瞬态瑞雷波法在铁路路基检测中的应用

中铁工程设计咨询集团有限公司 郑州设计院 华建忠

瞬态瑞雷波法在铁路路基检测中的应用

中铁工程设计咨询集团有限公司 郑州设计院 华建忠

铁路路基作为题录轨道结构的基础，必须具备强度高、刚度大、稳定性好的特点。铁路路基压实质量检测是铁路路基质量检测过程中的一项重要工作， 它直接影响行车运营的安全。

目前，对路基压实质量的检测方法主要有轻型动力触探法与物探法两类。轻型动力触探方法的原理是通过在路基中的一定贯入度的锤击数反映压实程度，但该方法有一定的缺陷，首先，触探位置的选择精确度不高，会有一定的偏离，通常可行的做法是选择在路基两侧的路肩上，但这并不能真实反映基床以下的密实程度，做出来的锤击数通常偏小；其次，由于触探采用人工锤击的方法，误差较大。采用物探的方法可以弥补轻型动力触探的不足，笔者所在设计院在许多既有线改造过程中，综合运用瞬态瑞雷波法和轻型动力触探法，确定路基的密实程度，取得了令人满意的效果。

汤台铁路是连接京广线与京九线的重要组成部分，在该路段进行的既有铁路改造中，工作人员采用瞬态瑞雷波法与轻型动力触探法相结合的方法，对路基本体路肩以下10 m深度范围内填筑土的密实程度进行了测量。。

一、瞬态瑞雷波法原理

弹性介质中，弹性波在到达速度或密度不同的介质交界面时会产生反射、折射现象，同时产生界面波。沿表层传播的波被称为面波，面波又分为两种类型，其中，质点沿波的传播方向在垂直平面内振动，其振动轨迹为逆时针方向振动的椭圆，且振幅随深度呈指数函数急剧衰减，传播速度略小于横波；这中面波被称为瑞雷波。

在沿地表传播时，瑞雷波的穿透深度相当于它的波长，因此，频率越低的瑞雷波穿透深度越大。实际工作中，在地面测得的瑞雷波波速VR被认为是深度等于1/2波长范围内介质的平均速度值。根据上述特性可知，当采用不同振动频率的震源产生不同波长的瑞雷波时，可以得到不同穿透深度的瑞雷波的速度值。按1/2波长的深度就可以计算出不同深度介质的平均速度VR。

瑞雷波波速VR与波数K（K＝2πf/VR）是隐函关系，即为VR的频散函数。若给定一个频率f，即可算出一个对应的VR值。在同一地段测量出一系列频率的VR值，就可得到VR– f曲线，也被称为频散曲线。通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的VR值。瑞雷波相对体波（P波、S波）而言，具有能量较强（瑞雷波占67%，纵波占7%，横波占26%）、速度较低、频率较低、容易分辨等特点。研究表明，瑞雷波的能量主要分布在一个波长的范围内。

当基床以下存在软弱层时，就会影响瑞雷波的传播速度。反映在测得的频散曲线上，就会出现异常反映。瞬态瑞雷波频散曲线的特征及其变化与地下岩土体地球物理性质，如地层的厚度、波速等，密切相关。研究这些地层物理特性的变化规律并分析这些特性，就可以初步确定地下岩层的分层以及各层厚度和速度的范围，再通过曲线的综合定量解释，就可以确定出各层厚度及波速，达到地质分层、寻找软弱层等探测目的。瑞雷波的勘探实践表明，瑞雷波检测是一种对软弱土层比较敏感、能够定量解释、而且干扰较小的检测方法。

二、野外工作方法及技术措施分析

本文，笔者以某次野外勘探工作为例，对瑞雷波在铁路路基检测中的具体应用进行说明。勘探工作依据《浅层地震勘查技术规范》（DZ/T0170–1997），采用多道瞬态面波技术进行勘探，使用的仪器为北京水电物探研究所生产的SWS工程勘探检测仪。

勘探工作共进行78个面波点的勘探，位置位于路基路肩上。根据现场地、震地质条件，对观测仪器、震源、仪器采集参数逐项进行了试验，依据试验结果确定勘探的方法：采用纵观测系统，激震点和检波器排列在一条直线上，采用10.8 kg大铁锤做为震源，用4 hZ的专用面波勘探检波器进行12道接收，道间距为2 m，偏移距为3 m，采样间隔为0.25 ms，记录长度为2 000 ms。为了提高现场数据采集的质量，特采取以下措施：

1.在同一激发点重复接收3～5次，把重复接收的信号叠回，取其平均值，以加强有效信号，抑制干扰信号。

2.在勘探点一侧激振和接收完成后，把震源移至勘探点的另一侧再重复接收3～5次，取两侧测量结果的平均值做为该点的最终结果。

三、资料整理

面波勘探采集到的原始资料是面波沿地面传播的振动波形数据，只有对原始资料进行整理、计算和解释，才可以得到所需的勘探结果。针对此次野外勘探工作，笔者选用FKSWSA面波处理系统软件对现场采集的面波资料进行处理、解释。首先计算面波频散曲线，再利用频散曲线和一些已知的相关地质资料进行面波资料的反演解释，最终得到标注有地层参数的面波反演解释结果。典型的路基密实度的瑞雷波频散曲线以勘测点K29＋912为例，其深度–剪切波速反演曲线如图1所示。

有图1可知，该曲线浅部速度低，随着深度的增大，瑞雷波频散曲线斜率变大，相应的VR值变大，中间没有低速带。

典型的路基有软弱层的瑞雷波频散曲线以勘测点K118＋991为例，其深度–剪切波速反演曲线如图2所示。

由图2可知，该点的瑞雷波曲线呈递增趋势，但是该曲线在2.55 ～ 4.24 m段出现低速带，是该段路基密实度不足所致。

依据现有的动探（N10）资料，结合勘探获得的相邻探点的剪切波速进行了相关分析，得到了该区的线性回归公式：

由式（1）可计算出各勘探点不同深度的土层的动探（N10）击数，从而对路基的密实度进行较好的评价。计算结果见表1。

表1 勘探点动探击数计算结果

四、结论

经过认真的现场数据采集和科学的室内计算，取得了准确、可靠的实测数据，较好低完成了本次勘探任务。这表明，在路基检测中采用瞬态瑞雷波技术，可以获得高信躁比的信息，具有较高的分辨能力和勘探精度，是一种有效的勘探手段。