瑞利波法在强夯加固台背回填土质量检测中的应用研究

2021-01-11康思源

建筑与装饰 2020年36期

康思源

湖南建工集团装饰工程有限公司湖南长沙 410000

引言

随着我国城镇化加速，高等级公路交通网规模不断扩大，“桥台跳车”问题越来越受到研究人员和工程人员的关注。台背回填土的工后沉降与桥梁主体结构的“零沉降”之间的沉降差是造成“桥头跳车”的直接原因。如何有效提高台背回填土压实度以及对夯实质量进行检测是该领域研究的热点和难点。

1969年，法国工程师Menard首次提出并应用强夯法加固地基，之后强夯法便得到广泛的发展[1]。强夯法通过将重力势能转化为夯击能，在土层中产生冲击波和动应力，对地基土颗粒进行挤密加固，有效降低其压缩性的一种主动加固地基的方法。其中不少学者对强夯加固桥台背回填土进行了研究，于克萍等[2]通过建立桥台-路基3D有限元模型，对强夯作用下的土体应力和位移进行了分析。杨智刚[3]通过室内模型试验，研究了桥台背路基土体在强夯作用下的变形特性。刘亚军等[4]详细阐述了桥台背回填土强夯加固基本原理、变形规律等，并提出了强夯设计和施工技术要求。刘立军等[5]结合高速公路桥涵案例，对强夯法提高桥涵台背压实度进行了研究。

1885年，英国科学家Rayleigh首次在理论上确定了弹性半空间自由界面上瑞利波的存在[6]。随后Thomson[7]、Haskell[8]先后采用传递矩阵法推导得到了瑞利波的特征方程，并发现了瑞利波的弥散特性。此后，国内外对瑞利波的传播特性和弥散特性展开了进一步研究[9-13]。不少学者[14-16]运用瑞利波在岩土中的弥散和传播特性可以反演得到介质剪切波速，同时根据剪切波速与岩土物理力学性质的相关性，对地基加固效果进行判定。周捷等[17]、叶咸等[18]结合实际案例，研究了瑞利波法在台背回填质量的无损检测应用效果。但这方面的研究成果较少，结论欠全面。

综上所述，以往的研究对于瑞利波在桥台背回填土质量检测应用方面较少、结论欠全面，且在运用瑞利波检测强夯加固桥台背回填质量应用方面鲜有研究报道。本文以某高速公路工程为背景，因该工程工期紧，质量要求高，任务重等特点，经综合考虑，采用强夯法对台背回填土进行了冲击夯实，并运用瑞利波法结合钻芯取样试验结果对夯实效果进行合理评价，结果表明：在特定土质条件下，建立该土质的剪切波速和压实度数学模型，可以较快的实现桥台背回填土质量无损检测。采用强夯加固桥台背回填土，夯实效果明显，但对不满足压实度要求的区域，应根据瑞利波检测结果进行后期强夯补强。本文的研究方法和结论可以为相类似工程提供参考。

1 瑞利波法基本原理

如果在弹性半无限体的表面施加一个冲击荷载，其中瑞利波产生的地面竖向运动位移比其他振动波要大得多，且随着竖向深度或离开界面距离的增加，波动振幅不断减小。根据这种传播特性，只要当地面受竖向脉冲荷载作用时，将传感器放在离震源适当的位置，同时降低检测系统的放大倍数，则可在地表得到瑞利波信号。

图1 表面波谱分析法原理图

图1是表面波谱分析法原理图，当在振源处地表施加竖向敲击，则位于地表的传感器1和2接收到的基本上是波的竖向分量信号，利用频谱分析可以得到两信号各自的自功率谱及互功率谱，传递函数和相干函数。设信号1的线性谱为信号2的线性谱为则自功率谱分别为：

两信号在波传播过程中的时间滞后会产生相位差Δφ，由振动理论可知，当相位差为2π时，所对应的时间为周期T，则输出的y(t)和输入x(t)的时间滞后可表达为：

由于两传感器的距离x是已知的，且波沿这两点传播的路径为一直线，因此与频率f相对应的瑞利波波速与波长为：

由上两式可得实测的瑞利波弥散曲线图，剪切波速Vs与瑞利波速VR的关系式近似如下：

式中，μ为泊松比。

2 工程案例概况

某高速公路设计速度为80km/h，路基采用整体式设计宽度为25.5m，行车道宽为15m（双向四车道，单条车道宽3.75m）。台背回填材料采用级配较好的碎石土填筑，压实度≥96%，其立面见图2。强夯加固方案采用自下而上逐层进行摊铺和夯实，每层压实厚度为50cm，其中夯锤采用圆形球底重锤（直径1.2m，球底平面直径1.04m，重量6t），夯锤下落高度根据现场实际夯实效果控制在4m～8m，夯点设置方案参照文献[6]。

为了合理科学快速评价强夯加固后台背回填土压实质量，首先对强夯加固后A桥台背回填土进行瑞利波检测和钻芯取样试验，得到同类特定土质条件下剪切波速和压实度的统计规律，以此为依据，然后对其他桥背回填土夯实效果进行瑞利波速测试，最后达到分析整条线路台背回填土压实质量的目的。