瑞雷面波法在公路工程质量检测中的应用研究

刘 强

(中交四公局第二工程有限公司，北京 101199)

0 引 言

公路工程施工质量好坏关系到后期行车安全。传统的公路路基、路面质量检测一般采用开挖验证等破损检测方法，此类检测方法一方面抽检数量有限，另一方面检测效率低，检测成果代表性差，受人为因素影响，结果不能够充分体现随机取样、全面反映公路施工质量等问题。因此急需要有一种方便快捷、高效迅速，能够全面反映工程建设质量的无损检测方法。面波波速测试作为一种工程勘察和无损检测的高效技术手段被推广和广泛使用，其主要采用地表传播的平面弹性面波，其椭圆形的运动轨迹结合波速情况能够有效探查浅层地表的公路工程加固施工质量。

1 瑞雷面波法在公路工程施工过程中的应用原理

公路工程因其为线性工程，一般线路较长，涉及的地质情况多样复杂，针对其质量评价范围较广，其主要包括地基处理工程、路基工程、支挡防护工程、桥隧工程、交通安全设施等项目，其中涉及的软弱地基处理加固是保证道路平顺的重要基础，传统检测方法一般采用现场原位试验，检测样本数量有限，无法全面评估软弱地基加固质量和加固深度，且检测过程中现场取样、室内土工试验等一系列复杂工序，检测周期较长[1]。

1.1 瑞雷面波法主要检测原理

检测时通过力锤锤击激发信号，预设在对应采取点的拾振传感器进行信号采集，不同频率的波有不同的频率和穿透范围，通过拾振信号反映不同深度地层特性，并绘制不同频率和波长频散曲线，分析各个界层波速，建立波速与地层的力学参数相关性关系，基于此实现瑞雷波法的公路工程地基加固处理无损质量检测。瑞雷面波法主要测试原理如图1所示。

图1 瑞雷面波法主要测试原理

1.2 主要检测配置和测试步骤

采用瑞雷波进行现场检测需要根据检测工程实际情况配备适宜的设备，其设备配置主要包括震源、信号采集设备、拾振设备、信号放大器、计算机采集和分析设备软件等[2]。

根据工程地层测试深度和测试范围选择适宜的采集仪器，一般选取多通道的瞬态瑞雷面波测试采集设备，根据测试精度和测试点数量要求选择4 Hz低频检波器，选择道距1 m，偏移距10～13 m，采样时间间隔0.5～1 s，主要采集点距为50 m，采用力锤锤击激励信号，现场配套数据采集和存储，并及时传输至计算机，使用专用信号分析软件进行时域和频域处理。

瑞雷波法现场测试根据测试对象的不同而采用不同的测试流程，综合考虑测试目标和场地条件，制定合理的检测方案，以路基夯实质量为例，现场测试的具体流程如下：

(1) 根据场地测试要求目标，确定现场测点。

(2) 根据测试目标确定测试参数信息。

(3) 根据测试深度情况，确定设置测试参数，合理设置偏移距和道间距，合理确定采样间隔和采样频率。

(4) 安设拾振器，进行电缆线连接，根据设置的道间距，确定检波器锥固定在地表，将其打入土体，并将检波器耦合连接被测介质，顺序通过电缆线连接至数据采集端口。

(5) 检验拾振器的采集一致性，通过压实路基布设均匀测点、紧密排列，周围激发以随机震源，通过采集并对比各个通道的信号是否一致，若出现不一致情况时需要重新进行一致性检验。

(6) 采集完成后，将数据进行有效性检查和分析，为避免噪声干扰，可采取多次采集，信号叠加分析，确保采集数据有效。当采集数据出现问题时，可采取改变不同道间距和偏移距进行重新测试工作。

2 工程概况

某公路工程建设项目，项目地貌属于第四纪冲积平原，公路项目地质条件复杂，且存在不同厚度的淤泥质地层，极易发生道路沉降不均现象。拟建道路主干道长1 200 m，建设道路一侧为原有河道，分布有厚度不等的淤泥质填土，具有较高的含水量和较低的承载力，较严重影响施工和场地建设。为满足地基承载力要求，设计方案采取强夯置换加真空挤密的方法，添加材料为碎石和碎砖渣。

针对此段路基的夯击范围为纵横向4 m间距进行点夯，强夯柱和柱之间采用满夯工艺，夯击控制最后两击沉降差5 cm，夯击完成后路基路面回填0.7 m厚度的碎石土。

针对夯击处理效果尤其是承载力的提高方面，计划采用传统原位试验结合瞬态瑞雷面波测试的方法进行综合评价，依据相关勘察技术规范和面波勘察技术规程如《多道瞬态面波勘察技术规程》(JGJ/T 143—2017)，对采集的数据进行数据整理和处理工作。实际工作量见表1。

表1 瑞雷面波检测实际工作量表

根据检测方案计划采集22个点位结合地质情况进行推断解释，并完成检测报告工作。

3 检测数据整理和分析

3.1 数据整理分析原则

根据本次检测情况，对采集的数据进行综合分析，由于针对原河道进行了碎石和砖渣的回填夯实处理，回填土和原状土物理性质间的差异，反映在频谱曲线上会出现“之”字形拐点，而瑞雷面波波速和被测介质密实度有着直接的关系，被测介质密实度越高，则基阶面波波速越高，通过此对应关系判断面波测试点下夯实深度和强度情况[3]。

