基于瑞雷波无损检测技术的湖堤大道拼宽路基质量评价研究

朱庆庆，张武巍，狄恩州，石妍茹

(1.中交路桥华北工程有限公司 北京市 101100； 2.山东交通学院 济南市 250300)

0 引言

路基是公路中承受行车荷载的主要结构，路基质量好坏直接影响到公路整体结构性能和行车舒适性、安全性，路基改扩建工程中易发生不均匀沉降病害。如何准确、快速地诊断路基性能，预测路基病害的发生，是道路工程界面临的重要课题。目前路基质量评价主要通过压实度检测，具体方法有灌砂法、环刀法、核子密度仪法等，其中灌砂法、环刀法属于破坏性现场试验，且费时费力，核子密度仪法会发射对人体有害的放射性物质。近年来，瑞雷波法因其检测时无损、便捷的优势也被越来越多地用到路基压实度的检测上来。瞬态瑞雷波法是一种浅层地震勘探方法，其利用瑞雷波在不同介质中传播的频散特性可以解决很多复杂的工程地质难题[1]。瑞雷波这一频散特性可用以对拼宽新老路基的密实度检测，获取不同深度不同位置路基的密实度分布情况，为路基进一步质量评价提供数据支撑[2]。

软地基的加固处理，就是通过不同的方法，如强夯、挤密置换、化学处理等，使软地基变“硬”。瑞利波法评价加固效果，是通过实测地基加固前后的波速差异，得到处理后的地基较处理前地基的物理力学性质的改善程度，同时可方便地对处理后场地在水平方向的均匀性做出评价，以及确定加固所影响的深度和范围[3]。

通过对瑞雷波设备改进，使其适用于公路检测，并形成一套完整瑞雷波法检测既有公路路基压实度的新方法，将大大提高既有路基状况无损检测效率，促进我国高等级公路路基检测及养护技术的发展[4]。

1 瑞雷波法检测技术原理

瑞雷波是一种在介质的自由界面附近传播的面波，其形成传播与介质物理特性有关。瑞雷波在空间传播时，其介质质点振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行。传统地震勘探中，表面波被视为一种强干扰波，需要想方设法消除[5]。实际上，瑞雷面波占总输入能量的 2/3，且衰减慢，携带足够多的地下信息。在均质半空间中，瑞雷波波速vR可近似表达为:

式中：vR为瑞雷波速；μ为剪切模量；vs为剪切波速。

可知瑞雷波波速与振动频率无关，即其具有非频散性，瑞雷波勘探直接成果就是瑞雷波波速或波长随频率的变化曲线[6]。由于瑞雷波波速表征的是其穿透深度范围内的地层平均速度，根据瑞雷波波速与穿透深度的关系，可得到瑞雷波波速与穿透深度的关系曲线，从而达到利用瑞雷波进行地质分层的目的[7]。

瞬态瑞雷波法测试原理如图1所示。选用合适大小的力锤在震源位置进行锤击激发信号， 通过对传感器拾取的时域信号进行综合分析后转换为频域信号，瑞雷波频率的不同所对应的波长也不同，其影响深度也不相同，反映的是介质在不同深度范围内的特性[8]。不同频率与波长的关系构成了测点位置的频散曲线，通过对频散曲线的分析，确定各分层介质的分层界面及对应的波速，再将瑞雷波速与分层介质的物理力学参数之间建立起相关关系，就可实现基于瑞雷波方法进行公路质量无损检测[9]。

图1 瑞雷波法检测示意图

2 工程现场试验方案设计

2.1 工程概况

环湖大道东线工程为《济宁市公路网规划》确定的“一环、六射、九纵、五横、九联”干线公路网中“纵八”线的重要组成部分，位于济宁太白湖新区、微山境内，全长 116.2km。根据水利部淮河水利委员会组织召开的《环湖大道东线工程防洪评价报告》咨询会专家意见， 同时结合沿线构造物及外侧房屋布设情况，环湖大道 K2+500～K3+700、K4+300～K5+800 段按堤外加宽方式进行设计，其中堤顶第二层弱膨胀性粘土厚度较大，如采用全断面开挖并掺灰改善则会导致社会影响较大，同时施工方案需经淮河水利委员会批复，实施难度较大。因此针对此类土质和湖堤防洪现状，路基处理拟采用加固土桩方案改良此类不良土质。路段路基清表主要位于湖滩内侧滩地，因存在多年淤积土，清表厚度按 30cm 计。当原地面纵坡大于 12%或横坡陡于 1∶5 时，进行挖台阶处理，台阶宽度应大于 2m，并设置成向内大于4%的坡度。翻挖原湖堤厚 1.44m(路面结构 64cm+路床处理厚度 80cm)后，沿新旧堤相接的边坡线开挖三级台阶，分别在老堤堤顶开挖面、边坡上的台阶、加宽侧的湖滩共计四个平台采用浆喷桩法处理，再采用素土逐层回填，然后采用分层冲击碾压处理。原湖堤路基浆喷桩桩长 7m，新建路基基底浆喷桩桩长 10m，等边三角形布置，间距 2m，桩径 0.5m。湖堤路基改扩建设计如图 2 所示。

