基于瑞雷波法的高填路段墻背回填質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)

姜益順,徐大眾,葛玉寧,袁繼奎,趙德生

(山東省路橋集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250014)

0 引言

受限于地形等因素的制約,山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中,多為高填深挖路段。其中,高填路段的橋臺(tái)、擋土墻、涵洞這三類(lèi)構(gòu)造物“三背”回填因場(chǎng)地限制,大型壓實(shí)設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng),人工夯實(shí)壓實(shí)效果不佳。受回填土壓實(shí)不足、季節(jié)性水位變化及多雨季節(jié)地表水入滲等影響,回填土容易出現(xiàn)沉降變形超限甚至填料沖刷、上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等病害。

現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定,路基和臺(tái)背的壓實(shí)質(zhì)量應(yīng)采用密度法檢測(cè),即現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的干密度與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所測(cè)算的最大干密度的比值,以百分比表示。達(dá)到某一閾值后,判斷路基壓實(shí)度是否達(dá)標(biāo)。傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)過(guò)程主要存在的問(wèn)題有:(1)測(cè)速緩慢、效率低下、精確度差;(2)路基中無(wú)損檢測(cè)利用率較低,壓實(shí)度、含水量等相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)依賴(lài)于環(huán)刀法、灌水法、填砂法、取芯法等破壞性檢測(cè)方法。隨著路基檢測(cè)技術(shù)水平的不斷提升,路基回填壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向發(fā)生了較大變化,主要表現(xiàn)為逐漸由人工檢測(cè)向自動(dòng)化智能化檢測(cè)發(fā)展、逐漸由損傷型檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)型發(fā)展。現(xiàn)階段,新興檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)方法主要有:瑞雷波法、孔內(nèi)波速測(cè)井法[1]、高密度電法、瞬變電磁法等。其中,瑞雷波法具有較強(qiáng)的適用性。它主要基于瑞雷波的傳播特性-在介質(zhì)的自由界面周?chē)鷤鞑?。在半無(wú)線體介質(zhì)中,它的能量傳播范圍主要集中在1/2范圍內(nèi)。在點(diǎn)震源(激振)作用下,表面波具有隨深度增加而逐漸衰減的特性。瑞雷波在二維平面空間傳播時(shí),地質(zhì)體中的質(zhì)點(diǎn)是呈現(xiàn)橢圓形傳播的特性并沿其逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)[1],即運(yùn)動(dòng)方向的水平分量運(yùn)動(dòng)具有滯后性,水平分量運(yùn)動(dòng)顯著慢于豎向分量運(yùn)動(dòng)。

基于瑞雷波法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)半橋半路擋土墻墻背填土情況進(jìn)行信號(hào)探測(cè),實(shí)現(xiàn)深層填土壓密效果無(wú)損檢測(cè),獲取墻背填土壓實(shí)分布規(guī)律,指導(dǎo)施工及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理,避免出現(xiàn)病害。

1 瑞雷波檢測(cè)原理

瑞雷波利用激發(fā)點(diǎn)震源(如錘擊)激發(fā)所產(chǎn)生的面波,相同波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特征表征了被測(cè)試地質(zhì)體在水平方向上的變化情況;不同波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特征表征不同深度地質(zhì)體的變化[2]。在瞬態(tài)瑞雷波場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)中,需利用快速傅氏變換(FFT)將時(shí)域記錄(數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)錄為頻域記錄(數(shù)據(jù))。其中,對(duì)于頻率為fi的頻率分量,互譜法計(jì)算相鄰檢波器記錄的相移Δφi,相鄰道Δx長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度VRi:

VRi=2πfiΔx/Δφi

(1)

測(cè)量范圍NΔx內(nèi)的平均波速為:

(2)

式中:φij為第j個(gè)φi值。

2 橋頭高填路段臺(tái)背回填檢測(cè)評(píng)價(jià)

依托工程為臨臨高速(臨淄至臨沂),項(xiàng)目地處山東省東南部,施工4標(biāo)段主線起止里程:K66+000～K80+100,全長(zhǎng)14.1km,路線大體呈西北東南走向,選線范圍涉及淄博博山區(qū)、沂源縣。整條高速公路線路基本上是一個(gè)多丘陵地帶。部分路段受地形條件限制采用半橋半路結(jié)構(gòu),如圖1所示,路基一側(cè)采用路肩擋墻,墻后填土5～15m不等,填土材料采用當(dāng)?shù)厣襟w開(kāi)挖風(fēng)化砂。試驗(yàn)場(chǎng)地位于龍家湖大橋段(K71+965),測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示,試驗(yàn)段長(zhǎng)50m,通過(guò)縱橫交錯(cuò)測(cè)線,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)路基填土壓實(shí)程度分布檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

圖1 墻背高填路基橫斷面圖(單位:cm)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)面波檢測(cè)布點(diǎn)平面示意圖

