瞬态瑞雷波法和地质雷达法路基结构检测对比

吴晔(北京铁城建设监理有限责任公司，北京　100855)



瞬态瑞雷波法和地质雷达法路基结构检测对比

吴晔
(北京铁城建设监理有限责任公司，北京100855)

摘要:瞬态瑞雷波法和地质雷达法属于常规物探方法，用于路基填筑体深部密实情况检测时，单一方法的检测结果具有多解性特征。文章依托赣龙复线铁路工程建设，选取特殊的路基结构(岩溶路基)，应用瞬态瑞雷波法和地质雷达法进行路基质量检测。根据检测结果对比分析2种方法各自的优点和适用性，阐明将2种方法结合起来的综合物探法将是路基质量无损检测的发展方向。

关键词:瞬态瑞雷波地质雷达路基结构检测不密实区

1　概述

路基质量检测包括路基填筑体表层压实度检测和填筑体深部密实情况检测2个方面。压实度是路基施工质量检测的关键指标之一，采用密度试验、颗粒分析、击实试验、EVd或K30检测等试验检测方法，查明表层压实度是否满足设计要求。深部结构密实程度的检测是探明填筑体深部是否有不密实区域或空洞等异常体，多用于路基是否会发生较大的不均匀沉降的评估，常用动力触探法、地质雷达法、瞬态瑞雷波法等方法检测。

1.1瞬态瑞雷波法

瑞雷勘探也称弹性波频率测深，是一种新兴的岩土原位测试方法。面波分为瑞雷波(R波)和拉夫波(L波)，R波在振动波组中能量最强，振幅最大，频率最低，容易识别和测量。应用瞬态瑞雷波法进行工程地质勘察检测主要依赖瑞雷波的以下特性:

1)在分层介质中瑞雷波具有频散特性，不同频率的波有不同的传播速度;在均匀介质中瑞雷波的传播速度与频率无关。

2)瑞雷波的传播速度与介质的性质密切相关，不同的介质不同状态下的波速不同，根据波速差异可以分辨出介质特性。

3)瑞雷波的波长不同，其穿透深度也不同。

用瑞雷波法探测路基地下洞穴，其判别依据是有洞穴处其频散曲线出现拐折或速度降低，且出现频散点减少或中断等现象，而正常场的瑞雷波频散曲线不具备上述特征。介质结构决定了瑞雷波的频散特性，利用其频散特性和传播速度反映介质或目标体的内部结构。

1.2地质雷达法

地质雷达法是利用高频电磁波(106～109Hz)来探测地下介质电性分布的一种地球物理探测技术。电磁波在介质中传播时，其路径、波形将随所经过介质的介电性质和几何形态的不同而变化，电磁波传播过程中很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。

探测深度依赖于雷达波传播时的地下介质介电性质、目标体自身的特性、目标体与周围介质的电性差异程度等因素。通过介质的电性差异确定地下界面或目标体的空间位置及结构。

2　瞬态瑞雷波法和地质雷达法工程应用对比

2.1工程概况

赣龙铁路工程沿线地层岩性复杂多变，以灰岩为主，岩溶发育较广泛。地表调查发现，山坡岩体发育有小型溶痕、溶洞、溶孔等，钻孔揭示溶洞高度最小为0.2 m，最大达7.5 m。DK90—DK115地段为低丘地带，下伏基岩为寒武系灰岩，岩体破碎，主要是溶洞和溶孔及岩层破裂带，其中有半填充和全填充的粉质黏土，覆盖层厚度一般在5～20 m，随地形起伏厚度有所变化。

在赣龙复线铁路DK90—DK119段，结合岩溶发育程度、覆盖层特征及岩溶形态，筛选多个典型测区，利用瞬态瑞雷波法和地质雷达法对同一区域进行检测，讨论2种方法的适用性和使用范围。同时，与注浆后的路基检测结果进行比对，并用钻芯法进行验证。

下面以岩溶区域(DK87 + 780)和无岩溶区域(DK118 + 551)的2处典型路基为分析对象，探测路基下方软弱夹层、溶洞、破碎带等的情况，并判断出这些异常体的埋深和位置。

2.2瞬态瑞雷波法检测

据所选典型路段路基深度的特征，采用Miniseis24系列综合工程探测仪进行数据采集。

本次测试选择24道检波器的接收方式，以测点为中心，以2 m为间隔、两侧各12个检波器对称布置，测线或沿等高线布置，或沿斜坡方向布置。用10.886 4 kg(24磅)大锤敲击5 cm厚铁板激发，采用单边接收的形式。瞬态瑞雷波法现场测试作业布置如图1所示。通过检测数据分析各层的波速大小和频散曲线的形态变化，以评价路基的质量。

图1　瞬态瑞雷波法现场测试作业布置示意

2.2.1检测结果分析

典型路基注浆前后瞬态瑞雷波法检测结果见表1。由表1可知:

