瑞雷波檢測(cè)技術(shù)在高速公路橋頭病害檢測(cè)中的應(yīng)用

郭 湘

(湘潭市交通建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站，湖南湘潭 411100)

0 引言

高速公路橋頭路基由于緊鄰橋臺(tái)，大型壓實(shí)機(jī)具難以使用導(dǎo)致壓實(shí)度不滿足要求，另外，雨水沖刷、不均勻沉降等都容易使臺(tái)背產(chǎn)生病害，進(jìn)而導(dǎo)致搭板脫空、橋臺(tái)跳車等病害，特別是高填方橋臺(tái)、軟基橋臺(tái)，這種病害就更加容易產(chǎn)生［1］。

這類病害不管成因如何，其機(jī)理一般均為臺(tái)背填土沉降、脫空或路基填筑時(shí)壓實(shí)不均勻，導(dǎo)致臺(tái)背下產(chǎn)生不密實(shí)區(qū)，在雨水、路基自重等的作用下會(huì)使病害越來(lái)越嚴(yán)重，進(jìn)而影響行車舒適及行車安全，帶來(lái)安全隱患。目前對(duì)于病害的防治主要就在路基填筑時(shí)，選擇合適的壓實(shí)機(jī)具及填筑材料，避免壓實(shí)不均勻，消除填土的不密實(shí)區(qū)，或設(shè)計(jì)承載力更好的碎石樁基礎(chǔ)，但其造價(jià)較高;當(dāng)病害發(fā)生后，處治措施主要以注漿為主或進(jìn)行開(kāi)挖換填。病害發(fā)生均處于臺(tái)背填土內(nèi)部，如何確定病害(脫空、松散或不密實(shí)區(qū))的位置及大小是處治病害的前提條件。

瑞雷波法具有無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，操作方便、快捷，檢測(cè)結(jié)果滿足工程精度要求，是近年來(lái)工程檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的新方向［2］。本文利用瑞雷波法對(duì)橋頭路基病害進(jìn)行檢測(cè)，可較為精確的得出填土病害發(fā)生的區(qū)域，為注漿處治提供確切位置。注漿完成后，再次檢測(cè)，結(jié)果表明注漿效果良好，病害得到有效治理，說(shuō)明該檢測(cè)技術(shù)是可靠的。

1 瑞雷波檢測(cè)原理［3］

瑞雷波作為無(wú)損檢測(cè)法的一種，其具有檢測(cè)成本低、檢測(cè)過(guò)程方便、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，作為一種表面波，在空間半無(wú)限體中，其傳播能量主要在波長(zhǎng)的1/2范圍內(nèi)，在激發(fā)傳播源為點(diǎn)源時(shí)，瑞雷波的傳播隨著深度逐漸衰減，傳播介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，且逆時(shí)針進(jìn)行，水平振動(dòng)較豎直方向振動(dòng)慢。

在同一深度范圍內(nèi)，同一波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性可反映這一深度內(nèi)的傳播介質(zhì)水平方向上的變化情況，不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性可反映不同深度范圍內(nèi)傳播介質(zhì)豎直方向上的變化情況，文中進(jìn)行的瑞雷波檢測(cè)，可用傅氏變換公式將時(shí)域記錄轉(zhuǎn)換為頻域記錄，瑞雷波的傳播速度VRi可表示為:

VRi=2πfiΔx/ΔΦi(1)式中:fi為頻率;Δx為相鄰檢測(cè)通道的長(zhǎng)度;Δφi相鄰檢測(cè)通道上的檢波器記錄到的相移。

由上式，整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)，即NΔx內(nèi)，其平均波速應(yīng)為:

式中符號(hào)意義同式(1)。

本次采用的瞬態(tài)瑞雷波檢測(cè)主要利用兩檢測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)分析來(lái)得到其相位差φ(f)，再由相位差反推兩檢測(cè)點(diǎn)間瑞雷波的傳播時(shí)差:

再根據(jù)通道的距離D，即可得到相速度:

瑞雷波儀檢測(cè)，就是通過(guò)收集不同介質(zhì)內(nèi)瑞雷波的頻散曲線，得到橋頭路基范圍內(nèi)不同深度填土的剪切波波速，再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出不同波速對(duì)應(yīng)介質(zhì)的物理參數(shù)，以判斷其工程性質(zhì)，評(píng)價(jià)橋頭路基質(zhì)量。各參數(shù)計(jì)算公式如下［4］:

式中:vR為瑞雷波波速;μ為泊松比;vs為剪切波速度。

式中:Gd為地基的動(dòng)剪切模量;ρ為地基的質(zhì)量密度。

為了評(píng)價(jià)方便，有時(shí)也僅用瑞雷波儀對(duì)應(yīng)的波速作為判斷指標(biāo)，并將處治前后橋頭路基相同斷瑞雷波速的對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)處治效果。

