多道瞬態(tài)面波在路基填筑質(zhì)量評價中的應(yīng)用

何智杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

路基填筑質(zhì)量檢測的常用方法有地基系數(shù)K30、動態(tài)變形模量Evd和靜態(tài)二次變形模量Ev2等，其中Evd和K30依據(jù)不同土類存在線性相關(guān)關(guān)系，此類方法屬于過程檢測控制的范疇，需要在路基填筑的過程中，針對每一層填料分別進行試驗，卻無法對既有線和新建線路中已經(jīng)成形的路基進行整體質(zhì)量評價。

路基填筑質(zhì)量的后評價多采用工程物探的方法，其中地震面波法可通過測定面波速度值VR、速度等值線和頻散曲線等參數(shù)，對基床、路基本體和基底進行整體評價，該方法不僅克服了常規(guī)檢測中各點的孤立性，且有利于評價路基填筑的均勻性、碾壓密實度、基底的換填處理質(zhì)量等，從而達到有效界定不合格區(qū)域的里程及深度范圍，判斷路基整體填筑質(zhì)量的目的。多道瞬態(tài)面波以排列的形式采集數(shù)據(jù)，相比常規(guī)面波檢測，所采集的地層信息更加豐富和全面，具有簡便、快速、經(jīng)濟、分辨率高、成果直觀等特點，為路基填筑質(zhì)量評價提供了有效的技術(shù)支撐。

1 面波法檢測原理

運用面波法評價路基填筑質(zhì)量主要取決于面波的兩個特性:(1)面波在路基填筑的不同分層介質(zhì)中具有頻散性;(2)面波在路基的不同填料和不同壓實區(qū)域中的傳播速度不同。通過以上特性，不僅可直觀看出路基的分層情況，而且可根據(jù)不同材料中的波速值求取相應(yīng)填層的壓實度，從而評價路基填筑效果。

在均勻半空間彈性分層介質(zhì)中，結(jié)構(gòu)表面在受到瞬態(tài)震動時分別產(chǎn)生橫波(S波)、縱波(P波)和面波(R波)。面波是一種特殊的地震波，其主要集中在介質(zhì)自由表面，并以逆轉(zhuǎn)橢圓的形式在垂直平面內(nèi)滾動傳播，在單次激振中，縱波能量占全部能量的7%，橫波占26%，而面波卻占67%，因此，面波具有能量大、衰減速度慢、淺層分辨率高等特點。

在路基填筑質(zhì)量檢測中，隨著路基填筑深度的增加，面波波速逐漸增大，而路基本體材料并非均勻，面波波速將伴隨著軟弱層的出現(xiàn)而降低。因此，在不同的填筑層中，面波發(fā)生頻散現(xiàn)象，頻散曲線呈現(xiàn)“之”字形形態(tài)變化。橫波波速和面波波速之間存在以下關(guān)系

其中，VS為橫波波速/(m/s)，VR為面波波速/(m/s)，G為剪切模量/MPa，ρ為介質(zhì)密度/(kg/m3)，μ為地層的泊松比。對于第四系的地層而言，泊松比一般為0.3～0.4，因此對于常用的路基填料，可近似的認為VR=VS，從而可通過測定橫波波速來求得面波波速。

2 工程概況

林歹至織金(新店)鐵路為貴陽市域鐵路的重要組成部分，全長27.94 km，設(shè)計時速120 km/h，全線共有橋梁 19座，隧道 5座，車站 2座，橋隧比例約為31.52%。

ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基地質(zhì)概況為溶蝕低山地貌，地形起伏較大，巖層產(chǎn)狀變化較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈閉合狀。段內(nèi)上覆第四系坡殘積、坡洪積黏土，沖洪積砂及卵石土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)八匙椋(1a)茅草鋪組(T1m)白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖。段內(nèi)巖溶中等—強烈發(fā)育，地表多見溶洞塌陷、落水洞等，底下溶洞多為充填，局部為半填充和空洞，充填物為軟塑狀—流塑狀黏性土混少量沙礫。段內(nèi)不良地質(zhì)主要為巖溶、順層、偏壓、斷層破碎帶、基坑突發(fā)性涌水等，特殊巖土為軟土及松軟土、膨脹土。填筑深度和填料情況如表1所示。

表1 ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑設(shè)計資料

3 現(xiàn)場檢測工作

3.1 儀器設(shè)備及附件

根據(jù)ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑情況，本次檢測采用瞬態(tài)面波的方法對路基填筑的整體質(zhì)量進行探查和評價，儀器設(shè)備采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WZG－24A型工程地震儀、面波檢波器(主頻4 Hz)、數(shù)據(jù)傳輸電纜、大錘、激振錘墊、蓄電池電源、觸發(fā)開關(guān)、測繩和面波分析軟件等。面波檢測儀器如圖1所示。