图2 湖堤路基改扩建设计图

2.2 测试方案

现场测点布设如图 3 所示，测点采用网格化布置，间隔 2m 布设一个检测点，检测范围覆盖了新老路堤，以及复合地基加固区(路基边坡填筑之前完成检测)。拟通过测试获取不同深度范围土体压密效果。瑞雷波法检测路基参数设置见表1。

图3 测点布设示意图

表1 瑞雷波法检测路基参数设置

注：道间距指两测点之间距离，偏移距指振源距最近测点的距离。

2.3 瑞雷波采集分析设备

本次试验现场采集分析工作主要包括重锤即震源、拾振器、信号采集仪、计算机采集及分析软件组成。

常见的震源激发方式有锤击震源、落重震源和炸药震源，考虑方式的可实现性，对于高速公路一般采用锤击震源，本次试验选用 19 磅重长柄铁锤，用透明胶带将触发传感器与铁锤紧密粘结，避免仪器因时间差而漏采信号。锤重越大，会使锤子与钢垫接触面越大，接触面刚度越小，接触面刚度可以通过改变钢垫来达到所需的要求，本次试验锤垫采用钢垫提高激振频率，尺寸为 25cm×30cm×2cm。垫块需与土面接触牢固，由于垫块面积大小会影响瑞雷波，因此，垫块面积不宜太大。

本次试验所用分析软件是由武汉岩土星的表面波分析软件 SWCT。

2.4 现场测试流程

根据现场实际情况，选定主要采集参数如表 2 所示。现场测试流程如图4所示。

表2 主要采集参数表

图4 现场测试流程图

3 测试数据分析

检测区域共分十七层填筑，每层层厚为 20cm，有效路基分析深度位 0～8m。图5分别为利用 Surfer 15 软件处理后的检测区的新填筑路基速度剖面图，新旧路基交界处速度剖面图，河底老路基速度剖面图。

图5 新路基、新老路基交界处、老路基波速剖面速度图

由图5分析可得：在该检测区路基深度 0～8m 范围内，波速均在 150～1500m/s范围内，没有明显的凹凸点，说明波速变化较稳定，且土的场地类型一致，VR(瑞雷波速)>500，故属于坚硬场地土。新路基、拼宽段路基、老路基测点波速变化幅度依次减小， 由于老路基已通车运营多年，故老路基上的测点波速变化最平稳。分析波速变化得出，三种路基填筑状况差异不大。但在三种路基中，老路基填筑状况与拼宽路基、新路基的填筑状况比较而言，老路基填筑状况、填筑材料均匀程度和密实程度仍具有优越性。

将现场测得三种路基的波速取其均值绘制折线图如图6所示。

图6 路基波速—深度曲线图

从图 6 中可以看出，新路基和拼宽段路基变化趋势接近，存在拐点，波速呈现“增加—减小—增加”的变化趋势，深度 1～2m 处存在部分低速拐点，但属于正常范围内；老路基曲线较光滑，自始至终波速随深度呈增大趋势，其波速值不存在明显离散点和拐点，与新路基和拼宽段路基相比，变化范围较小，老路基整体均匀性、密实性良好，也与其运营通车多年实际情况相一致；拼宽段路基曲线连续性良好，变化程度在三者之间最大，在 3m 范围内其波速值与新路基十分接近，3m往下范围内波速明显增大，考虑是因位于新老路基搭接处，既有老路基又有新路基，在开挖台阶填筑时，上部新路基居多，下部老路基居多，运营通车多年老路基密实性好，故更深处路基波速明显增大，没有出现波速离散，说明填筑状况良好。

4 影响因素分析

在现场测试过程中，可能影响瑞雷波检测精度的因素如下：

(1)震源的激震频率的影响

(2)空间采样率的影响

采用瞬态瑞雷波法测得而采取的频散曲线，频散特征反映的是两个测点之间介质的平均效应。空间采样率越小，横向分辨率越高，即对介质横向变化特征刻画越仔细。道间距的设置应该尽可能满足要求，再根据现场测试效果进行细微调整。

(3)时间采样率的影响

在路基一定深度范围内，相速度的变化范围也是相对固定的。频散曲线散点分布情况非常不均匀是因为瑞雷波的频率范围变化较大，可能从单个赫兹到数百赫兹。但在低频范围到高频范围散点分布从稀疏到密集，因此需选择合适的采样频率。

(4)多道接收时道一致性的影响

采集到真实的记录只有在相邻道拾振器采集的信号有较好的一致性才存在可能性，因此要对检波器进行振幅和相位一致性检验是十分有必要的。

(5)检波器与地面耦合情况的影响

在现场测试中，检波器与测点附近地表面的耦合作用与其所拾取的原始信号真实性还原度呈正相关，为后续分析的精度保证了前提。

5 结论

基于瑞雷波法的基本原理设计试验方案，进行现场试验后，利用fk变换法分析频散曲线，对新路基、老路基、拼宽段路基沿行车方向和垂直于行车方向进行路基填筑质量分析。对比分析深度—波速剖面图得出，新路基、老路基、拼宽段路基填筑状况差异不大。依据数据建立路基波速―深度关系曲线，分析得出拼宽段路基大于3m范围内波速明显增大，考虑是因位于新老路基搭接处，既有老路基又有新路基导致的波速增大。