波动检测技术在大粒径填石路基压实质量检测中的应用

李 霞，朱根桥

(1.重庆交通大学河海学院，重庆400074;2.招商局交通科研设计院有限公司，重庆400067)

随着我国经济建设的高速发展，高速公路建设的日新月异，在山区及丘陵地区的高速公路建设中，经常遇到大量的土石混填填筑路基甚至是纯石料填筑路基。公路路基填筑质量的好坏直接影响路堤的沉降变形和稳定性，因此，在施工过程中必须严格控制填筑路基的压实质量。填石路基因其填料石质坚硬，粒径大小不一，采用土质路基压实度控制技术难以实施。目前，系统研究高速公路填石路基问题的不多，过去的一些研究，主要集中在高速公路填石路基的施工工艺方面，而对于高速公路填石路基的现场质量控制和快速检测方法研究较少［1-4］。

我国公路路基压实度检测的传统方法主要有灌砂法、灌水法、核子密度仪法、环刀法等，这些方法仅仅适用于填料粒径小，厚度较薄的土质路基现场压实度检测。对于填石路基，由于填料粒径极其变化都很大，从而使得采用现有的压实度测试方法受到很大的限制。随着岩土动力学研究的不断深入，波动测试技术因具有测试距离大、操作简单、成本低廉、可在施工中实时监测等特点而在岩土工程中得到广泛的应用［5］。国内学者杨成林［6］在20世纪80年代就进行了瞬态瑞利波测试路基压实度的研究。而后顾汉明［7］用瞬态瑞利波反演横波速度来路基评价压实效果;赵明阶［8］通过研究多相土石复合介质的波动传播特性，得到了土石混填路基压实度和波速的关系。总之，波动测试技术在评价高速公路路基压实质量方面已经较为成熟，但是对于纯填石路基的波动检测技术研究还较少。

笔者通过对填石路基现场进行波动测试，分析填石路基的波速大小，并通过灌水法试验获得对应工点的干密度，研究了现场波速指标和干密度及孔隙度的对应关系。

1 波动测试基本原理

1.1 层状介质波动传播特性

均匀介质或分层介质在点或面振源作用下，表面波场包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV波衰减快于瑞利波，当距振源一定距离表面波场以瑞利波为主。在大多数情况下，瑞利波能量集中在一个波长深度范围内，频率越低，波长越大，影响深度越深。在剖面参数(剪切波速、密度、泊松比)不同分层状态下，随着波长的增加，瑞利波穿越的层数也增加，瑞利波传播速度发生变化，瑞利波传播出现频散现象，即瑞利波传播速度随频率(或波长)的变化。频散曲线的变化与分层参数、分层厚度等有关，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。在均匀介质中，瑞利波的传播速度与介质的剪切波速间的关系为［9］:

式中:cR，cs，ν分别表示瑞利波速，剪切波速及泊松比。根据泊松比大小，cR=(0.90～0.95)cs。

1.2 互谱分析理论

互谱分析，顾名思义就是对2道信号作互相关分析，由不同频率成份面波在2测点间相位差得到面波相速度随波长或频率的变化。互谱分析一般采用共中心布置，振源与最近测点距离与测点距相等，见图1。

图1 互谱分析测点布置Fig.1 Test points arrangement of cross-spectrum analysis

互谱分析过程如下:

1)首先根据采集的测点1、2的2组信号计算自功率谱估计及互功率谱估计，计算方法如下:

γ2(f)≤1，相干值越大，表示信号来自同一振源的可能性越高，两测点相干程度差的频率点应丢弃。

3)将折叠相位差φw(f)展开得到实际相位差φ(f)，由实际相位差计算波在测点间时间延迟:

4)由测点距和时间延迟得到相速度

2 现场波动数据采集及数据分析

2.1 填石路基工程概述

广州—乐昌高速公路北起韶关乐昌市坪石镇，向南经大瑶山、乐昌、曲江、英德、花都，终于广州市花都区花山镇，路线全长约260 km。路线经过粤北山区，大部分挖方路段为石质挖方。从挖方材料上看，石灰岩、花岗岩以及部分砂岩强度高，在广乐高速公路路基开挖材料中占有相当大的比例。这部分岩体开挖后岩石块体大，且破碎困难，是广乐高速公路和其他山区高速公路填石路堤施工中的难点和重点。

2.2 现场波动测试

本次面波测试采用RSM-24FD浮点工程动测仪。现场波动测试首先要进行波动测试参数的确定，波动测试参数主要包括:测点布置方式、道间距、偏移距、振源、传感器、采样时间、采样长度、滤波频率、敲击方式等［10］。分析软件采用该仪器配套的面波分析软件。

填石路堤采用100 cm的层厚进行冲击碾压压实，波动测试采用共中心线法进行采样，测点布置如图2，取道间距和偏移距均为1 m，每次测试进行正、反向敲击，对信号进行平均叠加。

图2 现场波动测试Fig.2 In-situ wave testing

2.3 数据分析处理

利用瞬态瑞利波分析程序进行数据处理，为提高瞬态瑞利波相位差波谱分析精度，须采用如下措施:

1)通过细化技术可以改善折迭相位差曲线和测试精度;

2)瑞利波相速度计算与该频率的瑞利波能量有关，降低激振频率有利于低频瑞利波相速度计算;

3)零线飘移、反射的P波、SV波、R波都会使相速度出现扰动，测试信号基线必须校零，按照“切头去尾”来消除反射杂波干扰(图3)。

图3 实测信号Fig.3 Practical signal

4)如出现测试精度较差的情况，可增加测点道距以改善低频瑞利波的相速度计算精度。

通过以上基本措施的实施，选取图3中的两条测试信号进行互相关分析，结果见图4。

图4 实测信号分析Fig.4 Analysis of practical signal

按照以上测试和数据处理方法，得到20个工点的波速，为了寻求波速指标和填料干密度及孔隙度的对应关系，对着20个工点同时进行挖坑灌水试验，测得各点的波速、干密度及孔隙度如表1。

表1 测点横波波速、孔隙度及干密度值Tab.1 Shear wave speed，porosity and dry density in testing points

3 结果分析

根据表1中的数据拟合干密度和横波波速，孔隙度和横波波速的关系式。

干密度和横波波速呈近似乘幂关系:

孔隙度和横波波速呈近似线性关系:

图5、图6为现场挖坑法测点干密度、孔隙度和面波测试的横波波速的相关关系图。

即，现场干密度和横波波速的关系为:

相关系数:

孔隙度和横波波速的关系为:

相关系数:

4 结论

瑞利波检测路基压实质量是一种无损原位测试法，该方法理论成熟，仪器设备轻便，可操作性强，检测速度快，可大大提高公路路基压实检测的效率。尤其对于土石混填及填石路基的压实质量检测及监测有着传统方法无可比拟的优势。主要结论如下:

1)通过现场面波测试得到的横波波速和传统挖坑法的结果进行拟合分析，表明面波测试数据稳定性好，结果可靠，而且能够综合反映整个断面压实情况，总而言之，瑞利波测试技术能够很好的解决填石路基压实质量检测和监测困难的问题，具有工程推广的价值。

2)填石路基的孔隙度和横波波速具有良好的线性相关性，干密度和横波波速具有良好的幂函数关系。

3)笔者只是对填石路基的面波检测技术进行了初步的探讨，为了是面波检测技术在填石路基检测上得到更好的应用，应该改从理论上进一步研究波速和填石路基干密度及孔隙度之间的关系。

［1］吕文臣.高速公路填石路基质量控制及检测方法应用研究［J］.公路交通科技，2007，22(8):60-61.LV Wen-chen.The application research of the quality control and detection method of the rock-filled subgrade in the freeway engineering［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，22(8):60-61.

［2］张金柱，宋忠平，张文，等.填石路基施工质量控制［J］.路基工程，1999(4):4-5.ZHANG Jin-zhu，SONG Zhong-ping，ZHANG Wen，et al.The quality control of the construction of the rock-filled subgrade［J］.Subgrade Engineering，1999(4):4-5.

［3］程睿.填石路基施工质量控制现场试验研究［J］.中国水运，2009，11(9):1-2.CHENG Rui.The field test study of the quality control of the rockfilled subgrade［J］.China Water Transport，2009，11(9):1-2.

［4］余超，闾开军.填石路基试验段施工技术［J］.中南公路工程，2001，26(1):21-23.YU Chao，LV Kai-jun.The construction rechnique of the test section of the rock-filled［J］.Central South Highway Engineering，2001，26(1):21-23.

［5］韦刚，赵明阶，黄卫东，等.土石路堤模型试验及压实度的波动测试［J］.重庆交通学院学报，2004，23(4):49-53.WEI Gang，ZHAO Ming-jie，HUANG Wei-dong，et al.Soil-stone embankment models and wave testing of compaction degree［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，23(4):49-53.

［6］杨成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地质出版社，1993.

［7］顾汉明，宋先海.用瞬态瑞雷波反演横波速度评价高速公路压碾效果［J］.地质科技情报，2001，20(2):100-102.GU Han-ming，SONG Xian-hai.Evaluation of the effect of compacting highway surface using shear velocity inversed by instantaneous rayleigh wave［J］.Geological Science and Technology Information，2001，20(2):100-102.

［8］赵明阶，黄卫东，韦刚.公路土石混填路基压实度波动检测技术及应用［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［9］杨全保，张昊，王云泉.瑞利波弥散特性及在高速公路测试中的应用研究［J］.长江科学院院报，2004，21(4):25-27.YANG Quan-bao，ZHANG Hao，WANG Yun-quan. Rayleigh wave’s dispersion properties and its application in highway tests［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004，21(4):25-27.

［10］陈龙珠，严细水，宋春雨.面波法检测地基波速中振源与测点的布置方法［J］.工程力学，2003，20(5):174-179.CHEN Long-zhu，YAN Xi-shui，SONG Chun-yu.An arrangement of excitation and transducers in surface wave measurement［J］.Engineering Mechanics，2003，20(5):174-179.