瑞雷面波法在公路工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

劉 強(qiáng)

(中交四公局第二工程有限公司，北京 101199)

0 引 言

公路工程施工質(zhì)量好壞關(guān)系到后期行車安全。傳統(tǒng)的公路路基、路面質(zhì)量檢測一般采用開挖驗(yàn)證等破損檢測方法，此類檢測方法一方面抽檢數(shù)量有限，另一方面檢測效率低，檢測成果代表性差，受人為因素影響，結(jié)果不能夠充分體現(xiàn)隨機(jī)取樣、全面反映公路施工質(zhì)量等問題。因此急需要有一種方便快捷、高效迅速，能夠全面反映工程建設(shè)質(zhì)量的無損檢測方法。面波波速測試作為一種工程勘察和無損檢測的高效技術(shù)手段被推廣和廣泛使用，其主要采用地表傳播的平面彈性面波，其橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)合波速情況能夠有效探查淺層地表的公路工程加固施工質(zhì)量。

1 瑞雷面波法在公路工程施工過程中的應(yīng)用原理

公路工程因其為線性工程，一般線路較長，涉及的地質(zhì)情況多樣復(fù)雜，針對其質(zhì)量評價(jià)范圍較廣，其主要包括地基處理工程、路基工程、支擋防護(hù)工程、橋隧工程、交通安全設(shè)施等項(xiàng)目，其中涉及的軟弱地基處理加固是保證道路平順的重要基礎(chǔ)，傳統(tǒng)檢測方法一般采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)，檢測樣本數(shù)量有限，無法全面評估軟弱地基加固質(zhì)量和加固深度，且檢測過程中現(xiàn)場取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)等一系列復(fù)雜工序，檢測周期較長[1]。

1.1 瑞雷面波法主要檢測原理

檢測時(shí)通過力錘錘擊激發(fā)信號，預(yù)設(shè)在對應(yīng)采取點(diǎn)的拾振傳感器進(jìn)行信號采集，不同頻率的波有不同的頻率和穿透范圍，通過拾振信號反映不同深度地層特性，并繪制不同頻率和波長頻散曲線，分析各個(gè)界層波速，建立波速與地層的力學(xué)參數(shù)相關(guān)性關(guān)系，基于此實(shí)現(xiàn)瑞雷波法的公路工程地基加固處理無損質(zhì)量檢測。瑞雷面波法主要測試原理如圖1所示。

圖1 瑞雷面波法主要測試原理

1.2 主要檢測配置和測試步驟

采用瑞雷波進(jìn)行現(xiàn)場檢測需要根據(jù)檢測工程實(shí)際情況配備適宜的設(shè)備，其設(shè)備配置主要包括震源、信號采集設(shè)備、拾振設(shè)備、信號放大器、計(jì)算機(jī)采集和分析設(shè)備軟件等[2]。

根據(jù)工程地層測試深度和測試范圍選擇適宜的采集儀器，一般選取多通道的瞬態(tài)瑞雷面波測試采集設(shè)備，根據(jù)測試精度和測試點(diǎn)數(shù)量要求選擇4 Hz低頻檢波器，選擇道距1 m，偏移距10～13 m，采樣時(shí)間間隔0.5～1 s，主要采集點(diǎn)距為50 m，采用力錘錘擊激勵(lì)信號，現(xiàn)場配套數(shù)據(jù)采集和存儲，并及時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)，使用專用信號分析軟件進(jìn)行時(shí)域和頻域處理。

瑞雷波法現(xiàn)場測試根據(jù)測試對象的不同而采用不同的測試流程，綜合考慮測試目標(biāo)和場地條件，制定合理的檢測方案，以路基夯實(shí)質(zhì)量為例，現(xiàn)場測試的具體流程如下：

(1) 根據(jù)場地測試要求目標(biāo)，確定現(xiàn)場測點(diǎn)。

(2) 根據(jù)測試目標(biāo)確定測試參數(shù)信息。

(3) 根據(jù)測試深度情況，確定設(shè)置測試參數(shù)，合理設(shè)置偏移距和道間距，合理確定采樣間隔和采樣頻率。

(4) 安設(shè)拾振器，進(jìn)行電纜線連接，根據(jù)設(shè)置的道間距，確定檢波器錐固定在地表，將其打入土體，并將檢波器耦合連接被測介質(zhì)，順序通過電纜線連接至數(shù)據(jù)采集端口。

