柔性路面層系統(tǒng)下瑞利波傳播模式特性研究

肖展

（廣西南賓公路建設(shè)發(fā)展有限公司，廣西 南寧 530400）

0 引言

柔性路面廣泛應(yīng)用于各等級(jí)的道路和街道中，而隨著道路運(yùn)行時(shí)間持續(xù)、外界環(huán)境變化、材料內(nèi)部溫度變化和人為因素的影響，使道路質(zhì)量產(chǎn)生相應(yīng)問題，嚴(yán)重時(shí)甚至危害結(jié)構(gòu)的安全。因此，道路網(wǎng)的維護(hù)與質(zhì)量檢測(cè)是公路和交通工程研究中的重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)的路面質(zhì)量評(píng)估方法通常具有破壞性，如取芯和CBR法，以上方法雖然能有效檢測(cè)路面質(zhì)量，但檢測(cè)效率較低且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)于多層路面檢測(cè)結(jié)果難以做到準(zhǔn)確評(píng)估。因此，需要一種簡便可靠且無損的檢測(cè)方法對(duì)路面質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。由于瑞利波（SASW）檢測(cè)法操作簡便，無破壞性，同時(shí)具有較高準(zhǔn)確性的檢測(cè)結(jié)果，目前已廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。如：陳云敏等[1]隨機(jī)選取30處機(jī)場跑道混凝土板塊并采用表面波對(duì)機(jī)場跑道路面進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場鉆芯取樣驗(yàn)證路面抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明：表面波檢測(cè)可以通過剪切波速度準(zhǔn)確判斷混凝土強(qiáng)度，且檢測(cè)結(jié)果與取芯法一致。董繼業(yè)[2]采用瑞利波檢測(cè)法、室內(nèi)迭代以及反演路面工況等方式對(duì)瀝青混合料和瀝青路面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，分析結(jié)果表明：由于路面壓實(shí)度不足導(dǎo)致瀝青路面剝落，同時(shí)材料對(duì)水損害控制較低。徐晨鳴和周艷紅[3]通過瑞利波對(duì)高速公路進(jìn)行檢測(cè)，并確定了物理檢測(cè)參數(shù)與路基路面質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，同時(shí)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明：瑞利波無損檢測(cè)結(jié)果可靠，受檢路面路基質(zhì)量均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。羅廣衡等[4]為探究混凝土表面裂縫深度影響因素，設(shè)定不同裂縫深度與頻率間的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探究最優(yōu)檢測(cè)頻率范圍，對(duì)比了截止頻率法和瑞利波法對(duì)裂縫檢測(cè)的結(jié)果。楊成林[5]通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了瞬態(tài)瑞利波在淺層地質(zhì)中檢驗(yàn)的可行性。柴華友等[6]通過為頻率分離探究了瑞利波反演中的不確定性問題，并以概率統(tǒng)計(jì)形式對(duì)頻散現(xiàn)象進(jìn)行表征。曲華等[7]為進(jìn)一步提高了截止頻率識(shí)別精度，提出了相應(yīng)的擬合公式驗(yàn)證了截止頻率檢測(cè)的有效性。

目前業(yè)內(nèi)關(guān)于瑞利波在路面層系統(tǒng)中傳播特性的分析尚少。因此，本文對(duì)瑞利波在柔性路面層系統(tǒng)中的傳播速度變化、檢測(cè)頻率范圍等特性進(jìn)行研究。

1 研究方法

瑞利波頻譜分析（SASW）是利用機(jī)械表面波來評(píng)估地下材料介質(zhì)的有效方法。當(dāng)使用瑞利波從表面穿透介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，至少需要穿透一個(gè)波長的深度。同時(shí)，該方法能夠利用不同的波長來評(píng)估不同深度的介質(zhì)。當(dāng)撞擊源發(fā)生撞擊，可能產(chǎn)生較大范圍頻率的瑞利面波組合，此時(shí)通過記錄設(shè)備，即動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀和高性能計(jì)算機(jī)，可以在特定時(shí)間內(nèi)記錄該頻率范圍內(nèi)的相關(guān)信息。瑞利波在傳播過程中可分為一般模式或高階模式。

