高速公路路基压实度动态测试技术研究

杨允泉

(黔南州交通试验检测中心)



高速公路路基压实度动态测试技术研究

杨允泉

(黔南州交通试验检测中心)

高速公路路基压实度检测的常规方法是环刀法和灌砂法，但是这两种测试方法已经不能满足当前高速公路的建设速度，其耗时长，劳动强度法，甚至还会对高速公路造成不同程度的破坏。因此，动态测试技术得到了公路施工企业的欢迎。最为常用的就是瑞雷波法，可建立瑞雷波速和图密度之间的关系模型，运用四种曲线模型进行回归分析。结合具体的工程实例对高速公路路基压实度动态测试技术进行深入分析。

高速公路；路基压实度；动态测试

1 工程概况

某二级公路工程，起止桩号：K0+000～K12+964.065(短链：711.315m)，全长12.252 750km，总工期共计18个月，工程投资26 528万元。起点于省道S205K128+750处，与银盏工业园区C5线起点重合，地名银坑水，向南沿省道S205布线，在K0+200处下穿马场坪至道真高速公路，在干西槽K0+800处于省道平交后向大林方向布线，在K0+900处再次下穿马场坪至道真高速公路；然后经史家坳(K1+900)、鹿鸡塘(K4+700)(该处下穿贵阳至瓮安高速公路)、胡家院(K6+000)、大寨(K6+900)，于熊南潮(K8+500)接瓮安至玉华现有公路，沿现有公路布线经牛栏坪(K10+000)、地开(K11+800)、至终点玉华至建中油路起点，路线呈南北向。中间控制点有K0+200、K0+900、下穿马场坪至道真高速公路处和K1+900史家坳、K4+700下穿贵阳至瓮安高速公路。主要工程包括路基土石方149万m3，中桥四座(I、II号桥为1～20m的简支空心板桥，III、IV号桥为3～20m的简支空心板)。本项目路基宽度采用双车道二级公路进行设计，一般路段路基宽度12.0m，断面布置为：0.5m土路肩+2.0m硬路肩+2×3.5m行车道+2.0m硬路肩+0.5m土路肩。

2 高速公路路基压实度动态测试技术的应用

2.1 测试技术参数的确定

瞬态瑞雷波法采用的震源在实践概念上表现的形式是一个脉冲的冲击，激发的面波频率是根据激发脉冲能量以及激发地点地层的刚度决定的。如果激发的能量大，那么产生的面波富含频率成分就会越低，这样可以大幅度提高长波长的信噪比，同时也可以对路基的情况有着较为可观的全面反馈。一般情况下，落重的能量会比较大，但是较之爆炸震源来说，还是爆炸震源产生的低频面波更加丰富。

在高速公路路基压实度动态测试中，因为上述工程路基的高度低于2m，就采用锤击作为震源，这样能够更加准确地反映路基深度，满足相关测试要求。

2.2 试验装置及测试方法分析

在室内试验的过程中对路基土密度和瑞雷波速值关系建立相应的关系模型之后，就可以对上述工程的路基压实度进行检测试验。

该检测设备系统是一个具有综合性功能的设备，该设备将SWS—2型多波列震动映像和相关的工程检测设备有效结合，然后再采用具有一定重量的力锤，这样就形成了一个较为完整的检测流程。在检测过程中，需要将相关的检测设备连接一起，并且选择路面较为平整的路段，在路基内部固定的传感器，从而保证路面信号的有效传递。在该工程中，每一个击震点都布置了12个传感器，将其布置在一个纵向直线上，传感器需和检测车的主机相连接，在用力锤击路基时，相关仪器会自动显示检测信号。锤击需要多次，但是每次锤击之间需要有一段间隔时间，测试中不能抖动导线，避免干扰信号的产生。

2.3 瑞雷波频散曲线求取的理论基础

众所周知，每一种信号都可以通过向量来表示，在高速公路路基压实度动态测试中，可以将测试信号用正弦和余弦两种形式表示。这样做的主要目的是转化数据，将时间距离的波长信息转换成频率波数谱的数据。在瞬态面波法中，要想提取有效信息，就必须对频谱进行详细分析。

