干線公路改擴建工程的路基壓實狀態(tài)檢測技術(shù)研究

0 引言

干線公路作為連接各大中城市與經(jīng)濟區(qū)域的重要交通紐帶，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量和通行能力直接關(guān)系到國家經(jīng)濟命脈的暢通與民眾日常生活的便捷。然而，早期建設的干線公路因設計標準較低、建設年代久遠、交通荷載增加及自然環(huán)境侵蝕等因素，普遍面臨著路面破損、路基沉降、承載力下降等問題，嚴重影響了公路運輸效率與運輸安全[1]。因此，干線公路的改擴建工程成為提升交通基礎(chǔ)設施水平、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措。

在干線公路改擴建工程中，路基作為支撐路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其壓實狀態(tài)是公路整體穩(wěn)定性和耐久性的重要指標。良好的路基壓實度能夠顯著提高路面的承載能力，減少不均勻沉降，延長公路使用壽命，同時降低維護成本。然而，現(xiàn)有的環(huán)刀法、灌砂法等路基壓實質(zhì)量檢測手段存在檢測效率低、代表性差、對交通影響大等弱點，難以滿足大規(guī)模、高效率公路改擴建工程需求[2。因此，本文開展干線公路改擴建工程路基壓實狀態(tài)檢測技術(shù)研究，探索高效、準確、非破壞性的檢測技術(shù)，以優(yōu)化資源配置、加快施工進度并保證工程質(zhì)量。

1改擴建工程概況和地質(zhì)情況

1.1 工程概況

某干線公路自建成通車以來已經(jīng)使用二十余年，原為雙向4車道，路基寬度為 28m 。為適應日益增長的交通需求，對該干線公路啟動了大規(guī)模的改擴建工程，主要工程項目是全線加寬老路基兩側(cè)，改造后的公路路基寬度增至 42m ，配置雙向8車道，并在某特定區(qū)間內(nèi)增設高架橋，設計時速高達 120km/h 。該干線公路在改擴建工程施工過程中記錄了其改擴建前后的數(shù)據(jù)，完工后對其改擴建前后路基數(shù)據(jù)進行了對比，如表1所示。

表1干線公路改擴建前后路基數(shù)據(jù)對比 單位：m

1.2地質(zhì)情況

該改擴建工程項目位于平原與丘陵交錯地帶，地表相對平坦，土層厚度普遍小于 10m 。然而，其沿線地形復雜多變，特別是某一區(qū)段，地勢起伏顯著，海拔高度差異較大，從最低點至最高點跨越了約 22m 的高度，形成明顯的北高南低斜坡地形[3]。另一特定區(qū)段則位于相對平緩的階地上，海拔差異較小，約在 14m 范圍內(nèi)波動。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果可知，項目區(qū)域內(nèi)地下水賦存特征復雜，含水巖組主要分為四大類：松散巖類孔隙含水巖組（包括山前沖洪積平原與山間盆地等不同區(qū)域）、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組以及巖漿巖類孔隙及裂隙含水巖組。地表覆蓋層以第四系土層為主，主要由素填土、雜填土及耕作土構(gòu)成，向下深入則依次揭露變質(zhì)巖、花崗巖、古生代寒武紀和奧陶紀的碳酸鹽巖，以及新生代的古近紀碎屑巖和第四系的疏松巖層，整體地質(zhì)構(gòu)造歸屬于華北地區(qū)某一大型地質(zhì)構(gòu)造單元。

2路基壓實狀態(tài)檢測

2.1 測量點布置

根據(jù)該干線公路在改擴建工程現(xiàn)場的實際情況，隨機挑選I、ⅡI、IⅢI等3個區(qū)域作為測試區(qū)，每個測試區(qū)均按照 3×3 的網(wǎng)格布局設置了9個測量點，分別命名為X1至X3、Y1至Y3以及Z1至Z3，其中X1、Y1、Z1測量點位于新鋪設的路基上，X2、Y2、Z2測量點位于新路與舊路路基的交接區(qū)域，X3、Y3、Z3測量點位于原有的老路基上。在豎直和水平方向上，相鄰的兩個測量點之間的距離均設定為 3m^[4] 。按照上述安排完成了現(xiàn)場3個測試區(qū)方位的確定和測量點的布置。現(xiàn)場測試區(qū)和測量點布置示意如圖1所示。

