高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究

楊允泉

(黔南州交通試驗(yàn)檢測(cè)中心)

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高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究

楊允泉

(黔南州交通試驗(yàn)檢測(cè)中心)

高速公路路基壓實(shí)度檢測(cè)的常規(guī)方法是環(huán)刀法和灌砂法，但是這兩種測(cè)試方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前高速公路的建設(shè)速度，其耗時(shí)長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度法，甚至還會(huì)對(duì)高速公路造成不同程度的破壞。因此，動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)得到了公路施工企業(yè)的歡迎。最為常用的就是瑞雷波法，可建立瑞雷波速和圖密度之間的關(guān)系模型，運(yùn)用四種曲線模型進(jìn)行回歸分析。結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行深入分析。

高速公路；路基壓實(shí)度；動(dòng)態(tài)測(cè)試

1 工程概況

某二級(jí)公路工程，起止樁號(hào)：K0+000～K12+964.065(短鏈：711.315m)，全長(zhǎng)12.252 750km，總工期共計(jì)18個(gè)月，工程投資26 528萬(wàn)元。起點(diǎn)于省道S205K128+750處，與銀盞工業(yè)園區(qū)C5線起點(diǎn)重合，地名銀坑水，向南沿省道S205布線，在K0+200處下穿馬場(chǎng)坪至道真高速公路，在干西槽K0+800處于省道平交后向大林方向布線，在K0+900處再次下穿馬場(chǎng)坪至道真高速公路；然后經(jīng)史家坳(K1+900)、鹿雞塘(K4+700)(該處下穿貴陽(yáng)至甕安高速公路)、胡家院(K6+000)、大寨(K6+900)，于熊南潮(K8+500)接甕安至玉華現(xiàn)有公路，沿現(xiàn)有公路布線經(jīng)牛欄坪(K10+000)、地開(kāi)(K11+800)、至終點(diǎn)玉華至建中油路起點(diǎn)，路線呈南北向。中間控制點(diǎn)有K0+200、K0+900、下穿馬場(chǎng)坪至道真高速公路處和K1+900史家坳、K4+700下穿貴陽(yáng)至甕安高速公路。主要工程包括路基土石方149萬(wàn)m3，中橋四座(I、II號(hào)橋?yàn)?～20m的簡(jiǎn)支空心板橋，III、IV號(hào)橋?yàn)?～20m的簡(jiǎn)支空心板)。本項(xiàng)目路基寬度采用雙車(chē)道二級(jí)公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般路段路基寬度12.0m，斷面布置為：0.5m土路肩+2.0m硬路肩+2×3.5m行車(chē)道+2.0m硬路肩+0.5m土路肩。

2 高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用

2.1 測(cè)試技術(shù)參數(shù)的確定

瞬態(tài)瑞雷波法采用的震源在實(shí)踐概念上表現(xiàn)的形式是一個(gè)脈沖的沖擊，激發(fā)的面波頻率是根據(jù)激發(fā)脈沖能量以及激發(fā)地點(diǎn)地層的剛度決定的。如果激發(fā)的能量大，那么產(chǎn)生的面波富含頻率成分就會(huì)越低，這樣可以大幅度提高長(zhǎng)波長(zhǎng)的信噪比，同時(shí)也可以對(duì)路基的情況有著較為可觀的全面反饋。一般情況下，落重的能量會(huì)比較大，但是較之爆炸震源來(lái)說(shuō)，還是爆炸震源產(chǎn)生的低頻面波更加豐富。

在高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試中，因?yàn)樯鲜龉こ搪坊母叨鹊陀?m，就采用錘擊作為震源，這樣能夠更加準(zhǔn)確地反映路基深度，滿足相關(guān)測(cè)試要求。

2.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法分析

在室內(nèi)試驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)路基土密度和瑞雷波速值關(guān)系建立相應(yīng)的關(guān)系模型之后，就可以對(duì)上述工程的路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

該檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)是一個(gè)具有綜合性功能的設(shè)備，該設(shè)備將SWS—2型多波列震動(dòng)映像和相關(guān)的工程檢測(cè)設(shè)備有效結(jié)合，然后再采用具有一定重量的力錘，這樣就形成了一個(gè)較為完整的檢測(cè)流程。在檢測(cè)過(guò)程中，需要將相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備連接一起，并且選擇路面較為平整的路段，在路基內(nèi)部固定的傳感器，從而保證路面信號(hào)的有效傳遞。在該工程中，每一個(gè)擊震點(diǎn)都布置了12個(gè)傳感器，將其布置在一個(gè)縱向直線上，傳感器需和檢測(cè)車(chē)的主機(jī)相連接，在用力錘擊路基時(shí)，相關(guān)儀器會(huì)自動(dòng)顯示檢測(cè)信號(hào)。錘擊需要多次，但是每次錘擊之間需要有一段間隔時(shí)間，測(cè)試中不能抖動(dòng)導(dǎo)線，避免干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

2.3 瑞雷波頻散曲線求取的理論基礎(chǔ)

眾所周知，每一種信號(hào)都可以通過(guò)向量來(lái)表示，在高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試中，可以將測(cè)試信號(hào)用正弦和余弦兩種形式表示。這樣做的主要目的是轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，將時(shí)間距離的波長(zhǎng)信息轉(zhuǎn)換成頻率波數(shù)譜的數(shù)據(jù)。在瞬態(tài)面波法中，要想提取有效信息，就必須對(duì)頻譜進(jìn)行詳細(xì)分析。

