多道瞬态面波在路基填筑质量评价中的应用

何智杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

路基填筑质量检测的常用方法有地基系数K30、动态变形模量Evd和静态二次变形模量Ev2等，其中Evd和K30依据不同土类存在线性相关关系，此类方法属于过程检测控制的范畴，需要在路基填筑的过程中，针对每一层填料分别进行试验，却无法对既有线和新建线路中已经成形的路基进行整体质量评价。

路基填筑质量的后评价多采用工程物探的方法，其中地震面波法可通过测定面波速度值VR、速度等值线和频散曲线等参数，对基床、路基本体和基底进行整体评价，该方法不仅克服了常规检测中各点的孤立性，且有利于评价路基填筑的均匀性、碾压密实度、基底的换填处理质量等，从而达到有效界定不合格区域的里程及深度范围，判断路基整体填筑质量的目的。多道瞬态面波以排列的形式采集数据，相比常规面波检测，所采集的地层信息更加丰富和全面，具有简便、快速、经济、分辨率高、成果直观等特点，为路基填筑质量评价提供了有效的技术支撑。

1 面波法检测原理

运用面波法评价路基填筑质量主要取决于面波的两个特性:(1)面波在路基填筑的不同分层介质中具有频散性;(2)面波在路基的不同填料和不同压实区域中的传播速度不同。通过以上特性，不仅可直观看出路基的分层情况，而且可根据不同材料中的波速值求取相应填层的压实度，从而评价路基填筑效果。

在均匀半空间弹性分层介质中，结构表面在受到瞬态震动时分别产生横波(S波)、纵波(P波)和面波(R波)。面波是一种特殊的地震波，其主要集中在介质自由表面，并以逆转椭圆的形式在垂直平面内滚动传播，在单次激振中，纵波能量占全部能量的7%，横波占26%，而面波却占67%，因此，面波具有能量大、衰减速度慢、浅层分辨率高等特点。

在路基填筑质量检测中，随着路基填筑深度的增加，面波波速逐渐增大，而路基本体材料并非均匀，面波波速将伴随着软弱层的出现而降低。因此，在不同的填筑层中，面波发生频散现象，频散曲线呈现“之”字形形态变化。横波波速和面波波速之间存在以下关系

其中，VS为横波波速/(m/s)，VR为面波波速/(m/s)，G为剪切模量/MPa，ρ为介质密度/(kg/m3)，μ为地层的泊松比。对于第四系的地层而言，泊松比一般为0.3～0.4，因此对于常用的路基填料，可近似的认为VR=VS，从而可通过测定横波波速来求得面波波速。

2 工程概况

林歹至织金(新店)铁路为贵阳市域铁路的重要组成部分，全长27.94 km，设计时速120 km/h，全线共有桥梁 19座，隧道 5座，车站 2座，桥隧比例约为31.52%。

ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基地质概况为溶蚀低山地貌，地形起伏较大，岩层产状变化较大，节理裂隙发育，多呈闭合状。段内上覆第四系坡残积、坡洪积黏土，冲洪积砂及卵石土，下伏基岩为三叠系下统八匙椋(1a)茅草铺组(T1m)白云质灰岩夹白云岩。段内岩溶中等—强烈发育，地表多见溶洞塌陷、落水洞等，底下溶洞多为充填，局部为半填充和空洞，充填物为软塑状—流塑状黏性土混少量沙砾。段内不良地质主要为岩溶、顺层、偏压、断层破碎带、基坑突发性涌水等，特殊岩土为软土及松软土、膨胀土。填筑深度和填料情况如表1所示。

表1 ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑设计资料

3 现场检测工作

3.1 仪器设备及附件

根据ZD1K0+000～ZD1K0+180段路基填筑情况，本次检测采用瞬态面波的方法对路基填筑的整体质量进行探查和评价，仪器设备采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WZG－24A型工程地震仪、面波检波器(主频4 Hz)、数据传输电缆、大锤、激振锤垫、蓄电池电源、触发开关、测绳和面波分析软件等。面波检测仪器如图1所示。

