波動檢測技術(shù)在大粒徑填石路基壓實質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

李 霞，朱根橋

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

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，高速公路建設(shè)的日新月異，在山區(qū)及丘陵地區(qū)的高速公路建設(shè)中，經(jīng)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(zhì)量的好壞直接影響路堤的沉降變形和穩(wěn)定性，因此，在施工過程中必須嚴格控制填筑路基的壓實質(zhì)量。填石路基因其填料石質(zhì)堅硬，粒徑大小不一，采用土質(zhì)路基壓實度控制技術(shù)難以實施。目前，系統(tǒng)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(xiàn)場質(zhì)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(tǒng)方法主要有灌砂法、灌水法、核子密度儀法、環(huán)刀法等，這些方法僅僅適用于填料粒徑小，厚度較薄的土質(zhì)路基現(xiàn)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(xiàn)有的壓實度測試方法受到很大的限制。隨著巖土動力學(xué)研究的不斷深入，波動測試技術(shù)因具有測試距離大、操作簡單、成本低廉、可在施工中實時監(jiān)測等特點而在巖土工程中得到廣泛的應(yīng)用［5］。國內(nèi)學(xué)者楊成林［6］在20世紀80年代就進行了瞬態(tài)瑞利波測試路基壓實度的研究。而后顧漢明［7］用瞬態(tài)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(fù)合介質(zhì)的波動傳播特性，得到了土石混填路基壓實度和波速的關(guān)系?？傊?，波動測試技術(shù)在評價高速公路路基壓實質(zhì)量方面已經(jīng)較為成熟，但是對于純填石路基的波動檢測技術(shù)研究還較少。

筆者通過對填石路基現(xiàn)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(yīng)工點的干密度，研究了現(xiàn)場波速指標(biāo)和干密度及孔隙度的對應(yīng)關(guān)系。

1 波動測試基本原理

1.1 層狀介質(zhì)波動傳播特性

均勻介質(zhì)或分層介質(zhì)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(dāng)距振源一定距離表面波場以瑞利波為主。在大多數(shù)情況下，瑞利波能量集中在一個波長深度范圍內(nèi)，頻率越低，波長越大，影響深度越深。在剖面參數(shù)(剪切波速、密度、泊松比)不同分層狀態(tài)下，隨著波長的增加，瑞利波穿越的層數(shù)也增加，瑞利波傳播速度發(fā)生變化，瑞利波傳播出現(xiàn)頻散現(xiàn)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(shù)、分層厚度等有關(guān)，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(zhì)中，瑞利波的傳播速度與介質(zhì)的剪切波速間的關(guān)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(jù)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(guān)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(jù)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(yīng)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(xiàn)場波動數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析

2.1 填石路基工程概述

廣州—樂昌高速公路北起韶關(guān)樂昌市坪石鎮(zhèn)，向南經(jīng)大瑤山、樂昌、曲江、英德、花都，終于廣州市花都區(qū)花山鎮(zhèn)，路線全長約260 km。路線經(jīng)過粵北山區(qū)，大部分挖方路段為石質(zhì)挖方。從挖方材料上看，石灰?guī)r、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(dāng)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(qū)高速公路填石路堤施工中的難點和重點。

2.2 現(xiàn)場波動測試

本次面波測試采用RSM-24FD浮點工程動測儀?，F(xiàn)場波動測試首先要進行波動測試參數(shù)的確定，波動測試參數(shù)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(xiàn)場波動測試Fig.2 In-situ wave testing

2.3 數(shù)據(jù)分析處理

利用瞬態(tài)瑞利波分析程序進行數(shù)據(jù)處理，為提高瞬態(tài)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(shù)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(guān)，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(xiàn)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(xiàn)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(guān)分析，結(jié)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(shù)據(jù)處理方法，得到20個工點的波速，為了尋求波速指標(biāo)和填料干密度及孔隙度的對應(yīng)關(guān)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(jié)果分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)擬合干密度和橫波波速，孔隙度和橫波波速的關(guān)系式。

干密度和橫波波速呈近似乘冪關(guān)系:

孔隙度和橫波波速呈近似線性關(guān)系:

圖5、圖6為現(xiàn)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(guān)關(guān)系圖。

即，現(xiàn)場干密度和橫波波速的關(guān)系為:

相關(guān)系數(shù):

孔隙度和橫波波速的關(guān)系為:

相關(guān)系數(shù):

4 結(jié)論

瑞利波檢測路基壓實質(zhì)量是一種無損原位測試法，該方法理論成熟，儀器設(shè)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(zhì)量檢測及監(jiān)測有著傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)勢。主要結(jié)論如下:

1)通過現(xiàn)場面波測試得到的橫波波速和傳統(tǒng)挖坑法的結(jié)果進行擬合分析，表明面波測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，結(jié)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(shù)能夠很好的解決填石路基壓實質(zhì)量檢測和監(jiān)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(guān)性，干密度和橫波波速具有良好的冪函數(shù)關(guān)系。

3)筆者只是對填石路基的面波檢測技術(shù)進行了初步的探討，為了是面波檢測技術(shù)在填石路基檢測上得到更好的應(yīng)用，應(yīng)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(guān)系。

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