常表現(xiàn)為曲率、斜率以及頻散點(diǎn)的疏密的變化。為了保證分層速度和深度之間關(guān)系的正確，還需要通過研究地層結(jié)構(gòu)，使用正演計(jì)算，得到頻散曲線與實(shí)測曲線的差異，多次修改分層結(jié)果，直到頻散曲線與實(shí)測曲線擬合最完美才停止，此時的層速度為最終解釋速度。

通過計(jì)算分析得出該涵背波速及實(shí)測壓實(shí)度，見表1，根據(jù)公路路基施工技術(shù)規(guī)范（JTG F10-2006）規(guī)定：二級以上（包括二級）的公路需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)將過渡段做好，過渡路堤的壓實(shí)度需要滿足大于96%的標(biāo)準(zhǔn)[6]。結(jié)果表明該涵背填筑質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

表1 涵背填筑質(zhì)量

2.3 檢測結(jié)果的對比驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)瑞雷波法對高速公路涵背填筑質(zhì)量檢測效果，對該涵背灌砂法與瑞雷波檢測法獲得的壓實(shí)度進(jìn)行對比分析，見表2。

表2 涵背填筑質(zhì)量檢測對比

通過圖表中的數(shù)據(jù)可以知道，灌砂法和瑞雷波法在檢查涵背填筑質(zhì)量時，壓實(shí)度的誤差都小于1%，這證明了瑞雷波法可以在涵背填筑質(zhì)量檢查中運(yùn)用。

3 結(jié)論

瑞雷波檢測法與傳統(tǒng)的檢測方法比較，具有多方面優(yōu)良的性能，而且不會破壞填筑完成的路基，可以做到無損檢測，該方法可彌補(bǔ)其他檢測方法的不足，具有操作簡單、快捷，高效，現(xiàn)場干擾小，不影響施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路工程檢測領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 楊相如.臺涵背回填料性質(zhì)對瑞雷波傳播特性的影響[J].公路交通科技,2014,31(09):37-42.

[2] 陳治伙,李林峰.橋涵臺背回填材料的評價與施工質(zhì)量控制[J].福建建設(shè)科技,2011(06):21-22.

[3] 周偉,張新星.瑞雷波法在高速公路高填臺背病害檢測中的應(yīng)用[J].北方交通,2014(03):88-91.

[4] 楊成林.瑞雷波法勘探原理及其應(yīng)用, 物探與化探. 1989，2(06)：465-468

[5] 賴思靜,楊偉, 李海平. 幾種典型面波時域信號的特征分析, 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 25（增1）：4854-4859。

[6] JTGF10-2006 公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.