图1 面波检测仪器示意

3.2 检测测线布置

在该双线铁路检测区域的左右线路中间分别布置1条测线，每10 m采集一个面波排列，震源采用18磅铁锤人工锤击激发的方式端点激发，偏移距7 m，均匀布置24个道间距为1 m的检波器，采样率0.5 ms，采样点数1 024，单条测线长度180 m，采用MASW多道面波法采集，探测深度约为基床表层以下20 m。

4 数据解释与验证

4.1 检测数据处理流程

(1)回放野外采集记录，对非正常道进行处理;

(2)数据格式转换;

(3)按照测线对记录进行组合，并建立观测系统;

(4)对数据进行二维空间互相关计算(SPAC);

(5)按照共中心点(CMP)抽道集;

(6)对各个道集记录进行τ－p变换，在F－V域拾取相速度曲线;

(7)按测线对频散曲线初始化，非线性最小二乘法进行反演;

(8)输出整条测线的波速剖面图，绘制出各个测点频散曲线成果图。

4.2 检测数据解释

根据各测点频散曲线所反映的面波波速情况，绘制ZD1K0+000～ZD1K0+180段左线面波速度等值线图(如图2所示)。整体上分析，在探测深度范围内，面波波速在230m/s以上的区域，面波波速等值线分布均匀性好，在填筑深度为2.2 m的ZD1K0+000～ZD1K0+090区段，面波波速范围为200～250 m/s，在ZD1K0+090～ZD1K0+180区段不同填筑深度范围内的面波波速范围为250～310 m/s，其中，ZD1K0+000～ZD1K0+075区段为低速区，填筑深度范围内面波波速在220 m/s以下(如图2中的虚线区域)。

图2 左线ZD1K0+000～ZD1K0+180面波速度等值线

ZD1K0+030、ZD1K0+050和 ZD1K0+070等处的存在低速极值点，其频散曲线分别如图3和图4所示。可见，在填筑深度范围内，ZD1K0+030处深度1.2～2.0 m和ZD1K0+070处深度1.5～2.0 m范围内存在换填区域，且该换填层压实效果较差。

图3 左线ZD1K0+030处频散曲线

4.3 现场开挖比对

根据对检测数据的分析和解释，分别对左线ZD1K0+030和ZD1K0+070两处进行开挖验证，开挖深度2 m，开挖结果如图5所示，可见，整体上路基填料级配不满足设计要求，在判定的低速区范围内，存在软弱夹层，表明路基实际填筑质量和现场检测判定结果吻合。

5 结论

(1)多道瞬态面波法检测路基填筑质量是行之有效的，相比常规Evd、Ev2和K30试验分层逐点检测的方法，其沿测线方向以多道检波器组成排列的形式进行整个检测剖面信息的连续采集和迭加，数据更连续，信息更丰富，结果更精确。

(2)该方法可对从基床表层到基底处理的路基整体填筑质量进行一次性的检测，检测成果涵盖沿线路方向的全断面路基情况，更适合路基填筑质量的大面积普查和路基深层缺陷的快速探查。

(3)不同地区地层特性存在差异性，因此在界定面波波速临界参考值时，需对现场不同填料的合格路基分别进行面波检测并提出有效值范围，现场无合格路基做参考时，可考虑对不同填料段路基进行动力触探试验，从而将面波速度和动力触探结果建立起数学模型，以获取不同分层条件下的面波速度范围信息，为合理解释检测数据提供准确依据。

图4 左线ZD1K0+070处频散曲线

图5 左线ZD1K0+030(左)和ZD1K0+070(右)处开挖验证结果

［1］JGJ/T 143—2004 多道瞬态面波勘察技术规程［S］

［2］李军．多道瞬态瑞雷波法在武广客专路基岩溶注浆检测中的应用［J］．铁道建筑技术，2008(增):475－478

［3］李青山，张献民，李红英．路基压实度的瞬态瑞雷波检测法［J］．河北工业大学学报，2003(10):27－30