2 瑞雷波法檢測(cè)實(shí)例分析

2.1 工程概況

高速公路總體線路呈南北走向，近北向南延伸，地勢(shì)總體為北低南高，位于丘陵崗地地形，路線穿越的地貌單元有丘陵高崗、丘間盆地、河谷階地等。路線區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，陽(yáng)光充足，雨量充沛，年平均降水量1552.1 mm，4～6月降水量約占全年降水量的50%，年平均降水日數(shù)為154d。第B3合同段，地形起伏較大，橋臺(tái)高度較高，且山間存在軟弱土層，厚度一般為1～3m，地表水、地下水較為豐富，不利于高填路基穩(wěn)定。

某橋N號(hào)臺(tái)(柱式橋臺(tái))填土高度14.3m，施工完成后，臺(tái)前及路基兩側(cè)明顯可見(jiàn)填料被水沖刷流失，路基頂部亦可發(fā)現(xiàn)有輕微的不均勻沉降，這種沉降同行車軌跡(施工車輛)有一致性，這可能是因?yàn)闃蚺_(tái)填土內(nèi)部不密實(shí)后，車載作用下產(chǎn)生的變形。針對(duì)該橋兩側(cè)橋頭搭板及路基出現(xiàn)的病害，進(jìn)行瑞雷波法檢測(cè)。

2.2 瑞雷波儀檢測(cè)步驟

為了準(zhǔn)確的檢測(cè)出橋頭路基不密實(shí)區(qū)(或沖刷區(qū))的范圍及位置，在橋頭處布置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)激發(fā)瑞雷波，檢測(cè)出測(cè)點(diǎn)下路基填土的頻散圖及云圖，分析得到整個(gè)填土范圍內(nèi)的波速等值線圖，從而判斷不密實(shí)區(qū)的幾何參數(shù)。具體檢測(cè)步驟如下:

1)在橋頭路基頂部(或搭板)，沿路線縱向、橫向分別布置檢測(cè)線，探頭布置間距為1m，呈線形布置，將連續(xù)布置的4個(gè)探頭作為一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，一個(gè)探測(cè)點(diǎn)為4m。檢測(cè)線布置如圖1所示。

圖1 瑞雷波檢測(cè)測(cè)線布置示意圖

2)瞬時(shí)激發(fā)點(diǎn)源瑞雷波。采用瞬時(shí)激發(fā)點(diǎn)源瑞雷波，一組激發(fā)2次，對(duì)采集的頻散數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，這樣可過(guò)濾干擾源對(duì)瑞雷波傳播的影響。如附近有較大干擾信號(hào)時(shí)，如車輛進(jìn)過(guò)等，應(yīng)暫停操作，待平穩(wěn)后再行檢測(cè)。

3)數(shù)據(jù)采集。瑞雷波檢測(cè)儀將采集到激發(fā)傳遞到橋臺(tái)填土中的瑞雷波波速的原始數(shù)據(jù)，檢測(cè)儀以頻散曲線行駛記錄并存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，用于后期分析。由瑞雷波傳播原理可知，在各向均質(zhì)的傳播介質(zhì)表面，瞬態(tài)瑞雷波將以同一波速進(jìn)行傳播，不隨振動(dòng)頻率不同而不同，其頻散曲線為在圖中(瑞雷波檢測(cè)儀)顯示為一條豎向直線;當(dāng)瑞雷波在多層性質(zhì)不同的介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，收集到的頻散曲線為發(fā)散狀態(tài)，頻散點(diǎn)的分布規(guī)律由傳播介質(zhì)的特性決定，不同介質(zhì)會(huì)有不同的頻率和傳播速度，收集到的其頻散曲線圖是一條波速隨深度而變化的曲線［4，5］。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

在對(duì)橋頭路基檢測(cè)前，選取3處本高速項(xiàng)目填方施工質(zhì)量(壓實(shí)度、填料性質(zhì)等)符合要求的段落進(jìn)行檢測(cè)，以得到不同壓實(shí)度情況下的波速，將3組檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后，可得不同壓實(shí)度區(qū)域?qū)?yīng)波速表［6，7］，如表1。考慮到不同路段填料性質(zhì)的差異以及施工工藝的差別，此數(shù)據(jù)僅作為參考用。

表1 試驗(yàn)路段不同壓實(shí)度下的對(duì)應(yīng)波速

對(duì)N號(hào)橋臺(tái)橋頭路基進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集采用重復(fù)檢測(cè)法，當(dāng)同一位置連續(xù)3次檢測(cè)的數(shù)據(jù)吻合時(shí)，進(jìn)行下一測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)，直至所布測(cè)點(diǎn)全部完成。對(duì)后期數(shù)據(jù)處理，采用提取頻散點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成波速，再將波速相同點(diǎn)連成曲線，可得波速等值線圖，如圖2所示，橫軸為路基縱橫方向上的距離，縱軸為路基頂面以下深度。