用力击打高速公路路基的表面，据对相关波动知识的了解，从震源经传感器1和传感器2向外传播，对于单道检波器采集的时域振动信号x(t)，可以通过傅氏变换获得频率域中的幅频值，其计算如下

Sjj(ω)=Xj(ω)·Xj(ω)

S(j+1)(j+1)(ω)=Xj+1(ω)·Xj+1(ω)

假设地面上布置了n各检波器，道路两边的间距是Δx，其记录到的时间域瞬态瑞雷波信号为x1(t)、x2(t)……xn(t)，根据傅氏变换，其频谱为

任意相邻两道xj(t)，xj+1(t)，其互功率谱为

S(j+1)j(ω)=Xj+1(ω)·Xj(ω)=│Xj+1(ω)│·│Xj(ω)│e-iΔΨ(ω)

其中，Xj(ω)，Xj+1(ω)为Xj(ω)，Xj+1(ω)的复共轭谱。

根据上述公式可以了解，每一种频率之间都会有所差别，而这种差别表现在每一频相速度的不同，但由此可以得知测试对象的频散曲线。然后通过多次的拟合，即可实现动态测试过程。

2.4 路基压实度瑞雷波法检测的信号处理

路基压实度瑞雷波法检测的信号处理一般有四个步骤：首先，要分析时域信号，然后圈定一定的时间数据范围，将直达或者是反射波类的信号转化成频域中的信号，这样便于频谱的分析；其次，需要对时域中的信号进行转换，基本做法是将其转换为频域中的所需信息，在此基础上，再对数据进行整理；然后，对最终整合出的频散数据信息进行进一步的分层处理，这样就可以获得每一个地层的压实度测试结果。

(1)时间距离(X—T)域中的面波

在高速公路路基压实度动态测试过程中，最为重要的就是信号的获取。在时间距离域中可以得知面波和干扰波的显著特点，这是后续数据分析的基础。面波一般都是可以通过多种方法来获得的，然后用二维形式表现出来。横坐标代表的是检波中震源到通道之间的距离，而纵坐标表示的震源激发之后传播的时间长度，向下就是表示时间长度不断增加。上述工程地基土时域检测信号如图1所示。

图1 地基土时域信号显示图

(2)频域波数(F—K)中的面波

从面波模态的组成来看，随着地层刚度的逐渐加深，存在于地表层中的能量大多表现为基阶模态，这样形成的频散特征不明显，根据此信息可以得出地层的弹性参数。如果高速公路的路基深层中有软弱夹层的存在，且其表面有刚度的地质土覆盖着，那么将会对压实度动态测试造成较大的影响，其突出表现为面波能量不能顺利扩散。

(3)面波频散特征

面波的频散规律可以用频率(F)以及相速度(Vc)二维坐标图形中的一系列数据点。同时，也可以由频率和相速度换算出该频率的波长(λ=Vc/F)，将频散数据表示在一个二维图中，该图是由以半波长(λ/2)和相速度(Vc)构成横坐标的，如图2所示，是上述工程的面波频散特征示意图。

图2 地基土频散曲线

在对频散数据进行分层之后，需要进行一定的调试拟合，这样既可以根据每段频散数据点确定该图层内的平均波速值。在调试拟合后，其得出的频散数据点会和实际的公路状况相符，这样就能够切实提高检测数据的准确性。

3 结束语

综上所述，如果高速公路路面路基的状况良好，那么其具有很强的承载力。当路面受到较大的外界压力时，其底部不会产生过大的弯拉力应力。当路面板下路基稳定，就能够提供良好的支承。可以看出，振动波形会随着路基路面的压实度的不同呈现出不同的波形，且波形变化表现得较为明显。这是因为在混凝土路面板有脱空情况存在时，路面板的的振动会对脱空有很好的反映，但是当其受到瞬间的击打时，混凝土路面板就会因为脱空的存在，造成路面板的自由振动。

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2015-01-04

杨允泉(1978-)，男，贵州都匀人，工程师，主要从事公路工程试验检测研究。

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1008-3383(2015)09-0004-02