瑞雷波檢測(cè)能夠通過(guò)處理后的深度速度圖較為直觀獲得瑞雷波在地質(zhì)體中傳播的波速,或者是計(jì)算出路基深度有效范圍內(nèi)不同深度剪切波波速[3]。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵物理參數(shù)的數(shù)值計(jì)算,對(duì)地質(zhì)體的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)價(jià)。通過(guò)計(jì)算所得地質(zhì)體的瑞雷面波速,可以得到瑞雷波在地質(zhì)體中的剪切波速;在一定條件下,也可以計(jì)算出相應(yīng)地質(zhì)體的縱波速度?；谝延械挠?jì)算公式或相應(yīng)參數(shù)表,得到相關(guān)巖土介質(zhì)層的物理力學(xué)參數(shù)[4],具體物理參數(shù)計(jì)算式見(jiàn)表1。

表1 物性參數(shù)計(jì)算式

基于已知經(jīng)驗(yàn)公式以及相關(guān)瑞雷波測(cè)算試驗(yàn)總結(jié)出的波速與各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,能夠快速處理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù),以求得所測(cè)地質(zhì)體中路基斷面的各項(xiàng)物理參數(shù)。

3 探測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取的原始數(shù)據(jù)是頻散曲線,頻散曲線由頻散點(diǎn)組成,每個(gè)頻散點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)位置處的路基中波速值,如圖3所示。

圖3 波速-深度分布圖

為了獲得地質(zhì)體波速的特征值,需對(duì)頻散數(shù)據(jù)進(jìn)行提取[5-6]。將提取后的特征值由surfer軟件處理,生成瑞雷波波速等值線圖。由此而得,在臺(tái)背回填地質(zhì)中出現(xiàn)具有明顯差異的數(shù)據(jù),主要表現(xiàn)為中心位置處(測(cè)試面以下3m)出現(xiàn)了低波速值。為驗(yàn)證檢測(cè)過(guò)程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤,提出對(duì)相同位置處進(jìn)行重復(fù)探測(cè)的檢測(cè)方案。對(duì)二次數(shù)據(jù)處理后,得到與首次測(cè)試數(shù)據(jù)相同的結(jié)果,基本上排除檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)重大失誤的可能,佐證了試驗(yàn)過(guò)程的有效性。根據(jù)相對(duì)波速與材料之間的關(guān)系,表面以下3m～5m出現(xiàn)波速在170～195m/s之間,所測(cè)波速值遠(yuǎn)小于施工要求值,研判后得:出現(xiàn)波速較低區(qū)域的主要原因是路基回填材料壓實(shí)度不足。對(duì)于壓實(shí)度不滿(mǎn)足要求的位置,必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)壓,一般采用小型振動(dòng)壓路機(jī)或液壓夯機(jī)處理,以防止路基工程出現(xiàn)工程質(zhì)量隱患,以免影響公路在營(yíng)運(yùn)期間的正常使用。

此外,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路基土進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),將波速與壓實(shí)度進(jìn)行對(duì)比,如表2所示,建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,基于該關(guān)聯(lián)公式,可對(duì)路基壓實(shí)效果進(jìn)行大面積快速檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

表2 不同深度下部分測(cè)點(diǎn)參數(shù)及壓實(shí)度

將原位測(cè)得的瑞雷波速值與灌沙法測(cè)得的土樣干密度值相匹配擬合后,建立相應(yīng)的公式。不同路基土層深度下分別測(cè)得的瑞雷波速值和填砂法值測(cè)得的干密度值回歸曲線如圖4所示。

圖4 不同深度瑞雷波波速與干密度擬合曲線

(3)

(4)

(5)

(6)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瑞雷波波速,在式(3)～式(6)中,得瑞雷波法測(cè)得路基土壓實(shí)度。對(duì)比分析灌砂法和瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)量的各基壓實(shí)度,見(jiàn)表3。

表3 瑞雷波法與灌砂法測(cè)得壓實(shí)度對(duì)比表

由表3可知:利用瞬態(tài)瑞雷波法與傳統(tǒng)灌砂法分別測(cè)得同一地點(diǎn)的壓實(shí)度的絕對(duì)誤差區(qū)間控制在1.2%范圍內(nèi),且相對(duì)誤差控制在1.14%范圍內(nèi)。傳統(tǒng)灌砂法測(cè)得的壓實(shí)度與基于瑞雷波反算模式下得到的壓實(shí)度準(zhǔn)確性及相關(guān)性較為良好,壓實(shí)度數(shù)值較為接近。絕對(duì)誤差控制在1.2%以?xún)?nèi),相對(duì)誤差控制在1.14%以?xún)?nèi),足以證明此段路基壓實(shí)效果良好。從而利用瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)算狹窄路基位置處壓實(shí)度有工程實(shí)際意義。

4 結(jié)論

針對(duì)山區(qū)公路墻背回填路基難以充分壓實(shí)的問(wèn)題,采用瑞雷波法開(kāi)展回填土壓實(shí)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn),主要得到以下結(jié)論:

(1)墻背填土可通過(guò)瑞雷波法檢測(cè)獲取波速分布圖,通過(guò)波速與壓實(shí)度建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

(2)瑞雷波法檢測(cè)波速與傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)方法相比,通過(guò)數(shù)據(jù)擬合分析,精準(zhǔn)度可以滿(mǎn)足要求。

(3)與傳統(tǒng)方法點(diǎn)位檢測(cè)相比,瑞雷波法可實(shí)現(xiàn)無(wú)損、快速、大面積檢測(cè),通過(guò)科學(xué)方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)波速解譯,可用于指導(dǎo)施工。