表1　典型路基注浆前后瞬态瑞雷波法检测结果

1)岩溶区域

注浆前深度4～10 m处波速偏低，说明此区域的填筑密实程度较低;深度19～22 m处的波速类似于有溶洞及破碎带时的波速。

注浆后无论土层还是岩层，测到的波速都明显增加，说明路基密实度增加;对比注浆前后的平均波速，土层波速最大增加55 m/s，增加了21.9% ;岩层波速最大增加94 m/s，增加了30.7%。

因破碎岩层的完整性较差，面波速度比完整灰岩要低，注浆充填胶结后面波速度也会提高;若岩层中存在溶洞，注浆后溶洞被水泥浆液充填，经过胶结后其成分发生了改变，密度相应提高，孔隙率则降低，从而使得波速提高。这说明岩层中有溶洞或破碎岩层。

2)无岩溶区域

注浆前深度0～12 m处波速略偏低，说明整个土层区域的填筑欠密实;深度13 m以下岩层相对完整。

注浆后测到的波速均有不同程度的增加。对比注浆前后的平均波速，土层波速最大增加59 m/s，增加了21.4% ;岩层波速最大增加28 m/s，增加了7.7%。土层、岩层注浆后瑞雷波速度均大于注浆前，只是土层波速增加量大于岩层。

2.2.2频散曲线分析

注浆前后的频散曲线如图2。

图2　注浆前后的频散曲线

1)岩溶区域

由图2(a)可知:注浆前深度0～2.5 m段未采集到频散数据，该层速度较小，为黏土层;深度4～17 m段频散曲线较为光滑，波速逐步增加;当深度达到17 m后，频散曲线发生极大的变化，形成“之”字形曲线;到22 m时频散曲线开始变得光滑平直，频散点在一条直线上，频散曲线斜率大致保持不变，波速随深度逐渐升高，判为岩层。因此可将深度19～22 m确定为溶洞或破碎带。注浆后，深度0～2.5 m仍未采集到频散数据。在3 m之下，曲线较为光滑平直，频散点基本集中在一条线上，波速随深度逐渐升高。

对比注浆前后的频散曲线可知，注浆后频散曲线形态发生显著变化，频散点相对注浆前较为平滑，“之”字形扭曲消失，频散点的跳跃也消失，波速明显提高。

2)无溶洞区域

由图2(b)可知:注浆前深度0～2.5 m段未采集到频散数据;曲线反映的频散点相对集中在一条曲线上，没有出现明显的断点现象，曲线形态基本光滑，波速不断增加，说明该测点下地层分布相对简单，基本无软弱夹层、溶洞;注浆后频散曲线发生了变化，尤其是深度5～12 m段两者波速差别越来越明显，说明注浆后路基的密度和密实度都得到提高，波速明显增加。

2.2.3瞬态瑞雷波法检测结果的判别

DK87 + 780处地层分为2层。上覆黏土层埋深16.6 m，深度4～11 m的黏土层填筑密实度较低;下部为灰岩，深度19～22 m有充填溶洞存在。

DK118 + 561处地层分为2层。上覆黏土层厚度12.0 m左右，深度5～9 m的黏土层填筑密实度较低;下部为灰岩，无明显岩溶现象。

从2种典型路基的频散曲线看，不论注浆前还是注浆后，两者在0～2.5 m都未采集到频散点。

2.3地质雷达法检测

现场检测使用的是瑞典CUⅡ型地质雷达仪。按工作原理，天线频率越高，探测的分辨率越高，探测深度越小;反之，天线的频率越低，探测的分辨率越低，探测深度越大［4］。在实际地质勘察中，探测频率一般按表2选择。

表2　雷达探测深度与天线频率对应关系

根据典型路基路段的特征，选择以100 MHz天线(时窗宽度150 ns，采样点数512～1 024)为主，以500 MHz天线(时窗宽度80 ns，采样点数512～1 024)为辅，扫描速度5～10 km/h。按瑞雷波法检测的测线布置方向，沿路基中轴线及其左右两旁布置了3条纵向测线。

2.3.1地质雷达法检测波形分析

1)岩溶区域

注浆前的雷达剖面图见图3。可见:与其左侧波形相比大椭圆区域内的反射波振幅明显增强，呈现多个细密的弧形，属典型的不密实波形特征;在4.0～9.5 m深度处，长度约有20 m的椭圆右侧波形振幅较椭圆形内弱了许多，属轻微不密实;小椭圆区域内波形的反射波振幅明显增强，脱空相对严重，在18～20 m深度处，有长度约10 m的溶洞或破碎带。

图3　注浆前雷达剖面图

注浆后进行复测，注浆前发现的脱空与不密实区域的雷达波形特征消失。

2)无岩溶区域

使用100 MHz天线对路基加以检测，得到的路基分层和不密实区雷达剖面图见图4。可见:在0～2 m深椭圆区域内的反射波振幅明显增强，呈现典型的不密实波形特征，长度约6 m;在6～10 m深处，矩形区内反射波振幅明显增强，有贯穿态势，此处可能是岩石的破碎带，属分层反射信号;11.0～12.5 m深处有一干净的分层强烈反射信号，为土层与岩土层及岩层的分界。该路基填筑层面不清晰，没有明显强烈反射信号，地层基本无软弱夹层、溶洞存在。

