论瑞雷面波法在高铁工程路基检测中的应用

刘猛

【摘 要】近年来，评价路基填筑工程质量，主要是依据地基系数K30和压实系数K（或者孔隙率n）两个指标。传统方法测试速度较慢，在路堤已经填筑完成后，全面、无损、快速检测其工程质量，就显得很困难。因此，目前广泛采用以瞬态瑞雷面波法为主的无损方法检测路堤的填筑质量。

【关键词】瑞雷面波法高铁工程路基检测应用

一、面波法检测基本原理与实施

1.1面波勘探基本原理

瞬态瑞雷面波基本原理：该方法利用瑞雷面波在成层非均匀介质中的频散特性，即瑞雷波的相速度随频率的改变而改变，通过频率改变实现瑞雷波速度测深。

面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞雷波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（R波长）的圆柱体向外扩散。在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）计算出来，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。

综合分析表明R波具有如下特点：

⑴在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；

⑵在不均匀介质中R波相速度（VR）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础，对地层浅部（0～20米）分辨率较高；

⑶由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性，其相关式为：

VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ为泊松比；

此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；

⑷R波在多道接收中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；

⑸质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；

⑹R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内。

依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察的目的。

1.2面波检测路基原理

前人研究结果表明：剪切波波速与土体的密度和有效应力有关，且剪切波速的大小反应了填土的压实效果，但在工程应用中，我们无法直接利用剪切波波速换算压实系数或孔隙率，可行的办法是利用已知的试验数据（压实系数或孔隙率）构造剪切波速度与压实系数或孔隙率的统计关系，进而实现地基压实质量指标的计算。也就是说，通过建立剪切波速度与地基压实度（压实系数K30和孔隙率）的相关关系式来评价地基的填筑质量。

路基质量检测是在基床顶面以瞬时冲击力作震源激发面波，并沿直线接收、记录。经资料处理得到该点不同路基深度处填料的面波速度（见图1瞬态瑞雷面波法检测原理）。瑞雷面波属于体积勘探，它得出的是路基不同深度的瑞雷面波速度，反映的是所布设测线范围内路基质量的综合结果。通过大量的试验及应用研究，面波速度与介质密度、地基系数、路（地）基承载力等有很好的相关关系。因此，可通过实测面波速度的大小及分布，检测路基填料的密度、压实（或地基）系数，评价路基的工程质量。

二.工程概况

新建天津至秦皇岛客运专线，始于天津市，经过唐山市，终点为秦皇岛市，线路全长257公里，其中天津市境内65公里，河北省境内192公里；共设天津、军粮城、滨海、滨海北、唐山、滦河、北戴河、秦皇岛共8个车站。

正线路基累计85.629km，占总长度的33.3%；桥梁累计长度160.712km，占总长的62.4%；隧道14座，累计长度11.101km，占总长的4.3%；铺轨单线590公里，站线铺轨单线74.5公里；接触网1000.3条公里，设牵引变电所7座。

根据设计图纸要求：路基基床表层厚度为0.6m，填料为A组填料；基床底层1.9m，填料为AB组填料；基床以下部分填料为可选A、B、C组填料。但由于当地满足要求的C组填料相对缺乏，遂与设计单位协商后均采用了较易取得的粗角砾土（为满足规范要求的A组填料或B组填料，实际填筑时差别不明显）；鉴于该线路基施工段距离较长，单个料场运距较远，于是以“就近原则”选取了两个料场，其中DK1+000～DK24+660段填料料场母岩为花岗岩，其中的粗颗粒风化程度较高、强度低，细颗粒含量高；DK24+750～DK35+800段填料料场母岩为玄武岩，其中粗颗粒风化程度较前者低，强度相对较高，级配均匀，粗颗粒含量高。路基及过渡段的基床以下路堤本体、基床底层、基床表层三部分自下而上填料基本一致，只是碾压遍数自下而上逐步提高。

三、检测方法、依据及设备

3.1检测内容

检测该线路基工程过渡段和路基填筑压实质量。

3.2检测方法

采用多道瞬态瑞雷波法检测。

3.3检测依据

⑴《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2010）；

⑵《铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10414-2003）；

⑶《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009年版））；

⑷《多道瞬态面波勘察技术规程》（JGJ/T143-2004）；

3.4检测仪器设备

本次路基瑞雷波法数据采集使用青岛骄鹏工程技术研究所有限公司生产的MiniSeis24型综合工程探测仪（以下简称地震仪）及配套的24支4.5Hz动圈式地震检波器、2条面波检测用线缆、18磅长柄大锤、200mm×200mm×20mm合金錘垫等，主要分析软件为日本OYO公司研发的SeisImager/SW软件。

四、工作布置

4.1测点布置

依据该项目招标文件要求，面波抽检频率为：路基每500米检测2点，桥涵过渡段每处检测2点，本工程项目实际检测440点。检测过程中，无明显外界干扰的测点，检波器排列方向与线路方向平行，面向大里程，排列分别位于线路中线左2米和右2米处；在线路附近有一上都电厂，距上都电厂2.0km范围内，由于发电机组运转影响，对数据采集造成较大影响，为减小这种固定方向的振动影响，测线布置时检波器排列方向指向电厂、与线路方向斜交，震源位于排列和电厂之间，使得数据质量得到了很大改善。

4.2观测系统

多道瞬态瑞雷波法检测观测系统采用直线观测系统，当路基填筑厚度大于或等于10m时，24支检波器接收，道间距为1.0m，最小偏移距为4.0m；当路基填筑厚度大于5m、小于10m时，12支检波器接收，道间距为1.0m，最小偏移距为3.0m；当路基填筑厚度小于5m时，12支检波器接收，道间距为0.5m，最小偏移距为2.0m。

五、判定标准的建立

在正式开展检测工作前，我公司于DK1+000～DK24+660和DK24+750～DK35+800段分别选取施工单位的路基填筑实验段进行了面波检测，测点布置尽可能与施工单位自检的压实系数（K30）、孔隙率（n）试验点位置重合，并由施工单位提供了相应段的所有K30和n实验数据。对剪切波速度、压实系数、孔隙率三种实验数据进行了整理、剔除、分析后，归纳出如下关系式：

六、资料处理与解释

多道瞬态瑞雷面波数据处理与解釋包括：记录的编辑、时域窗口面波提取、提取基阶面波、计算正演频散曲线、反演拟合、速度结构层建立、利用判定公式计算相关参数等步骤，流程详见图2，面波法检测路基结果图见图3。

七、检测结果

新建天津至秦皇岛客运专线工程DK1+000～DK35+800范围内路基分5次进行现场检测，共抽检220个路基断面，每个断面抽检2个测点，共计440个测点。

通过多道瞬态瑞利波法检测，该工程440个抽检点中有20个点第一次检测不合格，经过施工单位重新处理后复检，基床表层、基床底层及基床以下路堤其换算压实系数K30、孔隙率n值均达到设计要求，路基压实质量评价为全部合格。