瑞雷波检测技术在高速公路桥头病害检测中的应用

郭 湘

(湘潭市交通建设质量监督站，湖南湘潭 411100)

0 引言

高速公路桥头路基由于紧邻桥台，大型压实机具难以使用导致压实度不满足要求，另外，雨水冲刷、不均匀沉降等都容易使台背产生病害，进而导致搭板脱空、桥台跳车等病害，特别是高填方桥台、软基桥台，这种病害就更加容易产生［1］。

这类病害不管成因如何，其机理一般均为台背填土沉降、脱空或路基填筑时压实不均匀，导致台背下产生不密实区，在雨水、路基自重等的作用下会使病害越来越严重，进而影响行车舒适及行车安全，带来安全隐患。目前对于病害的防治主要就在路基填筑时，选择合适的压实机具及填筑材料，避免压实不均匀，消除填土的不密实区，或设计承载力更好的碎石桩基础，但其造价较高;当病害发生后，处治措施主要以注浆为主或进行开挖换填。病害发生均处于台背填土内部，如何确定病害(脱空、松散或不密实区)的位置及大小是处治病害的前提条件。

瑞雷波法具有无损检测的特点，操作方便、快捷，检测结果满足工程精度要求，是近年来工程检测技术发展的新方向［2］。本文利用瑞雷波法对桥头路基病害进行检测，可较为精确的得出填土病害发生的区域，为注浆处治提供确切位置。注浆完成后，再次检测，结果表明注浆效果良好，病害得到有效治理，说明该检测技术是可靠的。

1 瑞雷波检测原理［3］

瑞雷波作为无损检测法的一种，其具有检测成本低、检测过程方便、检测效率高等特点，作为一种表面波，在空间半无限体中，其传播能量主要在波长的1/2范围内，在激发传播源为点源时，瑞雷波的传播随着深度逐渐衰减，传播介质中的质点运动轨迹为椭圆形，且逆时针进行，水平振动较竖直方向振动慢。

在同一深度范围内，同一波长的瑞雷波的传播特性可反映这一深度内的传播介质水平方向上的变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性可反映不同深度范围内传播介质竖直方向上的变化情况，文中进行的瑞雷波检测，可用傅氏变换公式将时域记录转换为频域记录，瑞雷波的传播速度VRi可表示为:

VRi=2πfiΔx/ΔΦi(1)式中:fi为频率;Δx为相邻检测通道的长度;Δφi相邻检测通道上的检波器记录到的相移。

由上式，整个检测范围内，即NΔx内，其平均波速应为:

式中符号意义同式(1)。

本次采用的瞬态瑞雷波检测主要利用两检测点之间的相关分析来得到其相位差φ(f)，再由相位差反推两检测点间瑞雷波的传播时差:

再根据通道的距离D，即可得到相速度:

瑞雷波仪检测，就是通过收集不同介质内瑞雷波的频散曲线，得到桥头路基范围内不同深度填土的剪切波波速，再通过经验公式计算出不同波速对应介质的物理参数，以判断其工程性质，评价桥头路基质量。各参数计算公式如下［4］:

式中:vR为瑞雷波波速;μ为泊松比;vs为剪切波速度。

式中:Gd为地基的动剪切模量;ρ为地基的质量密度。

为了评价方便，有时也仅用瑞雷波仪对应的波速作为判断指标，并将处治前后桥头路基相同断瑞雷波速的对比来评价处治效果。

2 瑞雷波法检测实例分析

2.1 工程概况

高速公路总体线路呈南北走向，近北向南延伸，地势总体为北低南高，位于丘陵岗地地形，路线穿越的地貌单元有丘陵高岗、丘间盆地、河谷阶地等。路线区域属于亚热带季风气候区，气候温和，四季分明，阳光充足，雨量充沛，年平均降水量1552.1 mm，4～6月降水量约占全年降水量的50%，年平均降水日数为154d。第B3合同段，地形起伏较大，桥台高度较高，且山间存在软弱土层，厚度一般为1～3m，地表水、地下水较为丰富，不利于高填路基稳定。

某桥N号台(柱式桥台)填土高度14.3m，施工完成后，台前及路基两侧明显可见填料被水冲刷流失，路基顶部亦可发现有轻微的不均匀沉降，这种沉降同行车轨迹(施工车辆)有一致性，这可能是因为桥台填土内部不密实后，车载作用下产生的变形。针对该桥两侧桥头搭板及路基出现的病害，进行瑞雷波法检测。

2.2 瑞雷波仪检测步骤

为了准确的检测出桥头路基不密实区(或冲刷区)的范围及位置，在桥头处布置测点，通过激发瑞雷波，检测出测点下路基填土的频散图及云图，分析得到整个填土范围内的波速等值线图，从而判断不密实区的几何参数。具体检测步骤如下:

1)在桥头路基顶部(或搭板)，沿路线纵向、横向分别布置检测线，探头布置间距为1m，呈线形布置，将连续布置的4个探头作为一个探测点，一个探测点为4m。检测线布置如图1所示。

图1 瑞雷波检测测线布置示意图

2)瞬时激发点源瑞雷波。采用瞬时激发点源瑞雷波，一组激发2次，对采集的频散数据进行叠加，这样可过滤干扰源对瑞雷波传播的影响。如附近有较大干扰信号时，如车辆进过等，应暂停操作，待平稳后再行检测。

