徐晨鳴，周艷紅

（1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.南京交通建設(shè)項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

高速公路路基路面在行車荷載、自然環(huán)境和施工質(zhì)量等諸多因素作用下出現(xiàn)不同類型的病害。為了解病害產(chǎn)生的原因及其發(fā)展情況，有必要對(duì)這些病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢測(cè)。傳統(tǒng)的鉆探取芯、開(kāi)挖取樣檢測(cè)手段不但效率低、代表性差、成本高，而且具有破壞性。目前世界各國(guó)都在發(fā)展快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，公路工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)也隨之發(fā)展。

每一種檢測(cè)手段有其不同的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，因此正確選擇檢測(cè)手段是非常有意義的。對(duì)于擴(kuò)建工程來(lái)說(shuō)，無(wú)破損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為檢測(cè)原有路基路面工程質(zhì)量的重要手段。

本文根據(jù)滬寧高速公路瑞利波檢測(cè)數(shù)據(jù)，擬合波速與壓實(shí)度對(duì)應(yīng)關(guān)系式，并通過(guò)鉆孔取樣驗(yàn)證瑞利波檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

1 瑞利波原理簡(jiǎn)介

彈性波到達(dá)彈性、速度或密度不同的介質(zhì)界面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生界面波，將沿自由方向表面?zhèn)鞑サ牟ǚQ為表面波。其中質(zhì)點(diǎn)在波的傳播方向垂直平面內(nèi)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓且振幅隨深度呈指數(shù)急劇衰減，傳播速度略小于橫波。面波波長(zhǎng)和波及深度、面波速度和剪切波速點(diǎn)狀震源產(chǎn)生的球面波，將彈性能量向周邊介質(zhì)傳遞，在地表自由面上，受界面彈性條件的制約，產(chǎn)生沿地表傳播的壓縮波和CV型剪切波，疊合形成瑞利面波。它的傳播規(guī)律，反映了傳播途徑中所涉及介質(zhì)的彈性參數(shù)。瑞利波具有兩種特性：a）瑞利波在分層介質(zhì)中傳播時(shí)具有頻散性；b）瑞利波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。利用此兩種特性可進(jìn)行高速公路路基工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)。

1.1 路基結(jié)構(gòu)層厚度的測(cè)試

應(yīng)用瑞利波測(cè)定路基結(jié)構(gòu)層的厚度是基于層狀介質(zhì)中瑞利波頻散曲線的變化規(guī)律，它除與結(jié)構(gòu)層的物理參數(shù)有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)層厚度密切相關(guān)，尤其是頻散曲線的拐點(diǎn)即（vR為瑞利波波速，λ為波長(zhǎng)）的極值點(diǎn)，只與結(jié)構(gòu)層厚度有關(guān)。各層的界面深度為：

式中，Hj為第j層底界面深度，m；β為系數(shù)，可取0.35～0.5；λj為極值點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，m。

確定了各層的底界面的深度，即可計(jì)算處各層的厚度。

1.2 壓實(shí)度測(cè)試

利用彈性波測(cè)定壓實(shí)度k是基于速度與密度間存在的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)此關(guān)系可以推導(dǎo)出的換算關(guān)系式為：

式中，vp、vR是與實(shí)際壓相應(yīng)的縱波實(shí)度達(dá)到密度ρ相應(yīng)的縱波和瑞利波速度；vp0、vR0是與最大密度ρ0相應(yīng)的縱波和瑞利波速度；B1、B2由統(tǒng)計(jì)分析求取。

瞬態(tài)瑞利波的測(cè)試是通過(guò)上述兩種換算關(guān)系式確定所測(cè)試路段路基路面的質(zhì)量參數(shù)，其換算僅僅是通過(guò)波速及波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行判斷分析，換算較為簡(jiǎn)化明了，所得數(shù)據(jù)較為直觀，通過(guò)一定資料的標(biāo)定，可以達(dá)到較高的測(cè)試精度。

2 鉆探取芯驗(yàn)證瑞利波結(jié)論

瑞利波檢測(cè)結(jié)果顯示：063+550~650波速為171.5m/s、 205.9m/s； 095+250~350波速為357.1m/s；226+360~460波速為193.3m/s、 189.8m/s和205.5m/s（見(jiàn)圖1～圖3）。

圖1 063+550~650瑞利波速圖

圖2 095+250~350瑞利波速圖

圖3 226+360~460瑞利波速圖

通過(guò)鉆取滬寧高速公路不同部位路基孔，進(jìn)行干密度、最大干密度和壓實(shí)度等相關(guān)的土工試驗(yàn)。瑞利波波速與其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 滬寧高速干密度、最大干密度、壓實(shí)度、瑞壓實(shí)度與瑞利波速統(tǒng)計(jì)表

3 瑞利波評(píng)價(jià)體系

理論及實(shí)驗(yàn)研究表明，瑞利面波波速與壓實(shí)度之間存在如下關(guān)系：

通過(guò)對(duì)鉆探所得到的Vr與K之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析得到關(guān)系式（見(jiàn)圖4）：

圖4 Vr與K回歸分析示意圖

根據(jù)壓實(shí)度與波速標(biāo)定的結(jié)果，提出以下評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

a）波速小于180m/s的波速層路基質(zhì)量定義為差；

b）波速在180～230m/s范圍的波速層路基質(zhì)量定義為次；

c）波速在230～330m/s范圍的波速層路基質(zhì)量定義為中；

d）波速在330～380m/s范圍的波速層路基質(zhì)量定義為良；

e）波速大于380m/s的波速層路基質(zhì)量定義為優(yōu)。

根據(jù)以上計(jì)算分析得出壓實(shí)度、瑞利波速及優(yōu)良等級(jí)對(duì)應(yīng)范圍（見(jiàn)表2）。

表2 壓實(shí)度、瑞利波速等級(jí)對(duì)比表

4 結(jié)論

本文基于滬寧高速公路鉆孔土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及瑞利波檢測(cè)資料，得出以下結(jié)論：

a）瑞利波檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)是快速的、準(zhǔn)確的和有效的；

b）利用滬寧高速公路擴(kuò)建工程無(wú)損檢測(cè)的數(shù)據(jù)與鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比分析，證實(shí)了它們的可靠性；

c）瑞利波波速確立了高速公路路基路面質(zhì)量指標(biāo)與檢測(cè)物理參數(shù)間直接或相關(guān)關(guān)系。

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