根据该段路基原位载荷测试结果和类似瑞雷波速测试和承载力的相关性管理，据此估算测点处地基承载力情况。为有效评估夯实土体质量情况，本项目采取夯实回填路基和未夯实原状土进行对比分析，经测试附近未经加固的原状土频率曲线，其曲线平滑，形态完整，且速度较低，经过夯实后的频散曲线，由于夯实作用的影响，夯实上部分速度有较明显的提高，下部逐渐减小，波速频散曲线对比如图2所示。

图2 未经夯实原状土频散曲线、夯实后地基土频散曲线

对比以上频散曲线，曲线形状和波速大小有明显的差异，夯实处理后的土体因夯击能和碎石填充置换，破坏原状土体结构，产生土体内超静空隙水压力的增加，对地层产生了挤密效果，土体地基承载力显著提升，土体波速特性和物理力学特性也有明显改变，对夯击前后的面波检测结果进行对比评价，并参考波速和承载力的关系表，统计得出相关加固土体承载力值。土体面波波速和地基承载力对比值见表2。

表2 面波波速和地基承载力特征值相关性表

根据以上表格统计结果，分析频散曲线波速情况，综合评价经过夯击完成后的软弱地层加固效果，为工程建设提供有力的数据支撑。

4 瑞雷面波法检测成果解释与工程加固质量评价

4.1 检测成果解释

根据现场面波测试数据不难发现，软弱路基在强夯加固前面波波速一般在120 m/s的速度之下，且普遍分布不够均匀，即使是同一深度范围波速变化也较大，通过强夯夯实后，所有测点的不同深度波速都普遍提高，尤其是浅层4 m左右范围内增幅较大，总体波速提高45%左右，夯实后各个测点的影响深度和夯柱深度有一定的提高，软弱路基夯击影响深度由小增大又变小，这说明强夯基础加固浅层软弱路基有比较好的效果，夯击夯实后各个测点的影响范围波速测试结果见表3。

表3 夯击夯实后影响范围面波测试表

表2中的数据反映了强夯加固软弱路基的夯击影响深度和夯击深度面波测试推定值，以及通过相关计算参数换算表求得的承载力推定值，以上分析数据结果为工程建设提供数据支撑[4]。

4.2 工程加固质量评价

本项目公路路基软弱土体强夯加固效果，采用瑞雷面波测试的方法进行综合评价，分析以上布设的22个测试点测试结果分析得出：

(1) 该项目场地夯实复合地基经夯实后的影响深度范围在3.8～6 m，局部地段可达 7m而夯柱深度在 2.8～5.5 m，绝大部分在 4 m 左右。

(2) 通过瑞雷波速测试分析表明，该施工处理后的夯柱部位剪切波速在 100～225 m/s，推算地基承载力为 95～130 kPa，而夯柱间复合地基的承载力一般要小于此值。

(3) 从对该场地 22 处测试结果分析，其中 D5、D6、D7 一段和D10、D13、D16、D21 等四处夯实不均、效果欠佳。

本项目的波速测试采集数据点间距为50 m，离散程度比较大，不能完全反映夯击点与点之间和全路段路基夯实情况的质量变化情况，经综合判断分析可知，该强夯工艺在本路基加固过程中的效果差异影响较大，因为复合地基剪切波速相比正常施工波速偏低，由此推算其地基承载力也偏低。随着土体固结时间的增加，其承载力也在不断提高。建议在设计过程中充分考虑设计方面的要求，并采取有效的技术措施，保证工程施工质量[5]。

总体分析可知，通过采用瑞雷面波法对公路路基的软弱土体的加固效果检测评价相比传统的原位检测方法能够有效达到检测的目标，相比沉降观测而言，更能够有效地检测夯击深度和夯击影响深度，从而对软弱路基的加固影响深度范围和夯击整体加固效果进行有价值的评价。

5 结 论

瞬态瑞雷面波测试技术的应用优点包括快速、高效、无损原位测试、方便现场操作等。其已经广泛推广应用于公路路基加固效果检测中。

文中基于一公路软弱路基夯击加固效果瑞雷面波现场测试，结合以往面波测试的工程经验，通过合理设置检测参数和数据采集点，有效搜集了1 200 m范围的22个检测点数据。

现场面波测试需要结合室内土工试验和现场原位测试进行综合分析研判，细化合理设置采集参数，选择合适的检波器、激振方式，实测面波信号等。

采用瞬态面波测试方法评价强夯软弱路基，其效果评价显著，有效反映了加固深度，也能对现场夯击作业提供一定的指导。

数据分析结果表明，强夯施工工艺能有效对软弱路基进行加固，面波测试结果表明加固影响深度由于地层性质的变化而变化，加固较好区域影响深度能够达到6 m左右，夯击深度能够达到4 m左右，夯击影响深度通过频散曲线能够有效分析得出。