圖1現(xiàn)場測試區(qū)和測量點布置示意

2.2瑞雷波檢測機理及流程

2.2.1信號采集方法

對該干線公路改擴建工程進行檢測時，其野外數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)包括作為振源的重錘、振動感應裝置、信號記錄設備以及計算機上的數(shù)據(jù)采集與處理軟件等組成[5]。現(xiàn)場檢測儀器選用了PDS-IV型無線電面波測試儀，如圖2所示。

并通過透明膠帶將觸發(fā)傳感器牢固地粘貼于錘頭之上，以確保數(shù)據(jù)的同步采集，避免因時間延遲而產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺失問題。值得注意的是，錘頭質(zhì)量較大且其與鋼板的接觸面積較大，這就導致了接觸面的剛度相對較低。此外，墊塊需緊密貼合于土壤表層，墊塊面積對瑞雷波的采集效果具有顯著影響，因此墊塊面積不宜設計得過大。

2.2.2瑞雷波檢測原理

振源激發(fā)方式主要包括錘擊式、落體式及炸藥式等3種。從實際應用可行性的角度考慮，干線公路檢測中普遍采用錘擊式振源。該檢測選用了重達19磅的長柄錘，

瑞雷波（Rayleigh）由路基中的檢波器檢測，分為單道和多道。單道檢波器精度較低，適用于要求不高的檢測；多道檢波器分辨率較高，但橫向分辨率不足，常用于波速計算。多道檢波器常用計算方法有 f-k 變換法、TP 變換法、相移法等，分辨率受噪聲影響。 f-k 變換法是對信號進行一維傅里葉變換，以得到相位、振幅信息。

圖2現(xiàn)場使用的無線電面波測試儀

鑒于波長入與波數(shù) k 之間存在固有的倒數(shù)關(guān)系，即λ=1/k ，且速度 v 、波長入與頻率 f 之間滿足 V=λf ，可以推導出 v=fk ，從而實現(xiàn)頻散曲線在兩個不同域之間的轉(zhuǎn)換。 f-k 變換法不僅理論依據(jù)直觀明了，而且在生成面波能量分布圖時具有較高的準確性，同時其對最小偏移距沒有特定要求。

瞬態(tài)瑞雷波由多種頻率成分組成，在分層介質(zhì)中，這些不同頻率的瑞雷波來自不同的地層。簡而言之，頻散現(xiàn)象指的是瑞雷波在地層中傳播時，不同頻率成分的傳播速度存在差異，進而導致地震波形在不同位置發(fā)生變化。因此，頻散數(shù)據(jù)包含了豐富的土壤物理性質(zhì)信息。

為了確保檢測結(jié)果的準確性并減少誤差，所有實驗均采用了一次波數(shù)域技術(shù)[6]。該技術(shù)涉及將激勵源和足夠數(shù)量的測量點沿同一水平方向直線排列，利用面波測試儀記錄每個測量點的信號，并對多道信號執(zhí)行二維傅立葉變換，將時域和空域上的響應轉(zhuǎn)換為波數(shù)頻域，從而提取出頻散信息。

2.2.3確定采集參數(shù)

結(jié)合檢測現(xiàn)場的實際情況選定采集參數(shù)，其中包括：采樣道數(shù)為12道；面波測試儀頻率為 100～200Hz ，觸發(fā)方式為外觸發(fā)；激振設備選用鐵錘和配套錘墊；道間距設置為 ；偏移距離設置為 2m 。現(xiàn)場檢測探頭布置如圖3所示。

圖3現(xiàn)場檢測探頭布置

3加寬路基不同深度的壓實度分析

3.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

在正式檢測完成后，為了評估路基壓實狀態(tài)的均勻

性和變異性，要利用下列公式對大量檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析：

式中： 為均值， n 為測量點數(shù)量， X_i 為各個測量點的檢測數(shù)據(jù)， σ 表示標準差。完成當前測量點的檢測后，按照預定方案移動至下一個測量點，重復上述檢測步驟。所有測量點檢測和統(tǒng)計分析完成后，對采集的數(shù)據(jù)進行分類整理和存儲。

3.2檢測結(jié)果分析

在完成現(xiàn)場檢測后，將檢測結(jié)果中的各測量點加寬路基不同深度的壓實度等檢測數(shù)據(jù)記錄進行整理，得出加寬路基不同深度的檢測結(jié)果如表2所示。由表2可知，各測點在不同深度下的壓實度普遍較高，均在 95% 以上，符合公路路基壓實度要求。隨著深度的增加，壓實度呈現(xiàn)出一定的波動，但整體上并未出現(xiàn)明顯的下降趨勢，這說明路基的壓實施工在各個深度上都得到了較好控制。

