鐵路既有線路基基床評價的基本方法

劉建新

（錦州鐵道勘察設計院有限公司，遼寧 錦州 121000)

1 概述

目前，在我國的主要鐵路干線正在全面提速，提速鐵路面臨的首要問題是現有路基能否滿足提速要求，這就需要在提速前對既有線路基有關參數進行測試，給出路基的物理及力學指標，為提速線路的改建設計提供科學的依據。對于壓實系數、孔隙率等物理指標，可采用核子密度儀、灌砂法、灌水法等試驗方法測得，而對既有線基床強度的檢測也是一個非常重要的指標，既有路基基床檢測主要采用瞬態瑞利波法、地質雷達法、Evd動態平板載荷試驗法。實踐證明，采用瞬態瑞利波法、地質雷達法、Evd動態平板載荷試驗法檢測速度快、測試結果準確且不影響行車，為準確的檢測出既有線路基基床的強度，為既有線路改造以及增建二線提供準確的物理力學指標。

2 技術原理

2.1 瞬態瑞雷波法

地震波分為兩類，即體波和面波，體波包括縱波(P)和橫波(S)。當介質中存在分界面時，體波在一定條件下會相互干涉并迭加產生出一種頻率較低、能量較強的次生波，因其主要沿介質的分界面傳播，故稱為面波。面波分為兩類，即瑞雷波和勒夫波，目前主要是利用瑞雷波進行工程勘察。

瑞雷波在介質中傳播存在以下幾個特性：

在分層介質中，瑞雷波在介質表面具有頻散特性，即不同頻率的波具有不同的傳播速度，利用該特性可以進行介質分層。

瑞雷波的能量占全部波動能量的 2/3，絕大部分能量集中在距震源的第一個半波長之內。當瑞雷波的波動傳播到一個波長的深度時，能量幾乎全部衰減。由半波長理論可知，瑞雷波的測試深度為半個波長。

瑞雷波的波長不同，其穿透介質的深度也不同。波長越長，穿透的地層深度越大。因此，根據波長與頻率的關系，可通過改變激震頻率來測定不同深度介質的平均瑞雷波速度Vr，當速度不變時，頻率越低，測試深度就越大。

從能量衰減特性來看，縱波和橫波的振幅反比于波傳播的距離，衰減與1/r（r是波的傳播距離）成正比，而瑞雷波的振幅衰減與1/成正比。因此，瑞雷波的能量衰減要比橫波和縱波慢得多，這是瑞雷波測試技術的優越性之一，可以很好的用來識別瑞雷波。

瑞雷波的傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。瑞雷波傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度，能方便地劃分軟弱地層的深度及范圍。

由上可知，瑞雷波相對縱波、橫波而言，具有能量較強、速度較低、頻率較低、容易分辨等特點。

2.2 地質雷達法

地質雷達（Ground Penetrating Rader簡稱GPR）是利用超高頻電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘測儀器，屬于電磁波法應用的范疇，它是利用電磁波在不同介質中的傳播與反射特性來進行探測的。電磁波脈沖由發射天線發出，被地下介質界面（或異常體）反射，然后由接收天線接收，并以實時成像方式顯示地下結構剖面，探測結果一目了然，分析、判釋直觀方便。

由于其具有分辨率高、圖象直觀、工作效率高、無破壞性等優點，在工程檢測領域已得到越來越多的應用。

2.3 Evd動態平板荷載試驗

Evd動態平板荷載試驗是采用動態變形模量測試儀來監控檢測土體承載力指標-動態變形模量Evd的試驗方法。它通過落錘試驗和沉陷測定來直接反映土體動態特性的指標Evd，計量單位為Mpa。

Evd動態平板荷載試驗適于粒徑不大于荷載板直徑1/4的各類土和土石混合填料，測試有效深度范圍為400～500mm。

3 數據采集與工作情況

根據要求，瑞雷波數據和Evd數據在既有線任一側路肩進行采集，地質雷達數據在線路任一側道碴上（軌枕端）采集。

3.1 瑞雷波法

瑞雷波法采用國產SWS-Ⅰ型地震儀和美國產S-12淺層地震儀及配套電纜和檢波器進行野外數據采集。根據測試段落長短，測試點距分別選用30m和50m，每個測點采用12道4Hz低頻檢波器接收，道間距0.5m，偏移距為0.5m、3.0m，震源采用18磅大錘和60 kg落錘，錘擊墊板，單邊激發。采樣間隔250μs，記錄點1024個，記錄長度256ms，每測點記錄2次。

