瑞雷面波法在公路工程質量檢測中的應用研究

劉 強

(中交四公局第二工程有限公司，北京 101199)

0 引 言

公路工程施工質量好壞關系到后期行車安全。傳統的公路路基、路面質量檢測一般采用開挖驗證等破損檢測方法，此類檢測方法一方面抽檢數量有限，另一方面檢測效率低，檢測成果代表性差，受人為因素影響，結果不能夠充分體現隨機取樣、全面反映公路施工質量等問題。因此急需要有一種方便快捷、高效迅速，能夠全面反映工程建設質量的無損檢測方法。面波波速測試作為一種工程勘察和無損檢測的高效技術手段被推廣和廣泛使用，其主要采用地表傳播的平面彈性面波，其橢圓形的運動軌跡結合波速情況能夠有效探查淺層地表的公路工程加固施工質量。

1 瑞雷面波法在公路工程施工過程中的應用原理

公路工程因其為線性工程，一般線路較長，涉及的地質情況多樣復雜，針對其質量評價范圍較廣，其主要包括地基處理工程、路基工程、支擋防護工程、橋隧工程、交通安全設施等項目，其中涉及的軟弱地基處理加固是保證道路平順的重要基礎，傳統檢測方法一般采用現場原位試驗，檢測樣本數量有限，無法全面評估軟弱地基加固質量和加固深度，且檢測過程中現場取樣、室內土工試驗等一系列復雜工序，檢測周期較長[1]。

1.1 瑞雷面波法主要檢測原理

檢測時通過力錘錘擊激發信號，預設在對應采取點的拾振傳感器進行信號采集，不同頻率的波有不同的頻率和穿透范圍，通過拾振信號反映不同深度地層特性，并繪制不同頻率和波長頻散曲線，分析各個界層波速，建立波速與地層的力學參數相關性關系，基于此實現瑞雷波法的公路工程地基加固處理無損質量檢測。瑞雷面波法主要測試原理如圖1所示。

圖1 瑞雷面波法主要測試原理

1.2 主要檢測配置和測試步驟

采用瑞雷波進行現場檢測需要根據檢測工程實際情況配備適宜的設備，其設備配置主要包括震源、信號采集設備、拾振設備、信號放大器、計算機采集和分析設備軟件等[2]。

根據工程地層測試深度和測試范圍選擇適宜的采集儀器，一般選取多通道的瞬態瑞雷面波測試采集設備，根據測試精度和測試點數量要求選擇4 Hz低頻檢波器，選擇道距1 m，偏移距10～13 m，采樣時間間隔0.5～1 s，主要采集點距為50 m，采用力錘錘擊激勵信號，現場配套數據采集和存儲，并及時傳輸至計算機，使用專用信號分析軟件進行時域和頻域處理。

瑞雷波法現場測試根據測試對象的不同而采用不同的測試流程，綜合考慮測試目標和場地條件，制定合理的檢測方案，以路基夯實質量為例，現場測試的具體流程如下：

(1) 根據場地測試要求目標，確定現場測點。

(2) 根據測試目標確定測試參數信息。

(3) 根據測試深度情況，確定設置測試參數，合理設置偏移距和道間距，合理確定采樣間隔和采樣頻率。

(4) 安設拾振器，進行電纜線連接，根據設置的道間距，確定檢波器錐固定在地表，將其打入土體，并將檢波器耦合連接被測介質，順序通過電纜線連接至數據采集端口。

(5) 檢驗拾振器的采集一致性，通過壓實路基布設均勻測點、緊密排列，周圍激發以隨機震源，通過采集并對比各個通道的信號是否一致，若出現不一致情況時需要重新進行一致性檢驗。

(6) 采集完成后，將數據進行有效性檢查和分析，為避免噪聲干擾，可采取多次采集，信號疊加分析，確保采集數據有效。當采集數據出現問題時，可采取改變不同道間距和偏移距進行重新測試工作。

2 工程概況

某公路工程建設項目，項目地貌屬于第四紀沖積平原，公路項目地質條件復雜，且存在不同厚度的淤泥質地層，極易發生道路沉降不均現象。擬建道路主干道長1 200 m，建設道路一側為原有河道，分布有厚度不等的淤泥質填土，具有較高的含水量和較低的承載力，較嚴重影響施工和場地建設。為滿足地基承載力要求，設計方案采取強夯置換加真空擠密的方法，添加材料為碎石和碎磚渣。

針對此段路基的夯擊范圍為縱橫向4 m間距進行點夯，強夯柱和柱之間采用滿夯工藝，夯擊控制最后兩擊沉降差5 cm，夯擊完成后路基路面回填0.7 m厚度的碎石土。

針對夯擊處理效果尤其是承載力的提高方面，計劃采用傳統原位試驗結合瞬態瑞雷面波測試的方法進行綜合評價，依據相關勘察技術規范和面波勘察技術規程如《多道瞬態面波勘察技術規程》(JGJ/T 143—2017)，對采集的數據進行數據整理和處理工作。實際工作量見表1。

表1 瑞雷面波檢測實際工作量表

根據檢測方案計劃采集22個點位結合地質情況進行推斷解釋，并完成檢測報告工作。

3 檢測數據整理和分析

3.1 數據整理分析原則

根據本次檢測情況，對采集的數據進行綜合分析，由于針對原河道進行了碎石和磚渣的回填夯實處理，回填土和原狀土物理性質間的差異，反映在頻譜曲線上會出現“之”字形拐點，而瑞雷面波波速和被測介質密實度有著直接的關系，被測介質密實度越高，則基階面波波速越高，通過此對應關系判斷面波測試點下夯實深度和強度情況[3]。