(5) 檢驗(yàn)拾振器的采集一致性，通過壓實(shí)路基布設(shè)均勻測點(diǎn)、緊密排列，周圍激發(fā)以隨機(jī)震源，通過采集并對比各個(gè)通道的信號是否一致，若出現(xiàn)不一致情況時(shí)需要重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(6) 采集完成后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查和分析，為避免噪聲干擾，可采取多次采集，信號疊加分析，確保采集數(shù)據(jù)有效。當(dāng)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題時(shí)，可采取改變不同道間距和偏移距進(jìn)行重新測試工作。

2 工程概況

某公路工程建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目地貌屬于第四紀(jì)沖積平原，公路項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜，且存在不同厚度的淤泥質(zhì)地層，極易發(fā)生道路沉降不均現(xiàn)象。擬建道路主干道長1 200 m，建設(shè)道路一側(cè)為原有河道，分布有厚度不等的淤泥質(zhì)填土，具有較高的含水量和較低的承載力，較嚴(yán)重影響施工和場地建設(shè)。為滿足地基承載力要求，設(shè)計(jì)方案采取強(qiáng)夯置換加真空擠密的方法，添加材料為碎石和碎磚渣。

針對此段路基的夯擊范圍為縱橫向4 m間距進(jìn)行點(diǎn)夯，強(qiáng)夯柱和柱之間采用滿夯工藝，夯擊控制最后兩擊沉降差5 cm，夯擊完成后路基路面回填0.7 m厚度的碎石土。

針對夯擊處理效果尤其是承載力的提高方面，計(jì)劃采用傳統(tǒng)原位試驗(yàn)結(jié)合瞬態(tài)瑞雷面波測試的方法進(jìn)行綜合評價(jià)，依據(jù)相關(guān)勘察技術(shù)規(guī)范和面波勘察技術(shù)規(guī)程如《多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 143—2017)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和處理工作。實(shí)際工作量見表1。

表1 瑞雷面波檢測實(shí)際工作量表

根據(jù)檢測方案計(jì)劃采集22個(gè)點(diǎn)位結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行推斷解釋，并完成檢測報(bào)告工作。

3 檢測數(shù)據(jù)整理和分析

3.1 數(shù)據(jù)整理分析原則

根據(jù)本次檢測情況，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，由于針對原河道進(jìn)行了碎石和磚渣的回填夯實(shí)處理，回填土和原狀土物理性質(zhì)間的差異，反映在頻譜曲線上會(huì)出現(xiàn)“之”字形拐點(diǎn)，而瑞雷面波波速和被測介質(zhì)密實(shí)度有著直接的關(guān)系，被測介質(zhì)密實(shí)度越高，則基階面波波速越高，通過此對應(yīng)關(guān)系判斷面波測試點(diǎn)下夯實(shí)深度和強(qiáng)度情況[3]。

根據(jù)該段路基原位載荷測試結(jié)果和類似瑞雷波速測試和承載力的相關(guān)性管理，據(jù)此估算測點(diǎn)處地基承載力情況。為有效評估夯實(shí)土體質(zhì)量情況，本項(xiàng)目采取夯實(shí)回填路基和未夯實(shí)原狀土進(jìn)行對比分析，經(jīng)測試附近未經(jīng)加固的原狀土頻率曲線，其曲線平滑，形態(tài)完整，且速度較低，經(jīng)過夯實(shí)后的頻散曲線，由于夯實(shí)作用的影響，夯實(shí)上部分速度有較明顯的提高，下部逐漸減小，波速頻散曲線對比如圖2所示。

圖2 未經(jīng)夯實(shí)原狀土頻散曲線、夯實(shí)后地基土頻散曲線

對比以上頻散曲線，曲線形狀和波速大小有明顯的差異，夯實(shí)處理后的土體因夯擊能和碎石填充置換，破壞原狀土體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生土體內(nèi)超靜空隙水壓力的增加，對地層產(chǎn)生了擠密效果，土體地基承載力顯著提升，土體波速特性和物理力學(xué)特性也有明顯改變，對夯擊前后的面波檢測結(jié)果進(jìn)行對比評價(jià)，并參考波速和承載力的關(guān)系表，統(tǒng)計(jì)得出相關(guān)加固土體承載力值。土體面波波速和地基承載力對比值見表2。

表2 面波波速和地基承載力特征值相關(guān)性表

根據(jù)以上表格統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析頻散曲線波速情況，綜合評價(jià)經(jīng)過夯擊完成后的軟弱地層加固效果，為工程建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4 瑞雷面波法檢測成果解釋與工程加固質(zhì)量評價(jià)

