瑞雷波法在路基巖溶注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

孫家俊，盧 松，蘇有財

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司勘察設(shè)計分公司，四川成都 610000;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

早在1887年，Rayleigh發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性。20世紀50年代初人們又發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性，隨之開始了利用天然地震記錄中的瑞雷波探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，但受當時計算機技術(shù)的限制，研究所得的結(jié)果精度極低。直到70年代初，美國F.K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬態(tài)面波來研究淺部地質(zhì)問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發(fā)表相關(guān)研究成果，堪稱開創(chuàng)面波在工程地質(zhì)方面應(yīng)用之先河［1］。其后日本VIC株式會社利用穩(wěn)態(tài)面波法于80年代初推出了GR-810全自動地下勘測機，并開始在工程地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用，這種設(shè)備雖說設(shè)計原理比較先進可靠但卻由于笨重并且價格昂貴未能得到進一步推廣。

在國內(nèi)，對瑞雷波在各種不同介質(zhì)情況下的特性研究相對較晚。1994年，浙江大學(xué)夏唐代、吳世明［2］利用解析法和有限單元法研究了流體—固體介質(zhì)中瑞雷波頻散特性及位移分布規(guī)律，得到了流體—固體介質(zhì)中瑞雷波頻散特征方程和位移計算公式。1996年夏唐代、蔡袁強等［3］對各向異性成層地基中瑞雷波的頻散特性進行了研究;1998年陳龍珠、黃秋菊等［4］推導(dǎo)出了飽和地基中波的頻率特征方程，并由此分析了瑞雷波傳播速度和衰減系數(shù)隨振動頻率、土滲透系數(shù)等的變化規(guī)律;2001年凡友華、肖柏勛等［5］在柱坐標下，得出了層狀介質(zhì)中軸對稱柱面瑞雷面波的頻散函數(shù)。由于瑞雷波法具有更多的優(yōu)點，因此很快成為研究和應(yīng)用的主要方法。

1 瑞雷波探測原理

面波探測方法一般分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩種，這兩種方法的區(qū)別在于振源不同。瞬態(tài)法是在激振時產(chǎn)生一定頻率范圍的面波，并以復(fù)頻波的形式傳播;而穩(wěn)態(tài)法是在激振時產(chǎn)生相對單一頻率的面波，并以單一頻率波的形式傳播，本次檢測采用瞬態(tài)面波法，亦即落重法，用56磅大錘擊振。為了保證激發(fā)的質(zhì)量，采取的措施有:一是激發(fā)振源時落錘確保短促有力，避免有回振，而且盡量減小周圍環(huán)境中的振動影響;二是通過多次信號迭加功能，剔除干擾雜波。瞬態(tài)面波法的工作原理如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)面波法工作原理

對于瞬態(tài)面波勘探法，關(guān)鍵是激發(fā)所需范圍內(nèi)的瞬時激勵，采用相適應(yīng)的檢波器，利用地震儀將這些信號記錄下來。令波形時域函數(shù)為d(x，t)，以f-k法提取頻散曲線，即利用二維傅里葉變換(公式(1))波形時域函數(shù)將信號從時空域轉(zhuǎn)換到頻率波數(shù)域，計算出信號的頻譜，根據(jù)面波特性提取f-k函數(shù)，再根據(jù)公式(2)，(3)，將f-k轉(zhuǎn)換到VR-f空間，即把所有的峰值頻率及其對應(yīng)的相速度值連成線，獲取VR-f函數(shù)，得出地層層位深度與相速度值。

根據(jù)面波的相關(guān)特性，研究證明面波能量主要集中在地表下一個波長的范圍內(nèi)，而傳播速度代表著半個波長范圍內(nèi)介質(zhì)震動的平均傳播速度。因此，一般認為面波法的測試深度為半個波長。波長與速度及頻率的關(guān)系詳見公式(2)，(3)，(4)。

式中:D(ω，k)為頻率波數(shù)域函數(shù);k為波數(shù);VR為面波速度;ω為角速度;f為頻率;H為地層深度;λR為波長。

當速度不變時，頻率越低，測試深度就越大。面波法是利用面波的上述運動學(xué)特征和動力學(xué)特征來進行工程地質(zhì)勘察的物探方法。面波有3個與被測地層有關(guān)的主要特征:

1)在分層介質(zhì)中，面波具有頻散特性;

2)面波的波長不同，穿透深度也不同;

3)面波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

瞬態(tài)面波法檢測判定合格標準采用《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10035—2002)中的路基巖土體注漿質(zhì)量檢測標準(見表1)。

表1 巖溶注漿質(zhì)量定量評價標準［6］

2 工程概況

新建滬昆鐵路貴州段，地處云貴高原低山區(qū)地貌，路基主要以填方通過，路基中心填高＜7 m。覆蓋層為坡殘積紅黏土，具有弱膨脹性。下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)桐梓組白云巖，淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育。地下水埋深較大，地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，地表水入滲是本段巖溶地面塌陷的主要誘因。地表調(diào)查確認溶蝕破碎帶、溶洞等巖溶現(xiàn)象發(fā)育。依據(jù)綜合分析評價，設(shè)計單位對易塌陷區(qū)進行巖溶地面塌陷注漿加固，以“邊探邊灌，探灌結(jié)合”的原則，對路基巖溶整治效果進行檢測。