根據該段路基原位載荷測試結果和類似瑞雷波速測試和承載力的相關性管理，據此估算測點處地基承載力情況。為有效評估夯實土體質量情況，本項目采取夯實回填路基和未夯實原狀土進行對比分析，經測試附近未經加固的原狀土頻率曲線，其曲線平滑，形態完整，且速度較低，經過夯實后的頻散曲線，由于夯實作用的影響，夯實上部分速度有較明顯的提高，下部逐漸減小，波速頻散曲線對比如圖2所示。

圖2 未經夯實原狀土頻散曲線、夯實后地基土頻散曲線

對比以上頻散曲線，曲線形狀和波速大小有明顯的差異，夯實處理后的土體因夯擊能和碎石填充置換，破壞原狀土體結構，產生土體內超靜空隙水壓力的增加，對地層產生了擠密效果，土體地基承載力顯著提升，土體波速特性和物理力學特性也有明顯改變，對夯擊前后的面波檢測結果進行對比評價，并參考波速和承載力的關系表，統計得出相關加固土體承載力值。土體面波波速和地基承載力對比值見表2。

表2 面波波速和地基承載力特征值相關性表

根據以上表格統計結果，分析頻散曲線波速情況，綜合評價經過夯擊完成后的軟弱地層加固效果，為工程建設提供有力的數據支撐。

4 瑞雷面波法檢測成果解釋與工程加固質量評價

4.1 檢測成果解釋

根據現場面波測試數據不難發現，軟弱路基在強夯加固前面波波速一般在120 m/s的速度之下，且普遍分布不夠均勻，即使是同一深度范圍波速變化也較大，通過強夯夯實后，所有測點的不同深度波速都普遍提高，尤其是淺層4 m左右范圍內增幅較大，總體波速提高45%左右，夯實后各個測點的影響深度和夯柱深度有一定的提高，軟弱路基夯擊影響深度由小增大又變小，這說明強夯基礎加固淺層軟弱路基有比較好的效果，夯擊夯實后各個測點的影響范圍波速測試結果見表3。

表3 夯擊夯實后影響范圍面波測試表

表2中的數據反映了強夯加固軟弱路基的夯擊影響深度和夯擊深度面波測試推定值，以及通過相關計算參數換算表求得的承載力推定值，以上分析數據結果為工程建設提供數據支撐[4]。

4.2 工程加固質量評價

本項目公路路基軟弱土體強夯加固效果，采用瑞雷面波測試的方法進行綜合評價，分析以上布設的22個測試點測試結果分析得出：

(1) 該項目場地夯實復合地基經夯實后的影響深度范圍在3.8～6 m，局部地段可達 7m而夯柱深度在 2.8～5.5 m，絕大部分在 4 m 左右。

(2) 通過瑞雷波速測試分析表明，該施工處理后的夯柱部位剪切波速在 100～225 m/s，推算地基承載力為 95～130 kPa，而夯柱間復合地基的承載力一般要小于此值。

(3) 從對該場地 22 處測試結果分析，其中 D5、D6、D7 一段和D10、D13、D16、D21 等四處夯實不均、效果欠佳。

本項目的波速測試采集數據點間距為50 m，離散程度比較大，不能完全反映夯擊點與點之間和全路段路基夯實情況的質量變化情況，經綜合判斷分析可知，該強夯工藝在本路基加固過程中的效果差異影響較大，因為復合地基剪切波速相比正常施工波速偏低，由此推算其地基承載力也偏低。隨著土體固結時間的增加，其承載力也在不斷提高。建議在設計過程中充分考慮設計方面的要求，并采取有效的技術措施，保證工程施工質量[5]。

總體分析可知，通過采用瑞雷面波法對公路路基的軟弱土體的加固效果檢測評價相比傳統的原位檢測方法能夠有效達到檢測的目標，相比沉降觀測而言，更能夠有效地檢測夯擊深度和夯擊影響深度，從而對軟弱路基的加固影響深度范圍和夯擊整體加固效果進行有價值的評價。

5 結 論

瞬態瑞雷面波測試技術的應用優點包括快速、高效、無損原位測試、方便現場操作等。其已經廣泛推廣應用于公路路基加固效果檢測中。

文中基于一公路軟弱路基夯擊加固效果瑞雷面波現場測試，結合以往面波測試的工程經驗，通過合理設置檢測參數和數據采集點，有效搜集了1 200 m范圍的22個檢測點數據。

現場面波測試需要結合室內土工試驗和現場原位測試進行綜合分析研判，細化合理設置采集參數，選擇合適的檢波器、激振方式，實測面波信號等。

采用瞬態面波測試方法評價強夯軟弱路基，其效果評價顯著，有效反映了加固深度，也能對現場夯擊作業提供一定的指導。

數據分析結果表明，強夯施工工藝能有效對軟弱路基進行加固，面波測試結果表明加固影響深度由于地層性質的變化而變化，加固較好區域影響深度能夠達到6 m左右，夯擊深度能夠達到4 m左右，夯擊影響深度通過頻散曲線能夠有效分析得出。