圖2 注漿處治前N號(hào)橋臺(tái)波速等值線圖

由圖2a)可知，路線橫向方向上，在路基中線右側(cè)5m處路基頂面以下3～6m，寬2m的范圍內(nèi)有波速異常低的區(qū)域出現(xiàn)，其大小為700～850m/s;路線縱向方向上，靠近橋臺(tái)背墻位置至大樁號(hào)方向上5m左右范圍內(nèi)，也有波速異常低的區(qū)域出現(xiàn)，其深度也為3～6m，這與橫向檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合。對(duì)比波速與材料之間的關(guān)系，初步判斷波速異常低的區(qū)域?yàn)椴幻軐?shí)區(qū)，并確定了不密實(shí)區(qū)域的空間位置及大小，為注漿處治提供了依據(jù)。

分析該處不密實(shí)填筑區(qū)域的原因，主要有以下幾種可能［8］:1)路基填料本身不符合技術(shù)要求，難以壓實(shí)，或?yàn)椴牧暇哂幸合薷摺⒂鏊浕忍匦?，在遇水作用下?dǎo)致不密實(shí);2)臺(tái)背填土區(qū)域工作面較小，大型壓實(shí)機(jī)具無(wú)法使用，采用小型機(jī)具或人工壓實(shí)，壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;3)由于建設(shè)工期較短，路基填土自身固結(jié)沉降未完成，在車輛荷載的作用下，工后沉降較大。

上述原因?qū)е碌牟幻軐?shí)區(qū)域均需進(jìn)行處治，以消除公路運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全隱患。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，可采用鉆孔注漿處治方式，以加強(qiáng)臺(tái)背路基強(qiáng)度。漿液采用水泥凈漿，水灰比為1∶1，根據(jù)瑞雷波儀檢測(cè)出的不密實(shí)區(qū)域大小，布置注漿鉆孔。

注漿完成后，待漿液與路基填料間的結(jié)合穩(wěn)定后，再進(jìn)行瑞雷波檢測(cè)，檢測(cè)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布置均同處治前，以觀察注漿處治效果。得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，繪制成波速等值線圖，如圖3所示。

圖3 注漿處治后N號(hào)橋臺(tái)波速等值線圖

將圖3與圖2對(duì)比可知:路線橫向方向上，在路基中線右側(cè)5m處路基頂面以下3～6m，寬2m的范圍內(nèi)異常低波速區(qū)已經(jīng)消失，該范圍的波速大致為1050～1350m/s;路線縱向方向上，異常低波速去也消失，此外，注漿影響范圍內(nèi)，波速均有不同程度增強(qiáng)，說(shuō)明注漿對(duì)橋頭路基的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性都有明顯的增強(qiáng)。

為了更直觀的說(shuō)明注漿對(duì)橋頭路基填料波速的影響，在路線橫向上選取4個(gè)特征點(diǎn)的注漿前后波速進(jìn)行對(duì)比分析，各分析點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(3，－1)，B(4，－2)，C(5，－3)，D(6，－4)，x坐標(biāo)代表橫向上離路基中線的距離，y坐標(biāo)代表搭板以下深度。各分析點(diǎn)波速對(duì)比及物理參數(shù)見(jiàn)表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，各分析點(diǎn)在注漿后，波速均有提高，其中C分析點(diǎn)提高幅度最大，達(dá)25.1%，A點(diǎn)提高幅度最小，為10.3%，整體來(lái)看，各分析點(diǎn)的波速、壓實(shí)度等指標(biāo)符合路基技術(shù)要求，說(shuō)明注漿加固達(dá)到了預(yù)期的處治效果，現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析。值得注意的是，注漿不僅對(duì)原不密實(shí)區(qū)進(jìn)行了有效的處治，且對(duì)注漿影響范圍內(nèi)的其他區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，整個(gè)橋頭路基在注漿處治后，路基穩(wěn)定性明顯得到提高。

表2 路線橫向各分析點(diǎn)注漿處治前后波速對(duì)比成果表

以上瑞雷波檢測(cè)分析實(shí)例表明，瑞雷波檢測(cè)可較為準(zhǔn)確的確定橋頭路基不密實(shí)區(qū)域的位置及大小，受到現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)不可避免的有干擾存在，但總體看僅對(duì)檢測(cè)路基體的表面有一定影響，對(duì)其下部一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)影響較小，檢測(cè)數(shù)據(jù)可作為工程判斷依據(jù)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)應(yīng)用瑞雷波法檢測(cè)橋頭路基病害實(shí)例，驗(yàn)證了其在公路檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)用性。

瑞雷波檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后得到的波速等值線圖能直觀的反映橋頭路基不密實(shí)區(qū)域，可較為準(zhǔn)確的判斷病害發(fā)生的范圍及嚴(yán)重程度，可為注漿處治提供必要的依據(jù)。處治后的檢測(cè)結(jié)果表明，注漿對(duì)處理橋頭路基的填料不密實(shí)病害有良好的效果，也進(jìn)一步驗(yàn)證了瑞雷波檢測(cè)技術(shù)在公路路基病害檢測(cè)中具有較高的可靠性。瑞雷波法作為無(wú)損檢測(cè)的一種，在工程檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

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