由于不同層剛度的差異可以抑制某些層中的應(yīng)力波，或者引起一些折射和反射，從而形成不同的射線路徑。因此當(dāng)表面波穿過這個(gè)多層系統(tǒng)時(shí)，每一層的剛度都會(huì)影響表面波的傳播，最終導(dǎo)致在相同的頻率點(diǎn)產(chǎn)生不同的傳播速度。為了識(shí)別一般模式或更高模式的波速，研究采用傳遞矩陣法和動(dòng)態(tài)剛度矩陣法對(duì)其速度進(jìn)行計(jì)算。

圖1所示為儀器布置及試驗(yàn)安排示意圖。通常瑞利波現(xiàn)場分析的典型配置包括兩個(gè)豎向檢波器，并在檢波器周邊設(shè)置一個(gè)撞擊源，最終通過記錄設(shè)備對(duì)波頻進(jìn)行記錄、分析。在整個(gè)測(cè)量過程中，豎向檢波器間距相同，且在路面分層系統(tǒng)中取樣需要滿足一定的波長范圍。

疊加模式是介于疊加與正常模式之間的一種模式（正常模式包括一般模式和高級(jí)模式），該模式不具有任何固定形式，其對(duì)應(yīng)模式也被稱為視速度或有效速度。其中，表觀速度的數(shù)值大小取決于撞擊源和接收器的實(shí)際位置。由于接收器位置位于撞擊源附近，使得所測(cè)量的波的模式為疊加狀態(tài)而非分離狀態(tài)，雖然MASW、f-k法等方法是利用一般模式或高階模式進(jìn)行波形測(cè)定，但這是由于撞擊源的位置遠(yuǎn)離接收器，才使測(cè)量的波具有較好的模式分離，而f-k法在測(cè)量過程中需要更多的接收器才能幫助模式分離。這表明以上兩種方法的檢測(cè)過程較為復(fù)雜，因此需要分析疊加模式下波的狀態(tài)來反映實(shí)際情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

常見路面層系統(tǒng)具有分散輪廓不規(guī)則的特點(diǎn)，其多表現(xiàn)為頂層比底層更堅(jiān)硬，剪切波速更高等。這一特征與正常分散場地或淺基巖場地的分散剖面相反。具有夾層層狀體系的場地與路面層狀體系具有一定的相似性。因此，在研究分析路面分層系統(tǒng)時(shí)，使用了表1所示的一個(gè)特定剖面，以代替實(shí)際路面層系統(tǒng)。

表1 路面層系統(tǒng)土性參數(shù)

本研究分別設(shè)置兩組不同接收器距離，即1號(hào)接收器距離D=0.15m和2號(hào)接收器距離D=0.30m。由于路面層系統(tǒng)的頻率范圍相對(duì)高于地質(zhì)位置，因此在保持兩個(gè)接收器距離不變的同時(shí)將頻率范圍設(shè)置在10kHz，設(shè)采樣間隔為0.000 1s，奈奎斯特頻率為5 000Hz，則可滿足本文對(duì)地下材料剖面測(cè)量研究。為了獲得更高的分辨率，試驗(yàn)選擇了2 048個(gè)樣本為記錄長度，歷史記錄時(shí)間為0.204 7s。時(shí)間信號(hào)記錄如圖2(a)和圖2(b)所示。

從圖2可知，波幅變化信號(hào)在0.010s前呈強(qiáng)烈波動(dòng)變化，而兩個(gè)接收器在深度分別為S1=0.30m，S2=0.60m，S4=1.2m和S8=2.4m狀態(tài)下，均表現(xiàn)出幅值隨著深度增加而降低。

