瑞利波检测技术在高速公路改扩建工程中的应用

徐晨鸣，周艳红

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；2.南京交通建设项目管理有限责任公司，江苏 南京 210008）

0 引言

高速公路路基路面在行车荷载、自然环境和施工质量等诸多因素作用下出现不同类型的病害。为了解病害产生的原因及其发展情况，有必要对这些病害进行现场调查与检测。传统的钻探取芯、开挖取样检测手段不但效率低、代表性差、成本高，而且具有破坏性。目前世界各国都在发展快速、高效、经济、简便的工程质量无损检测技术。近年来，我国高速公路建设发展迅速，公路工程质量检测技术也随之发展。

每一种检测手段有其不同的优点和缺陷，因此正确选择检测手段是非常有意义的。对于扩建工程来说，无破损检测技术已经成为检测原有路基路面工程质量的重要手段。

本文根据沪宁高速公路瑞利波检测数据，拟合波速与压实度对应关系式，并通过钻孔取样验证瑞利波检测结果的可靠性。

1 瑞利波原理简介

弹性波到达弹性、速度或密度不同的介质界面上时，会产生反射、折射现象，同时产生界面波，将沿自由方向表面传播的波称为表面波。其中质点在波的传播方向垂直平面内振动，质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆且振幅随深度呈指数急剧衰减，传播速度略小于横波。面波波长和波及深度、面波速度和剪切波速点状震源产生的球面波，将弹性能量向周边介质传递，在地表自由面上，受界面弹性条件的制约，产生沿地表传播的压缩波和CV型剪切波，叠合形成瑞利面波。它的传播规律，反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。瑞利波具有两种特性：a）瑞利波在分层介质中传播时具有频散性；b）瑞利波传播速度与介质的物理力学性质密切相关。利用此两种特性可进行高速公路路基工程质量无损检测。

1.1 路基结构层厚度的测试

应用瑞利波测定路基结构层的厚度是基于层状介质中瑞利波频散曲线的变化规律，它除与结构层的物理参数有关外，还与结构层厚度密切相关，尤其是频散曲线的拐点即（vR为瑞利波波速，λ为波长）的极值点，只与结构层厚度有关。各层的界面深度为：

式中，Hj为第j层底界面深度，m；β为系数，可取0.35～0.5；λj为极值点处对应的波长，m。

确定了各层的底界面的深度，即可计算处各层的厚度。

1.2 压实度测试

利用弹性波测定压实度k是基于速度与密度间存在的相关关系。根据此关系可以推导出的换算关系式为：

式中，vp、vR是与实际压相应的纵波实度达到密度ρ相应的纵波和瑞利波速度；vp0、vR0是与最大密度ρ0相应的纵波和瑞利波速度；B1、B2由统计分析求取。

瞬态瑞利波的测试是通过上述两种换算关系式确定所测试路段路基路面的质量参数，其换算仅仅是通过波速及波长来进行判断分析，换算较为简化明了，所得数据较为直观，通过一定资料的标定，可以达到较高的测试精度。

2 钻探取芯验证瑞利波结论

瑞利波检测结果显示：063+550~650波速为171.5m/s、 205.9m/s； 095+250~350波速为357.1m/s；226+360~460波速为193.3m/s、 189.8m/s和205.5m/s（见图1～图3）。

图1 063+550~650瑞利波速图

图2 095+250~350瑞利波速图

图3 226+360~460瑞利波速图

通过钻取沪宁高速公路不同部位路基孔，进行干密度、最大干密度和压实度等相关的土工试验。瑞利波波速与其对应数据详见表1。

表1 沪宁高速干密度、最大干密度、压实度、瑞压实度与瑞利波速统计表

3 瑞利波评价体系

理论及实验研究表明，瑞利面波波速与压实度之间存在如下关系：

通过对钻探所得到的Vr与K之间的关系进行回归分析得到关系式（见图4）：

图4 Vr与K回归分析示意图

根据压实度与波速标定的结果，提出以下评价标准：

a）波速小于180m/s的波速层路基质量定义为差；

b）波速在180～230m/s范围的波速层路基质量定义为次；

c）波速在230～330m/s范围的波速层路基质量定义为中；

d）波速在330～380m/s范围的波速层路基质量定义为良；

e）波速大于380m/s的波速层路基质量定义为优。

根据以上计算分析得出压实度、瑞利波速及优良等级对应范围（见表2）。

表2 压实度、瑞利波速等级对比表

4 结论

本文基于沪宁高速公路钻孔土工试验数据以及瑞利波检测资料，得出以下结论：

a）瑞利波检测技术系统是快速的、准确的和有效的；

b）利用沪宁高速公路扩建工程无损检测的数据与钻孔资料进行对比分析，证实了它们的可靠性；

c）瑞利波波速确立了高速公路路基路面质量指标与检测物理参数间直接或相关关系。

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