用力擊打高速公路路基的表面，據(jù)對(duì)相關(guān)波動(dòng)知識(shí)的了解，從震源經(jīng)傳感器1和傳感器2向外傳播，對(duì)于單道檢波器采集的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)x(t)，可以通過(guò)傅氏變換獲得頻率域中的幅頻值，其計(jì)算如下

Sjj(ω)=Xj(ω)·Xj(ω)

S(j+1)(j+1)(ω)=Xj+1(ω)·Xj+1(ω)

假設(shè)地面上布置了n各檢波器，道路兩邊的間距是Δx，其記錄到的時(shí)間域瞬態(tài)瑞雷波信號(hào)為x1(t)、x2(t)……xn(t)，根據(jù)傅氏變換，其頻譜為

任意相鄰兩道xj(t)，xj+1(t)，其互功率譜為

S(j+1)j(ω)=Xj+1(ω)·Xj(ω)=│Xj+1(ω)│·│Xj(ω)│e-iΔΨ(ω)

其中，Xj(ω)，Xj+1(ω)為Xj(ω)，Xj+1(ω)的復(fù)共軛譜。

根據(jù)上述公式可以了解，每一種頻率之間都會(huì)有所差別，而這種差別表現(xiàn)在每一頻相速度的不同，但由此可以得知測(cè)試對(duì)象的頻散曲線。然后通過(guò)多次的擬合，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程。

2.4 路基壓實(shí)度瑞雷波法檢測(cè)的信號(hào)處理

路基壓實(shí)度瑞雷波法檢測(cè)的信號(hào)處理一般有四個(gè)步驟：首先，要分析時(shí)域信號(hào)，然后圈定一定的時(shí)間數(shù)據(jù)范圍，將直達(dá)或者是反射波類(lèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻域中的信號(hào)，這樣便于頻譜的分析；其次，需要對(duì)時(shí)域中的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，基本做法是將其轉(zhuǎn)換為頻域中的所需信息，在此基礎(chǔ)上，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；然后，對(duì)最終整合出的頻散數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的分層處理，這樣就可以獲得每一個(gè)地層的壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果。

(1)時(shí)間距離(X—T)域中的面波

在高速公路路基壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中，最為重要的就是信號(hào)的獲取。在時(shí)間距離域中可以得知面波和干擾波的顯著特點(diǎn)，這是后續(xù)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。面波一般都是可以通過(guò)多種方法來(lái)獲得的，然后用二維形式表現(xiàn)出來(lái)。橫坐標(biāo)代表的是檢波中震源到通道之間的距離，而縱坐標(biāo)表示的震源激發(fā)之后傳播的時(shí)間長(zhǎng)度，向下就是表示時(shí)間長(zhǎng)度不斷增加。上述工程地基土?xí)r域檢測(cè)信號(hào)如圖1所示。

圖1 地基土?xí)r域信號(hào)顯示圖

(2)頻域波數(shù)(F—K)中的面波

從面波模態(tài)的組成來(lái)看，隨著地層剛度的逐漸加深，存在于地表層中的能量大多表現(xiàn)為基階模態(tài)，這樣形成的頻散特征不明顯，根據(jù)此信息可以得出地層的彈性參數(shù)。如果高速公路的路基深層中有軟弱夾層的存在，且其表面有剛度的地質(zhì)土覆蓋著，那么將會(huì)對(duì)壓實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)試造成較大的影響，其突出表現(xiàn)為面波能量不能順利擴(kuò)散。

(3)面波頻散特征

面波的頻散規(guī)律可以用頻率(F)以及相速度(Vc)二維坐標(biāo)圖形中的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)。同時(shí)，也可以由頻率和相速度換算出該頻率的波長(zhǎng)(λ=Vc/F)，將頻散數(shù)據(jù)表示在一個(gè)二維圖中，該圖是由以半波長(zhǎng)(λ/2)和相速度(Vc)構(gòu)成橫坐標(biāo)的，如圖2所示，是上述工程的面波頻散特征示意圖。

圖2 地基土頻散曲線

在對(duì)頻散數(shù)據(jù)進(jìn)行分層之后，需要進(jìn)行一定的調(diào)試擬合，這樣既可以根據(jù)每段頻散數(shù)據(jù)點(diǎn)確定該圖層內(nèi)的平均波速值。在調(diào)試擬合后，其得出的頻散數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)和實(shí)際的公路狀況相符，這樣就能夠切實(shí)提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如果高速公路路面路基的狀況良好，那么其具有很強(qiáng)的承載力。當(dāng)路面受到較大的外界壓力時(shí)，其底部不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的彎拉力應(yīng)力。當(dāng)路面板下路基穩(wěn)定，就能夠提供良好的支承。可以看出，振動(dòng)波形會(huì)隨著路基路面的壓實(shí)度的不同呈現(xiàn)出不同的波形，且波形變化表現(xiàn)得較為明顯。這是因?yàn)樵诨炷谅访姘逵忻摽涨闆r存在時(shí)，路面板的的振動(dòng)會(huì)對(duì)脫空有很好的反映，但是當(dāng)其受到瞬間的擊打時(shí)，混凝土路面板就會(huì)因?yàn)槊摽盏拇嬖冢斐陕访姘宓淖杂烧駝?dòng)。

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2015-01-04

楊允泉(1978-)，男，貴州都勻人，工程師，主要從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)研究。

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1008-3383(2015)09-0004-02