图4　路基分层和不密实区雷达剖面图

使用500 MHz天线检测，获得的路基分层雷达剖面图见图5。测深虽然小了，但浅层的分辨率提高，可清晰看到路基的填筑分层，路基压实后填筑层面不水平，厚度不均，均大于设计要求(30 cm)，压实较均匀，无法分辨出是否有异常点。用瞬态瑞雷波法检测时，该路段波速偏低，压实欠密实，注浆处理后，波速明显提高，说明密实度增加，而雷达图未反映出来。

图5　路基分层雷达剖面图

2.3.2地质雷达法检测结果的判别

DK87 + 780处路基深度4.0～9.5 m处，长度约20 m的路基填筑不密实，深度18～20 m处，长度10 m左右有空洞或破裂带。

DK118 + 561在深度0～2 m和6～10 m处路基填筑不密实，长度分别约为6和50 m。此地层分布相对简单，基本无软弱夹层、溶洞存在，岩土分界面在11.0 ～12.5 m。

2.4取芯法验证

无损探测工作完成后在该试验段选取了4个点进行取芯。取芯情况:DK87 + 780处见岩深度约17 m，入岩深度约8 m，取芯深度约25 m;DK118 + 561处见岩深度11.5 m，取芯深度14 m，土层靠近岩层有一过渡软弱夹层，长约3 m。

钻芯验证结果表明:①土层芯样里夹杂着更多的水泥浆，岩层芯样缝隙中有水泥浆;②水泥浆注到路基土层的量要大于注到岩层的量;③土层与岩层分界处基本上是软弱、破碎岩层。

3　 2种方法适用性对比分析

钻芯取样结果表明瞬态瑞雷波法和地质雷达法的检测结果具有较高的可信度，结论基本一致，满足检测要求，但2种方法有各自的优势和局限。

1)瞬态瑞雷波法

该检测方法可准确判断出软弱夹层、溶洞、破碎带的位置，但不能判断出缺陷的性质和范围。可以通过选择不同的震源激振方式来扩大其检测深度，可达100～200 m的测深，但该方法有检测盲点，很难捕捉到超浅层的信息，对0～2 m深的部分基本无法检测。对路基的分层只能从波速的大小来大致确定，有漏判的可能。因此瞬态瑞雷波法用于深层地质勘探和检测具有高效、环保、经济、抗干扰强等优点。

2)地质雷达法

该方法根据不同的检测目的选择使用不同频率的天线，对路基不同深度进行高分辨率检测，能准确判断出路基相对不密实区、分层情况、空洞位置及缺陷的大致范围，弥补了瞬态瑞雷波法无法捕捉到超浅层信息的缺陷，但其探测深度远小于瞬态瑞雷波法。若路基填筑压实均匀，即使压实度不满足要求，也无法从波形图反映出来。地质雷达法具有检测速度快、分辨率高、图像直观等特点。

4　结语

鉴于物探检测方法的多解性，使用瞬态瑞雷波法和地质雷达法进行路基质量的综合无损检测，能够显著增加数据解释的准确性，准确发现路基存在的问题。因此，将两者结合的综合物探法是路基质量无损检测的重要发展方向。

参考文献

［1］杨成林.瑞雷波勘探原理及其应用［J］.物探与化探，1989，13(6):465-468.

［2］朱裕林.瑞雷波勘探在工程勘察中的应用［J］.工程勘探，1991(1):67-70.

［3］何振起，李海，郭有劲.利用瞬态瑞雷波法进行提速路基稳定性检测［J］.铁道工程学报，2001(4):104-106.

［4］粟毅，黄春琳，雷文太.探地雷达理论与应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［5］薛建，曾昭发，王者江，等.探地雷达在城市地铁沿线空洞探测中的技术方法［J］.物探与化探，2010，34(5):617-621.

［6］徐华全.瑞雷面波的频散特征研究及应用［D］.成都:成都理工大学，2009.

［7］张金清.软弱夹层瑞雷面波频散曲线特征［J］.工程地球物理学报，2005，2(3):209-215.

(责任审编李付军)

Comparison Study on Application of Transient Rayleigh Wave and Ground Penetrating Radar to Subgrade Structure Detection

WU Ye

(Beijing Tiecheng Construction Supervision Co.，Ltd.，Beijing 100855，China)

Abstract:T ransient Rayleigh W ave method and Ground Penetrating Radar method are conventional geophysical exploration methods.During the testing of compaction at the deep location of subgrade filling，a single method shows multi-solution.T his paper based on the Ganzhou－Longyan railway construction，and tested the subgrade quality with above methods.By appling these two methods on special subgrade structure(Karst subgrade)，a large number of field tests were obtained.An analysis between those applications have been done.Based on the test results，the advantages and applicability were compared to clarify that a combination way of two common geophysical detection methods is an important developing direction for the subgrade nondestructive testing.

Key words:T ransient Rayleigh W ave;Ground Penetrating Radar;Subgrade structure;Detection;No-dense area

作者简介:吴晔(1963—)，女，高级工程师。

收稿日期:2015-11-17;修回日期:2016-01-22

文章编号:1003-1995(2016)03-0108-05

中图分类号:U416.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.27