3)数据采集。瑞雷波检测仪将采集到激发传递到桥台填土中的瑞雷波波速的原始数据，检测仪以频散曲线行驶记录并存储这些数据，用于后期分析。由瑞雷波传播原理可知，在各向均质的传播介质表面，瞬态瑞雷波将以同一波速进行传播，不随振动频率不同而不同，其频散曲线为在图中(瑞雷波检测仪)显示为一条竖向直线;当瑞雷波在多层性质不同的介质内传播时，收集到的频散曲线为发散状态，频散点的分布规律由传播介质的特性决定，不同介质会有不同的频率和传播速度，收集到的其频散曲线图是一条波速随深度而变化的曲线［4，5］。

2.3 检测数据分析

在对桥头路基检测前，选取3处本高速项目填方施工质量(压实度、填料性质等)符合要求的段落进行检测，以得到不同压实度情况下的波速，将3组检测数据处理后，可得不同压实度区域对应波速表［6，7］，如表1。考虑到不同路段填料性质的差异以及施工工艺的差别，此数据仅作为参考用。

表1 试验路段不同压实度下的对应波速

对N号桥台桥头路基进行检测，数据采集采用重复检测法，当同一位置连续3次检测的数据吻合时，进行下一测点的检测，直至所布测点全部完成。对后期数据处理，采用提取频散点，转换成波速，再将波速相同点连成曲线，可得波速等值线图，如图2所示，横轴为路基纵横方向上的距离，纵轴为路基顶面以下深度。

图2 注浆处治前N号桥台波速等值线图

由图2a)可知，路线横向方向上，在路基中线右侧5m处路基顶面以下3～6m，宽2m的范围内有波速异常低的区域出现，其大小为700～850m/s;路线纵向方向上，靠近桥台背墙位置至大桩号方向上5m左右范围内，也有波速异常低的区域出现，其深度也为3～6m，这与横向检测数据吻合。对比波速与材料之间的关系，初步判断波速异常低的区域为不密实区，并确定了不密实区域的空间位置及大小，为注浆处治提供了依据。

分析该处不密实填筑区域的原因，主要有以下几种可能［8］:1)路基填料本身不符合技术要求，难以压实，或为材料具有液限高、遇水软化等特性，在遇水作用下导致不密实;2)台背填土区域工作面较小，大型压实机具无法使用，采用小型机具或人工压实，压实度达不到设计要求;3)由于建设工期较短，路基填土自身固结沉降未完成，在车辆荷载的作用下，工后沉降较大。

上述原因导致的不密实区域均需进行处治，以消除公路运营时的安全隐患。根据以往工程经验，可采用钻孔注浆处治方式，以加强台背路基强度。浆液采用水泥净浆，水灰比为1∶1，根据瑞雷波仪检测出的不密实区域大小，布置注浆钻孔。

注浆完成后，待浆液与路基填料间的结合稳定后，再进行瑞雷波检测，检测测线、测点布置均同处治前，以观察注浆处治效果。得到的检测数据经处理后，绘制成波速等值线图，如图3所示。

图3 注浆处治后N号桥台波速等值线图

将图3与图2对比可知:路线横向方向上，在路基中线右侧5m处路基顶面以下3～6m，宽2m的范围内异常低波速区已经消失，该范围的波速大致为1050～1350m/s;路线纵向方向上，异常低波速去也消失，此外，注浆影响范围内，波速均有不同程度增强，说明注浆对桥头路基的整体强度及稳定性都有明显的增强。

为了更直观的说明注浆对桥头路基填料波速的影响，在路线横向上选取4个特征点的注浆前后波速进行对比分析，各分析点坐标分别为A(3，－1)，B(4，－2)，C(5，－3)，D(6，－4)，x坐标代表横向上离路基中线的距离，y坐标代表搭板以下深度。各分析点波速对比及物理参数见表2所示。

由表2数据可知，各分析点在注浆后，波速均有提高，其中C分析点提高幅度最大，达25.1%，A点提高幅度最小，为10.3%，整体来看，各分析点的波速、压实度等指标符合路基技术要求，说明注浆加固达到了预期的处治效果，现场取芯试验验证了上述分析。值得注意的是，注浆不仅对原不密实区进行了有效的处治，且对注浆影响范围内的其他区域进行了补强，整个桥头路基在注浆处治后，路基稳定性明显得到提高。

表2 路线横向各分析点注浆处治前后波速对比成果表

以上瑞雷波检测分析实例表明，瑞雷波检测可较为准确的确定桥头路基不密实区域的位置及大小，受到现场施工环境的影响，检测数据不可避免的有干扰存在，但总体看仅对检测路基体的表面有一定影响，对其下部一定范围内的数据影响较小，检测数据可作为工程判断依据。

3 结论

本文通过应用瑞雷波法检测桥头路基病害实例，验证了其在公路检测领域的实用性。

瑞雷波检测数据处理后得到的波速等值线图能直观的反映桥头路基不密实区域，可较为准确的判断病害发生的范围及严重程度，可为注浆处治提供必要的依据。处治后的检测结果表明，注浆对处理桥头路基的填料不密实病害有良好的效果，也进一步验证了瑞雷波检测技术在公路路基病害检测中具有较高的可靠性。瑞雷波法作为无损检测的一种，在工程检测领域具有广阔的发展前景。

［1］邓卫东.高填路堤稳定性研究［D］.西安:长安大学，2003.

［2］胡家富，段永康.影响面波勘探精度的因素探讨［J］.地震研究，2000(3):333－338.

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［4］陈 祥.瑞雷波频散曲线拟合分析及其应用［M］.北京:中国地质大学，2004.

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［7］韩 利.瞬态瑞雷波法快速检测评价高速公路路基压实质量［J］.中南公路工程，2007(6).

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