3.2 地質雷達法

地質雷達測試采用SIR-20型地質雷達（美國GSSI公司產）和400MHz屏蔽天線進行采集。時窗范圍：50～60ns，采樣率：512樣/掃描，掃描率：10掃描/秒，疊加32次。測量方式采用連續測量，每隔10m打一標碼。

3.3 Evd動態平板荷載試驗

Evd動態平板荷載試驗采用德國產Evd動態變形模量測試儀 HMP LFG，在路肩指定里程點測試。測試時，荷載板保持水平，導向桿保持垂直。反復進行三次預沖擊后，正式進行三次沖擊，記錄下沉量作為正式測試記錄。

4 資料處理與成果分析

4.1 資料處理

4.1.1 瑞雷波法

瑞雷波勘察數據處理是從野外采集的多道地震數據中提取瑞雷波的頻散數據，再由頻散數據進一步反演出地層的瑞雷波速等值線斷面圖。通過對比道碴厚度曲線進行分析，以此評價路基。

瑞雷波勘察數據處理是利用相關軟件進行下列三步處理：

由多道地震數據記錄文件開始，在時間距離(X-T)域設置面波時距窗口和頻率范圍。用合適的時距窗口，排除其他干擾波的影響，將多道地震數據轉換成頻率波數譜。

在頻率波數(F-K)域的譜圖上，圈定基階面波的能量峰脊，計算出頻散數據，組成頻散數據文件。

用取得的頻散數據，在深度速度(Z-V)域，經過人機聯作，設置初始地層參數，再優化擬合，得出采集排列下部地層瑞雷波速的分層斷面。

4.1.2 地質雷達法

地質雷達資料的處理過程就是抑制隨機的和有規律的干擾，最大限度地提高雷達剖面圖像上的分辨能力，通過提取電磁回波的各種有用參數，來解釋不同介質的物理特征。

一般的，數據處理分五個步驟進行：數據預處理，包括文件編輯、文件巡視等；技術性處理，包括數字濾波、反褶積、偏移及希爾伯特變換等；拾取反射層；確定介電常數，計算速度，進行時深轉換，形成深度剖面；判釋異常界面，繪制成果（道碴厚度）曲線。

4.1.3 Evd動態平板荷載試驗

Evd動態平板荷載試驗可直接獲得測點Evd值，對每個里程點的5個測點Evd值進行平均，得到Evd算術平均值，作為基床評價依據。

也可通過經驗公式K30=3.10×Evd+14.3換算出K30值，作為基床評價參考。

4.2 成果分析4.2.1判釋原則

成果分析主要通過分析各剖面的瑞雷波速等值線斷面圖和地質雷達檢測道碴厚度曲線，從瑞雷波速度和道碴厚度變化的角度對基床狀態的穩定性進行評價，其判釋原則分別為：

A針對瑞雷波速速度，主要判釋原則為：

VR＜130m/s，基床土密實度低，基床狀態差；VR=130～160m/s，基床土密實度稍低，基床狀態稍差；VR=160～190m/s，基床土密實度較高，基床狀態一般；VR=190～250m/s，基床土密實度高，基床狀態好；VR＞250m/s，基床土密實度高，基床狀態良好。

B針對瑞雷波速速度斷面形態，主要判釋原則為：瑞雷波速有低速區域，分布較大，表明基床土軟弱，密實度低；瑞雷波速分布雜亂，高低速區域分布無規律。表明基床土密實度分布不均勻；存在低速區域延伸至基床深部的情況，表明局部基床土密實度低；瑞雷波呈近似層狀分布，表層局部的低速區域屬于正常情況，一般不作為異常。

C根據道碴厚度曲線，判釋基床沉降有兩方面依據：

道碴厚度偏厚，高于實際量測值；道碴厚度曲線變化劇烈。

5 結論

瞬態瑞利波法、地質雷達法、Evd動態平板載荷試驗法綜合運用野外數據采集準確完整，根據成果資料的分析，基床穩定性差的段落推斷為病害基床，檢測判定結果與工務段提供的既有路基病害段落基本一致，資料的定性分析及定量解釋方法準確合理。為為準確的檢測出既有線路基基床的強度，為既有線路改造以及增建二線提供準確的物理力學指標。

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