表2加寬路基不同深度的檢測結(jié)果

瞬態(tài)瑞雷波速是反映路基材料剛度和密實度的一個重要參數(shù)。從表2中可知，隨著壓實度的提高，瞬態(tài)瑞雷波速也相應增加，這符合一般規(guī)律。由此得出該段公路路基的施工質(zhì)量控制較好，壓實度和瞬態(tài)瑞雷波速均達到了較高水平。

通過各測點在不同深度下的壓實度和瞬態(tài)瑞雷波速的對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，即壓實度越高，波速也相應越快。這進一步驗證了瞬態(tài)瑞雷波速作為評估路基壓實狀態(tài)的有效性和可行性。

4檢測質(zhì)量保障措施

4.1檢測前質(zhì)量保障措施

在現(xiàn)場檢測之前，要根據(jù)設計圖紙、施工記錄和地質(zhì)勘察報告，將待檢測的路段劃分為若干個測試區(qū)。每個測試區(qū)的大小根據(jù)工程規(guī)模、路基類型以及設計要求確定。在每個測區(qū)內(nèi)，按照既定的網(wǎng)格狀或隨機抽樣方式布置測量點。

測量點的選擇應盡可能覆蓋不同地質(zhì)條件、不同施工段落和關(guān)鍵部位，以保證檢測結(jié)果的全面性和代表性。要對檢測設備進行自檢，確保檢測設備的狀態(tài)良好，無故障報警。在測區(qū)內(nèi)選取少量測點進行試測，比對測試結(jié)果與預期值，驗證檢測方法的可行性和準確性。

4.2檢測中質(zhì)量保障措施

在正式測試過程中，對于使用落錘彎沉儀等方法，操作員要按照設定的參數(shù)進行錘擊測試。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄測試過程中的錘擊次數(shù)、彎沉值、振動加速度等各項參數(shù)。若檢測過程中發(fā)現(xiàn)信號質(zhì)量不佳，應立即停止測試，檢查探頭、電纜連接及設備狀態(tài)，排除故障后重新測試。若信號質(zhì)量良好，則繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)，確保每個測量點都有完整、準確的檢測記錄

5結(jié)束語

綜上所述，干線公路改擴建工程路基壓實狀態(tài)檢測技術(shù)的研究，不僅是對傳統(tǒng)檢測方法的改進，更是提升我國公路基礎(chǔ)設施建設質(zhì)量、保障交通安全、促進經(jīng)濟社會發(fā)展的重要途徑。應用瞬態(tài)瑞雷波新型路基壓實檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對路基壓實狀態(tài)的實時監(jiān)測與精準評估，為施工過程中的質(zhì)量控制提供及時反饋，可有效避免因壓實不足或過度壓實導致的工程質(zhì)量問題。隨著材料科學、信息技術(shù)以及人工智能領(lǐng)域的不斷進步，路基壓實檢測技術(shù)將持續(xù)向更高精度、更強智能化、更廣應用場景的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]安再展，蔡德鉤，葉陽升，等.基于連續(xù)檢測的高速鐵路路基壓實質(zhì)量控制方法[J].鐵道建筑，2024(2):13-19.

[2]王海林，張富奎，劉佳.基于不同填料類型的路基壓實質(zhì)量快速評價方法[J].公路，2024，69(1):71-74.

[3]粟欣，徐鋒，董桓民，等.針對填料變異特征的連續(xù)壓實檢測指標優(yōu)化研究[J].鐵道科學與工程學報，2023，20(9):3331-3340.

[4]張榮華，王育杰，葡偉，等.大厚度粗粒土路基智能壓實質(zhì)量控制標準研究[J].公路，2023，68(4):1-9.

[5]黃曉鑾，李卓峰.基于AHP-灰色關(guān)聯(lián)度法的路基智能壓實質(zhì)量評價[J].華南師范大學學報（自然科學版），2024，56(3):40-49.

[6]葉陽升，蔡德鉤，安再展，等.基于機-土耦合模型的鐵路路基連續(xù)壓實質(zhì)量控制方法[J].鐵道學報，2024，46(3):1-10.