3 注漿效果探測

3.1 設(shè)備參數(shù)及測點布置

本次瞬態(tài)瑞雷波法采用中鐵西南科學(xué)研究院研制的SF12型多通道瞬態(tài)面波儀，配備專用4 Hz面波檢波器。該儀器采用最新的高速度、高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器，動態(tài)范圍為120 dB，采樣間隔為0.018～600.00 ms分擋可選，采樣點數(shù)1 024～16 384樣點分擋可調(diào)，通頻帶寬0.1～4 000 Hz，信號通道為24道接收。采用人工錘擊方式激振、外觸發(fā)、全通道接收方式。具體測試施工參數(shù)如表2。

測點分別沿各注漿整治段的左中線及右中線進行布設(shè)，測點間距為10 m;檢波器以測點為中心，向測點的兩端展布，展布方向則根據(jù)測區(qū)的地形、地質(zhì)及場地條件作適當調(diào)整，具體測線測點布設(shè)如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

本文針對路基DK604+370—DK604+512段的檢測中，瞬態(tài)瑞雷波法測點共18個，獲取18條頻散曲線(典型代表性原始記錄曲線見圖3)，由于所測瞬態(tài)面波VR反演地層結(jié)構(gòu)圖較多，現(xiàn)僅選取1個具有代表性的點作詳細解釋(見圖4)。

表2 瞬態(tài)瑞雷波法測試施工參數(shù)

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法測線布置

圖3 瞬態(tài)面波檢測典型原始記錄

圖4 檢測點DK604+390(左中線)頻散曲線反演圖

根據(jù)設(shè)計相關(guān)勘察資料以及現(xiàn)場注漿孔、探灌結(jié)合孔等成孔資料綜合分析，該檢測點位于DK604+390(左中線)里程處，結(jié)合電阻率測深剖面圖，上覆土層主要為雜填土，深度分布在0～－1.7 m;下伏主要為白云巖。由圖4分析:該檢測部位經(jīng)注漿加固后頻散曲線反演擬合度達0.94，反演效果較佳。淺層深度0～－1.7 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均為486 m/s，基本反映了上覆壓實雜填土的波速值，與該深度范圍內(nèi)判別標準綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常;－1.7～－4.2 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為421 m/s，基本反映了雜填土與下伏基巖的過渡帶，波速反映正常;－4.2～－13.3 m范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為559 m/s;－13.3 m以下深度范圍內(nèi)，反演地層速度平均值為831 m/s，明顯高于該深度范圍內(nèi)判別標準綜合所反映的波速值，表明該檢測點位注漿效果較理想，達到質(zhì)量合格要求。

圖5為DK640+370—DK640+500里程段路基基底相速度剖面圖。

圖5 DK640+370—DK640+500左中線反演相速度剖面

從圖5可以看出，該段路基分層較明顯，且由上至下，相速度值也由小變大，結(jié)合巖溶注漿質(zhì)量定量評價標準，均滿足各深度段所對應(yīng)相速度標準，表明該段路基注漿效果較好。

4 結(jié)語

瑞雷面波勘探方法作為一種勘探路基注漿質(zhì)量效果的手段具有操作方便、快速等特點，同時對測試場地及使用儀器比較寬松，目前已廣泛應(yīng)用于工程勘探及地基評估等領(lǐng)域。本文應(yīng)用瑞雷面波勘探對DK640+370—DK640+500里程段的注漿質(zhì)量效果檢測表明:①該里程段路基分層較明顯，隨深度的增加，相速度增大，由400 m/s增至860 m/s;②從單個頻散曲線反演圖來看，地層雜填土、風(fēng)化基巖、基巖三個區(qū)域的分界面較明顯，相速度差別較大;③采用瑞雷面波法檢測注漿質(zhì)量是一種較方便、效果較好的方法之一。

［1］CHANG F K，BALLARD R F.Rayleigh wave dispersion technique for rapid subsurface exploration［C］//第42 屆國際地球物理年會論文集.US Vicksburg，1973.

［2］夏唐代，吳世明.流體—固體介質(zhì)中瑞利波特性［J］.水利學(xué)報，1994，1(1):67-75.

［3］夏唐代，蔡袁強，吳世明，等.各向異性成層地基中Rayleigh波的彌散特性［J］.振動工程學(xué)報，1996，9(2):191-196.

［4］陳龍珠，黃秋菊，夏唐代.飽和地基中瑞利波的彌散特性［J］.巖土工程學(xué)報，1998，20(3):6-9.

［5］凡友華，肖柏勛，劉家琦.層狀介質(zhì)中軸對稱柱面瑞利面波頻散函數(shù)的計算［J］.地震工程與工程振動，2001，21(3):1-5.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2002 鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.