圖3為接收器距離為D=0.15m時(shí)，基于瑞利波理論模擬出路面層系統(tǒng)中波的相位譜圖，而圖4顯示了當(dāng)接收器距離為0.30m時(shí)的相位譜圖。根據(jù)圖3可初步判斷，當(dāng)D=0.15m時(shí)，其對(duì)應(yīng)波頻介于9～11kHz范圍內(nèi)，且該頻率范圍內(nèi)存在跳躍次數(shù)差異現(xiàn)象。在這種情況下，需假設(shè)實(shí)際相位周期對(duì)應(yīng)頻率為9 000Hz。通過對(duì)比圖4相可知，圖3的循環(huán)周期并不完整的，而完整的周期應(yīng)是由相位角為0開始至相位角為0時(shí)結(jié)束。因此，當(dāng)設(shè)置接收器距離為D=0.15m時(shí)對(duì)路面系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，可能不足以反映出整個(gè)分層系統(tǒng)樣本的實(shí)際狀態(tài)。由于初步判斷不足以描述整體路面系統(tǒng)，初步結(jié)果并不能代表最終的結(jié)果。因此，試驗(yàn)需要以色散曲線進(jìn)一步研究分析路面系統(tǒng)，用以驗(yàn)證最初的觀察結(jié)果。

根據(jù)瑞利波檢測(cè)理論，獲取了2種不同接收器間隔的相速度頻散曲線。為進(jìn)一步獲取地下材料的剛度剖面，需要進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的反演計(jì)算，其中相速度頻散曲線則是分析反演中的重要環(huán)節(jié)。而在理論相速度計(jì)算時(shí)則需要使用正演模擬過程進(jìn)行分析。為保證路面系統(tǒng)中的每一層材料信息的正確性，需要通過分析不同剖面模型以保證最終結(jié)果合理可信。通過前人研究可知，在理論頻散曲線的計(jì)算中，多數(shù)研究沒有考慮反演過程撞擊源和接收器的實(shí)際位置。因此為反映實(shí)際工況，本研究采用了瑞利波測(cè)量期間有關(guān)撞擊源和接收器的實(shí)際位置信息進(jìn)行反演計(jì)算。

圖5顯示了在瑞利波法計(jì)算下的不同模式對(duì)應(yīng)表現(xiàn)行為。其中理論疊加模式，本文采用全局反演計(jì)算。將S8之前所有源距離S1的疊加模式繪制在一起，可以看出每個(gè)源距離的色散是相似的。在這個(gè)圖中得到的實(shí)驗(yàn)疊加模式并非為現(xiàn)場測(cè)量獲取，而是基于理論上的疊加模式所形成。由于考慮了撞擊源和接收器的實(shí)際位置關(guān)系，因此可以將理論疊加模式經(jīng)過反演計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)疊加模式，以模擬出實(shí)際狀態(tài)下瑞利波的傳播路徑及狀態(tài)。

（1）觀察兩個(gè)剪切波速圖可知，路面層狀體系的介質(zhì)剖面具有波速隨深度增大而減小的特征，這與通常的分散介質(zhì)中完全相反。

（2）路面層系統(tǒng)剖面的表觀速度不遵循瑞利波的一般模式，該樣本與夾層情況類似。在低于200Hz（或波長大于2m）的頻率范圍內(nèi)，疊加模式獲得的視速度遵循一般模式的趨勢(shì)。然而，從200Hz的頻率開始，速度穩(wěn)步增加，直到2 000Hz的頻率截止（波長約為0.35m）。觀察圖5可知，理論疊加模式下的表觀速度與實(shí)驗(yàn)疊加模式相比具有更陡的梯度，這是由于在獲得理論疊加模式的反演過程中沒有考慮撞擊源和接收器的實(shí)際位置導(dǎo)致。

（3）在所有源距離（S1～S8）條件下，較小接收距離（D=0.15m）的剪切波速比較大接收距離（D=0.30m）的剪切波速更加分散。這表明較小的接收器距離的模式計(jì)算不太精確。這也說明，較小的接收器距離不適合或不足以用于取樣或表征具較大深度和厚度的路面層系統(tǒng)材料。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)瑞利波在柔性路面層系統(tǒng)中的傳播速度變化、檢測(cè)頻率范圍等特性的研究，得到如下結(jié)論：

瑞利波波幅變化通常在0.010s產(chǎn)生波動(dòng)，且波幅隨著檢測(cè)深度增加而降低。當(dāng)接收距離為0.15m時(shí)，瑞利波會(huì)在9～11kHz范圍內(nèi)產(chǎn)生跳躍差異，說明接收器距離較小將影響瑞利波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通過色散曲線分析可知，剪切波速隨檢測(cè)深度增大而減小。在路面系統(tǒng)中，瑞利波表觀速度不遵循一般模式下的速度變化。