基于瑞雷波法的高填路段墙背回填质量无损检测与评价

姜益顺,徐大众,葛玉宁,袁继奎,赵德生

(山东省路桥集团有限公司 济南市 250014)

0 引言

受限于地形等因素的制约,山区高等级公路建设中,多为高填深挖路段。其中,高填路段的桥台、挡土墙、涵洞这三类构造物“三背”回填因场地限制,大型压实设备无法进场,人工夯实压实效果不佳。受回填土压实不足、季节性水位变化及多雨季节地表水入渗等影响,回填土容易出现沉降变形超限甚至填料冲刷、上部结构开裂等病害。

现有规范规定,路基和台背的压实质量应采用密度法检测,即现场实测的干密度与室内击实试验所测算的最大干密度的比值,以百分比表示。达到某一阈值后,判断路基压实度是否达标。传统压实度检测过程主要存在的问题有:(1)测速缓慢、效率低下、精确度差;(2)路基中无损检测利用率较低,压实度、含水量等相关指标的检测依赖于环刀法、灌水法、填砂法、取芯法等破坏性检测方法。随着路基检测技术水平的不断提升,路基回填压实检测技术的发展方向发生了较大变化,主要表现为逐渐由人工检测向自动化智能化检测发展、逐渐由损伤型检测向无损检测型发展。现阶段,新兴检测技术检测方法主要有:瑞雷波法、孔内波速测井法[1]、高密度电法、瞬变电磁法等。其中,瑞雷波法具有较强的适用性。它主要基于瑞雷波的传播特性-在介质的自由界面周围传播。在半无线体介质中,它的能量传播范围主要集中在1/2范围内。在点震源(激振)作用下,表面波具有随深度增加而逐渐衰减的特性。瑞雷波在二维平面空间传播时,地质体中的质点是呈现椭圆形传播的特性并沿其逆时针方向运动[1],即运动方向的水平分量运动具有滞后性,水平分量运动显著慢于竖向分量运动。

基于瑞雷波法对现场半桥半路挡土墙墙背填土情况进行信号探测,实现深层填土压密效果无损检测,获取墙背填土压实分布规律,指导施工及时进行补强处理,避免出现病害。

1 瑞雷波检测原理

瑞雷波利用激发点震源(如锤击)激发所产生的面波,相同波长的瑞雷波传播特征表征了被测试地质体在水平方向上的变化情况;不同波长的瑞雷波传播特征表征不同深度地质体的变化[2]。在瞬态瑞雷波场现场勘测中,需利用快速傅氏变换(FFT)将时域记录(数据)转录为频域记录(数据)。其中,对于频率为fi的频率分量,互谱法计算相邻检波器记录的相移Δφi,相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度VRi:

VRi=2πfiΔx/Δφi

(1)

测量范围NΔx内的平均波速为:

(2)

式中:φij为第j个φi值。

2 桥头高填路段台背回填检测评价

依托工程为临临高速(临淄至临沂),项目地处山东省东南部,施工4标段主线起止里程:K66+000～K80+100,全长14.1km,路线大体呈西北东南走向,选线范围涉及淄博博山区、沂源县。整条高速公路线路基本上是一个多丘陵地带。部分路段受地形条件限制采用半桥半路结构,如图1所示,路基一侧采用路肩挡墙,墙后填土5～15m不等,填土材料采用当地山体开挖风化砂。试验场地位于龙家湖大桥段(K71+965),测点布置如图2所示,试验段长50m,通过纵横交错测线,实现对区域内路基填土压实程度分布检测与评价。

图1 墙背高填路基横断面图(单位:cm)

图2 现场面波检测布点平面示意图

瑞雷波检测能够通过处理后的深度速度图较为直观获得瑞雷波在地质体中传播的波速,或者是计算出路基深度有效范围内不同深度剪切波波速[3]。通过对关键物理参数的数值计算,对地质体的相关性质进行详细分析和评价。通过计算所得地质体的瑞雷面波速,可以得到瑞雷波在地质体中的剪切波速;在一定条件下,也可以计算出相应地质体的纵波速度。基于已有的计算公式或相应参数表,得到相关岩土介质层的物理力学参数[4],具体物理参数计算式见表1。

表1 物性参数计算式

基于已知经验公式以及相关瑞雷波测算试验总结出的波速与各项相关参数的对应关系,能够快速处理现场实际测得的相关数据,以求得所测地质体中路基断面的各项物理参数。

3 探测结果分析

现场测试获取的原始数据是频散曲线,频散曲线由频散点组成,每个频散点对应相应位置处的路基中波速值,如图3所示。

图3 波速-深度分布图

为了获得地质体波速的特征值,需对频散数据进行提取[5-6]。将提取后的特征值由surfer软件处理,生成瑞雷波波速等值线图。由此而得,在台背回填地质中出现具有明显差异的数据,主要表现为中心位置处(测试面以下3m)出现了低波速值。为验证检测过程中是否出现错误,提出对相同位置处进行重复探测的检测方案。对二次数据处理后,得到与首次测试数据相同的结果,基本上排除检测过程中出现重大失误的可能,佐证了试验过程的有效性。根据相对波速与材料之间的关系,表面以下3m～5m出现波速在170～195m/s之间,所测波速值远小于施工要求值,研判后得:出现波速较低区域的主要原因是路基回填材料压实度不足。对于压实度不满足要求的位置,必须对其进行补压,一般采用小型振动压路机或液压夯机处理,以防止路基工程出现工程质量隐患,以免影响公路在营运期间的正常使用。

此外,现场对路基土进行压实度检测,将波速与压实度进行对比,如表2所示,建立关联关系,基于该关联公式,可对路基压实效果进行大面积快速检测与评价。

表2 不同深度下部分测点参数及压实度

将原位测得的瑞雷波速值与灌沙法测得的土样干密度值相匹配拟合后,建立相应的公式。不同路基土层深度下分别测得的瑞雷波速值和填砂法值测得的干密度值回归曲线如图4所示。

图4 不同深度瑞雷波波速与干密度拟合曲线

(3)

(4)

(5)

(6)

依据现场实测瑞雷波波速,在式(3)～式(6)中,得瑞雷波法测得路基土压实度。对比分析灌砂法和瞬态瑞雷波法测量的各基压实度,见表3。

表3 瑞雷波法与灌砂法测得压实度对比表

由表3可知:利用瞬态瑞雷波法与传统灌砂法分别测得同一地点的压实度的绝对误差区间控制在1.2%范围内,且相对误差控制在1.14%范围内。传统灌砂法测得的压实度与基于瑞雷波反算模式下得到的压实度准确性及相关性较为良好,压实度数值较为接近。绝对误差控制在1.2%以内,相对误差控制在1.14%以内,足以证明此段路基压实效果良好。从而利用瞬态瑞雷波法测算狭窄路基位置处压实度有工程实际意义。

4 结论

针对山区公路墙背回填路基难以充分压实的问题,采用瑞雷波法开展回填土压实质量无损检测试验,主要得到以下结论:

(1)墙背填土可通过瑞雷波法检测获取波速分布图,通过波速与压实度建立关联关系,实现对路基压实质量的评价。

(2)瑞雷波法检测波速与传统压实度检测方法相比,通过数据拟合分析,精准度可以满足要求。

(3)与传统方法点位检测相比,瑞雷波法可实现无损、快速、大面积检测,通过科学方法实现检测波速解译,可用于指导施工。