圖1 面波檢測儀器示意

3.2 檢測測線布置

在該雙線鐵路檢測區(qū)域的左右線路中間分別布置1條測線，每10 m采集一個面波排列，震源采用18磅鐵錘人工錘擊激發(fā)的方式端點激發(fā)，偏移距7 m，均勻布置24個道間距為1 m的檢波器，采樣率0.5 ms，采樣點數(shù)1 024，單條測線長度180 m，采用MASW多道面波法采集，探測深度約為基床表層以下20 m。

4 數(shù)據(jù)解釋與驗證

4.1 檢測數(shù)據(jù)處理流程

(1)回放野外采集記錄，對非正常道進行處理;

(2)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換;

(3)按照測線對記錄進行組合，并建立觀測系統(tǒng);

(4)對數(shù)據(jù)進行二維空間互相關(guān)計算(SPAC);

(5)按照共中心點(CMP)抽道集;

(6)對各個道集記錄進行τ－p變換，在F－V域拾取相速度曲線;

(7)按測線對頻散曲線初始化，非線性最小二乘法進行反演;

(8)輸出整條測線的波速剖面圖，繪制出各個測點頻散曲線成果圖。

4.2 檢測數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)各測點頻散曲線所反映的面波波速情況，繪制ZD1K0+000～ZD1K0+180段左線面波速度等值線圖(如圖2所示)。整體上分析，在探測深度范圍內(nèi)，面波波速在230m/s以上的區(qū)域，面波波速等值線分布均勻性好，在填筑深度為2.2 m的ZD1K0+000～ZD1K0+090區(qū)段，面波波速范圍為200～250 m/s，在ZD1K0+090～ZD1K0+180區(qū)段不同填筑深度范圍內(nèi)的面波波速范圍為250～310 m/s，其中，ZD1K0+000～ZD1K0+075區(qū)段為低速區(qū)，填筑深度范圍內(nèi)面波波速在220 m/s以下(如圖2中的虛線區(qū)域)。

圖2 左線ZD1K0+000～ZD1K0+180面波速度等值線

ZD1K0+030、ZD1K0+050和 ZD1K0+070等處的存在低速極值點，其頻散曲線分別如圖3和圖4所示。可見，在填筑深度范圍內(nèi)，ZD1K0+030處深度1.2～2.0 m和ZD1K0+070處深度1.5～2.0 m范圍內(nèi)存在換填區(qū)域，且該換填層壓實效果較差。

圖3 左線ZD1K0+030處頻散曲線

4.3 現(xiàn)場開挖比對

根據(jù)對檢測數(shù)據(jù)的分析和解釋，分別對左線ZD1K0+030和ZD1K0+070兩處進行開挖驗證，開挖深度2 m，開挖結(jié)果如圖5所示，可見，整體上路基填料級配不滿足設(shè)計要求，在判定的低速區(qū)范圍內(nèi)，存在軟弱夾層，表明路基實際填筑質(zhì)量和現(xiàn)場檢測判定結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

(1)多道瞬態(tài)面波法檢測路基填筑質(zhì)量是行之有效的，相比常規(guī)Evd、Ev2和K30試驗分層逐點檢測的方法，其沿測線方向以多道檢波器組成排列的形式進行整個檢測剖面信息的連續(xù)采集和迭加，數(shù)據(jù)更連續(xù)，信息更豐富，結(jié)果更精確。

(2)該方法可對從基床表層到基底處理的路基整體填筑質(zhì)量進行一次性的檢測，檢測成果涵蓋沿線路方向的全斷面路基情況，更適合路基填筑質(zhì)量的大面積普查和路基深層缺陷的快速探查。

(3)不同地區(qū)地層特性存在差異性，因此在界定面波波速臨界參考值時，需對現(xiàn)場不同填料的合格路基分別進行面波檢測并提出有效值范圍，現(xiàn)場無合格路基做參考時，可考慮對不同填料段路基進行動力觸探試驗，從而將面波速度和動力觸探結(jié)果建立起數(shù)學(xué)模型，以獲取不同分層條件下的面波速度范圍信息，為合理解釋檢測數(shù)據(jù)提供準確依據(jù)。

圖4 左線ZD1K0+070處頻散曲線

圖5 左線ZD1K0+030(左)和ZD1K0+070(右)處開挖驗證結(jié)果

［1］JGJ/T 143—2004 多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程［S］

［2］李軍．多道瞬態(tài)瑞雷波法在武廣客專路基巖溶注漿檢測中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑技術(shù)，2008(增):475－478

［3］李青山，張獻民，李紅英．路基壓實度的瞬態(tài)瑞雷波檢測法［J］．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003(10):27－30