波動檢測技術在大粒徑填石路基壓實質量檢測中的應用

李 霞，朱根橋

(1.重慶交通大學河海學院，重慶400074;2.招商局交通科研設計院有限公司，重慶400067)

隨著我國經濟建設的高速發展，高速公路建設的日新月異，在山區及丘陵地區的高速公路建設中，經常遇到大量的土石混填填筑路基甚至是純石料填筑路基。公路路基填筑質量的好壞直接影響路堤的沉降變形和穩定性，因此，在施工過程中必須嚴格控制填筑路基的壓實質量。填石路基因其填料石質堅硬，粒徑大小不一，采用土質路基壓實度控制技術難以實施。目前，系統研究高速公路填石路基問題的不多，過去的一些研究，主要集中在高速公路填石路基的施工工藝方面，而對于高速公路填石路基的現場質量控制和快速檢測方法研究較少［1-4］。

我國公路路基壓實度檢測的傳統方法主要有灌砂法、灌水法、核子密度儀法、環刀法等，這些方法僅僅適用于填料粒徑小，厚度較薄的土質路基現場壓實度檢測。對于填石路基，由于填料粒徑極其變化都很大，從而使得采用現有的壓實度測試方法受到很大的限制。隨著巖土動力學研究的不斷深入，波動測試技術因具有測試距離大、操作簡單、成本低廉、可在施工中實時監測等特點而在巖土工程中得到廣泛的應用［5］。國內學者楊成林［6］在20世紀80年代就進行了瞬態瑞利波測試路基壓實度的研究。而后顧漢明［7］用瞬態瑞利波反演橫波速度來路基評價壓實效果;趙明階［8］通過研究多相土石復合介質的波動傳播特性，得到了土石混填路基壓實度和波速的關系?？傊?，波動測試技術在評價高速公路路基壓實質量方面已經較為成熟，但是對于純填石路基的波動檢測技術研究還較少。

筆者通過對填石路基現場進行波動測試，分析填石路基的波速大小，并通過灌水法試驗獲得對應工點的干密度，研究了現場波速指標和干密度及孔隙度的對應關系。

1 波動測試基本原理

1.1 層狀介質波動傳播特性

均勻介質或分層介質在點或面振源作用下，表面波場包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV波衰減快于瑞利波，當距振源一定距離表面波場以瑞利波為主。在大多數情況下，瑞利波能量集中在一個波長深度范圍內，頻率越低，波長越大，影響深度越深。在剖面參數(剪切波速、密度、泊松比)不同分層狀態下，隨著波長的增加，瑞利波穿越的層數也增加，瑞利波傳播速度發生變化，瑞利波傳播出現頻散現象，即瑞利波傳播速度隨頻率(或波長)的變化。頻散曲線的變化與分層參數、分層厚度等有關，通過對頻散曲線的反分析可以得到場地分層剪切波速。在均勻介質中，瑞利波的傳播速度與介質的剪切波速間的關系為［9］:

式中:cR，cs，ν分別表示瑞利波速，剪切波速及泊松比。根據泊松比大小，cR=(0.90～0.95)cs。

1.2 互譜分析理論

互譜分析，顧名思義就是對2道信號作互相關分析，由不同頻率成份面波在2測點間相位差得到面波相速度隨波長或頻率的變化?；プV分析一般采用共中心布置，振源與最近測點距離與測點距相等，見圖1。

圖1 互譜分析測點布置Fig.1 Test points arrangement of cross-spectrum analysis

互譜分析過程如下:

1)首先根據采集的測點1、2的2組信號計算自功率譜估計及互功率譜估計，計算方法如下:

γ2(f)≤1，相干值越大，表示信號來自同一振源的可能性越高，兩測點相干程度差的頻率點應丟棄。

3)將折疊相位差φw(f)展開得到實際相位差φ(f)，由實際相位差計算波在測點間時間延遲:

4)由測點距和時間延遲得到相速度

2 現場波動數據采集及數據分析

2.1 填石路基工程概述

廣州—樂昌高速公路北起韶關樂昌市坪石鎮，向南經大瑤山、樂昌、曲江、英德、花都，終于廣州市花都區花山鎮，路線全長約260 km。路線經過粵北山區，大部分挖方路段為石質挖方。從挖方材料上看，石灰巖、花崗巖以及部分砂巖強度高，在廣樂高速公路路基開挖材料中占有相當大的比例。這部分巖體開挖后巖石塊體大，且破碎困難，是廣樂高速公路和其他山區高速公路填石路堤施工中的難點和重點。

2.2 現場波動測試

本次面波測試采用RSM-24FD浮點工程動測儀?，F場波動測試首先要進行波動測試參數的確定，波動測試參數主要包括:測點布置方式、道間距、偏移距、振源、傳感器、采樣時間、采樣長度、濾波頻率、敲擊方式等［10］。分析軟件采用該儀器配套的面波分析軟件。

填石路堤采用100 cm的層厚進行沖擊碾壓壓實，波動測試采用共中心線法進行采樣，測點布置如圖2，取道間距和偏移距均為1 m，每次測試進行正、反向敲擊，對信號進行平均疊加。

圖2 現場波動測試Fig.2 In-situ wave testing

2.3 數據分析處理

利用瞬態瑞利波分析程序進行數據處理，為提高瞬態瑞利波相位差波譜分析精度，須采用如下措施:

1)通過細化技術可以改善折迭相位差曲線和測試精度;

2)瑞利波相速度計算與該頻率的瑞利波能量有關，降低激振頻率有利于低頻瑞利波相速度計算;

3)零線飄移、反射的P波、SV波、R波都會使相速度出現擾動，測試信號基線必須校零，按照“切頭去尾”來消除反射雜波干擾(圖3)。

圖3 實測信號Fig.3 Practical signal

4)如出現測試精度較差的情況，可增加測點道距以改善低頻瑞利波的相速度計算精度。

通過以上基本措施的實施，選取圖3中的兩條測試信號進行互相關分析，結果見圖4。

圖4 實測信號分析Fig.4 Analysis of practical signal

按照以上測試和數據處理方法，得到20個工點的波速，為了尋求波速指標和填料干密度及孔隙度的對應關系，對著20個工點同時進行挖坑灌水試驗，測得各點的波速、干密度及孔隙度如表1。

表1 測點橫波波速、孔隙度及干密度值Tab.1 Shear wave speed，porosity and dry density in testing points

3 結果分析

根據表1中的數據擬合干密度和橫波波速，孔隙度和橫波波速的關系式。

干密度和橫波波速呈近似乘冪關系:

孔隙度和橫波波速呈近似線性關系:

圖5、圖6為現場挖坑法測點干密度、孔隙度和面波測試的橫波波速的相關關系圖。

即，現場干密度和橫波波速的關系為:

相關系數:

孔隙度和橫波波速的關系為:

相關系數:

4 結論

瑞利波檢測路基壓實質量是一種無損原位測試法，該方法理論成熟，儀器設備輕便，可操作性強，檢測速度快，可大大提高公路路基壓實檢測的效率。尤其對于土石混填及填石路基的壓實質量檢測及監測有著傳統方法無可比擬的優勢。主要結論如下:

1)通過現場面波測試得到的橫波波速和傳統挖坑法的結果進行擬合分析，表明面波測試數據穩定性好，結果可靠，而且能夠綜合反映整個斷面壓實情況，總而言之，瑞利波測試技術能夠很好的解決填石路基壓實質量檢測和監測困難的問題，具有工程推廣的價值。

2)填石路基的孔隙度和橫波波速具有良好的線性相關性，干密度和橫波波速具有良好的冪函數關系。

3)筆者只是對填石路基的面波檢測技術進行了初步的探討，為了是面波檢測技術在填石路基檢測上得到更好的應用，應該改從理論上進一步研究波速和填石路基干密度及孔隙度之間的關系。

［1］呂文臣.高速公路填石路基質量控制及檢測方法應用研究［J］.公路交通科技，2007，22(8):60-61.LV Wen-chen.The application research of the quality control and detection method of the rock-filled subgrade in the freeway engineering［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，22(8):60-61.

［2］張金柱，宋忠平，張文，等.填石路基施工質量控制［J］.路基工程，1999(4):4-5.ZHANG Jin-zhu，SONG Zhong-ping，ZHANG Wen，et al.The quality control of the construction of the rock-filled subgrade［J］.Subgrade Engineering，1999(4):4-5.

［3］程睿.填石路基施工質量控制現場試驗研究［J］.中國水運，2009，11(9):1-2.CHENG Rui.The field test study of the quality control of the rockfilled subgrade［J］.China Water Transport，2009，11(9):1-2.

［4］余超，閭開軍.填石路基試驗段施工技術［J］.中南公路工程，2001，26(1):21-23.YU Chao，LV Kai-jun.The construction rechnique of the test section of the rock-filled［J］.Central South Highway Engineering，2001，26(1):21-23.

［5］韋剛，趙明階，黃衛東，等.土石路堤模型試驗及壓實度的波動測試［J］.重慶交通學院學報，2004，23(4):49-53.WEI Gang，ZHAO Ming-jie，HUANG Wei-dong，et al.Soil-stone embankment models and wave testing of compaction degree［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，23(4):49-53.

［6］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地質出版社，1993.

［7］顧漢明，宋先海.用瞬態瑞雷波反演橫波速度評價高速公路壓碾效果［J］.地質科技情報，2001，20(2):100-102.GU Han-ming，SONG Xian-hai.Evaluation of the effect of compacting highway surface using shear velocity inversed by instantaneous rayleigh wave［J］.Geological Science and Technology Information，2001，20(2):100-102.

［8］趙明階，黃衛東，韋剛.公路土石混填路基壓實度波動檢測技術及應用［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［9］楊全保，張昊，王云泉.瑞利波彌散特性及在高速公路測試中的應用研究［J］.長江科學院院報，2004，21(4):25-27.YANG Quan-bao，ZHANG Hao，WANG Yun-quan. Rayleigh wave’s dispersion properties and its application in highway tests［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004，21(4):25-27.

［10］陳龍珠，嚴細水，宋春雨.面波法檢測地基波速中振源與測點的布置方法［J］.工程力學，2003，20(5):174-179.CHEN Long-zhu，YAN Xi-shui，SONG Chun-yu.An arrangement of excitation and transducers in surface wave measurement［J］.Engineering Mechanics，2003，20(5):174-179.