4.1 檢測成果解釋

根據(jù)現(xiàn)場面波測試數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，軟弱路基在強(qiáng)夯加固前面波波速一般在120 m/s的速度之下，且普遍分布不夠均勻，即使是同一深度范圍波速變化也較大，通過強(qiáng)夯夯實(shí)后，所有測點(diǎn)的不同深度波速都普遍提高，尤其是淺層4 m左右范圍內(nèi)增幅較大，總體波速提高45%左右，夯實(shí)后各個(gè)測點(diǎn)的影響深度和夯柱深度有一定的提高，軟弱路基夯擊影響深度由小增大又變小，這說明強(qiáng)夯基礎(chǔ)加固淺層軟弱路基有比較好的效果，夯擊夯實(shí)后各個(gè)測點(diǎn)的影響范圍波速測試結(jié)果見表3。

表3 夯擊夯實(shí)后影響范圍面波測試表

表2中的數(shù)據(jù)反映了強(qiáng)夯加固軟弱路基的夯擊影響深度和夯擊深度面波測試推定值，以及通過相關(guān)計(jì)算參數(shù)換算表求得的承載力推定值，以上分析數(shù)據(jù)結(jié)果為工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐[4]。

4.2 工程加固質(zhì)量評價(jià)

本項(xiàng)目公路路基軟弱土體強(qiáng)夯加固效果，采用瑞雷面波測試的方法進(jìn)行綜合評價(jià)，分析以上布設(shè)的22個(gè)測試點(diǎn)測試結(jié)果分析得出：

(1) 該項(xiàng)目場地夯實(shí)復(fù)合地基經(jīng)夯實(shí)后的影響深度范圍在3.8～6 m，局部地段可達(dá) 7m而夯柱深度在 2.8～5.5 m，絕大部分在 4 m 左右。

(2) 通過瑞雷波速測試分析表明，該施工處理后的夯柱部位剪切波速在 100～225 m/s，推算地基承載力為 95～130 kPa，而夯柱間復(fù)合地基的承載力一般要小于此值。

(3) 從對該場地 22 處測試結(jié)果分析，其中 D5、D6、D7 一段和D10、D13、D16、D21 等四處夯實(shí)不均、效果欠佳。

本項(xiàng)目的波速測試采集數(shù)據(jù)點(diǎn)間距為50 m，離散程度比較大，不能完全反映夯擊點(diǎn)與點(diǎn)之間和全路段路基夯實(shí)情況的質(zhì)量變化情況，經(jīng)綜合判斷分析可知，該強(qiáng)夯工藝在本路基加固過程中的效果差異影響較大，因?yàn)閺?fù)合地基剪切波速相比正常施工波速偏低，由此推算其地基承載力也偏低。隨著土體固結(jié)時(shí)間的增加，其承載力也在不斷提高。建議在設(shè)計(jì)過程中充分考慮設(shè)計(jì)方面的要求，并采取有效的技術(shù)措施，保證工程施工質(zhì)量[5]。

總體分析可知，通過采用瑞雷面波法對公路路基的軟弱土體的加固效果檢測評價(jià)相比傳統(tǒng)的原位檢測方法能夠有效達(dá)到檢測的目標(biāo)，相比沉降觀測而言，更能夠有效地檢測夯擊深度和夯擊影響深度，從而對軟弱路基的加固影響深度范圍和夯擊整體加固效果進(jìn)行有價(jià)值的評價(jià)。

5 結(jié) 論

瞬態(tài)瑞雷面波測試技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)包括快速、高效、無損原位測試、方便現(xiàn)場操作等。其已經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用于公路路基加固效果檢測中。

文中基于一公路軟弱路基夯擊加固效果瑞雷面波現(xiàn)場測試，結(jié)合以往面波測試的工程經(jīng)驗(yàn)，通過合理設(shè)置檢測參數(shù)和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，有效搜集了1 200 m范圍的22個(gè)檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場面波測試需要結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場原位測試進(jìn)行綜合分析研判，細(xì)化合理設(shè)置采集參數(shù)，選擇合適的檢波器、激振方式，實(shí)測面波信號等。

采用瞬態(tài)面波測試方法評價(jià)強(qiáng)夯軟弱路基，其效果評價(jià)顯著，有效反映了加固深度，也能對現(xiàn)場夯擊作業(yè)提供一定的指導(dǎo)。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，強(qiáng)夯施工工藝能有效對軟弱路基進(jìn)行加固，面波測試結(jié)果表明加固影響深度由于地層性質(zhì)的變化而變化，加固較好區(qū)域影響深度能夠達(dá)到6 m左右，夯擊深度能夠達(dá)到4 m左右，夯擊影響深度通過頻散曲線能夠有效分析得出。