巖土物探在公路路基填方數量檢測中的應用

摘要：本文以珠江三角洲某段路基填砂工程為實例，介紹了運用巖土工程勘察中的地質雷達法、瑞雷面波法和靜力觸探法等物探手段檢測路基填方數量的新辦法。
關鍵詞：巖土物探填方數量檢測

1　工程概況
　　在建的廣東省南海市南北三線K7+487～K17+963段，全長10.5km，地處珠江三角洲腹地，沿線河網縱橫，魚塘密布。在施工中常采用不排水填砂擠淤的施工工藝對魚塘等軟基路段進行處理。由于填筑砂對淤泥的擠壓、下沉不一致，致使底界面起伏變化較大，造成類似的工程項目中業主單位、質監單位和施工單位對于擠淤效果和填筑方量的問題爭議較多。對于這類爭議以前通常采用地質抽芯的方法進行仲裁，以每隔一定距離鉆一排孔來校核填砂層的厚度。這種方法存在以下不足之處：①在填砂層中不易取芯，難以取得較準確的填砂層底界面深度；②沿路基軸線相隔較大距離(一般為20m或更大)用鉆孔來控制填層的底界面，對于填方底界面起伏較大的地段，誤差較大；③在具體操作上容易出現不公正現象(人為因素多)；④抽芯費時、費力、檢測成本高。為了克服以上存在問題，本文介紹采用巖土工程勘察中的靜力觸探、地質雷達、瑞雷面波三種方法互相結合進行檢測試驗的方法。通過試驗確定適用于珠江三角洲公路路基填方檢測的物探方法及其組合，并檢驗其是否滿足工程檢測精度要求。為了驗證物探法應用于公路路基填方檢測的適用性和有效性，本文選取了南海市南北三線一級公路西樵百東至丹灶K11+790～K11+940和K12+070～K12+420兩個具有代表性填方路段作為試驗段。試驗路段路基的填層及下伏地層由上至下為素填土層、細砂填層以及下伏層的淤泥層(或耕植土、粘土等)。

2　物探方法技術
2.1　地質雷達法

圖1地質雷達探測原理及記錄示意圖
　　地質雷達的檢測原理(見圖1)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，在地面通過發射天線(T)將信號傳入地下，經地層界面或目的體反射后返回地面，再由接收天線(R)接收其電磁波反射信號，通過對電磁反射信號的時頻特征和振幅特征進行分析，便能了解到地下地層或目的體的特征信息。當電磁波在地下介質中的傳播速度已知時(可根據經驗、通過對具體介質標定或與已知資料的對比來確定)，就可將測到的電磁波反射信號的時間值，換算成反射體的深度值。其換算公式為：

式中：t—電磁波反射信號的雙程放行時間；?
　　　z—探測目的體的埋深；?
　　　x—天線距；?
　　　v—電磁波在介質中的傳播速度。?
　　當x相對于z較小時，有t=2z/v，z=tv/2。
　　結合已知的地質資料及現場的實際情況，可對電磁波反射界面及分層作出地質解釋，從而達到探測目的。本文地質雷達檢測所使用的儀器為加拿大探頭及軟件公司(SSI)生產的pulseEKKOⅣ型探地雷達儀，它主要由控制單元、發射天線、接收天線及微機四部分組成，發射與接收信號均由光纜傳輸。其主要技術參數如下：?
　　①系統特性：155dB；
　?、诳沙绦驎r窗：32～2048ns；
　?、劭沙绦虿蓸娱g隔：800～8000Ps；
　　④可程序疊加范圍：1～2048次。

2.2　瑞雷面波法

　　瑞雷面波是沿地面表層(一定深度)傳播的表面振動波，瑞雷面波具有頻散特性，即不同頻率(f)的瑞雷面波具有不同的穿透深度(h)，其穿透深度約為1個波長(λ)。瞬態面波檢測：用重錘在地面(墊鐵板)激振，便會產生以振源為中心，具有豐富頻率成份并沿地表一定深度向四周傳播的瑞雷面波，通過在地面離振源一定距離(偏移距)埋設一組等間距的檢波器，經電纜與面波儀連接接收瑞雷面波，并用面波處理專用軟件對其進行處理分析，從而可求得測試計算(段)點處每一頻率(fi)對應的平均瑞雷面波速度(Vpi)及其對應的探測深度(hi)。經驗表明，一定頻率(fi)瑞雷面波的有效探測深度(hi)為其半波長(λi/2)，即hi=VRi/(2fi)。激振頻率越高，其探測深度越淺；激振頻率越低，其探測深度越深。根據以上計算結果及半波長計算探測深度原則，可繪制打印瑞雷面波速度(VR)與其對應探測深度(H)的VR-H曲線。瑞雷面波波速(VR)反映了其對應探測深度土層介質的物理性質，通過對探測巖土介質進行一系列點的檢測計算，可繪制成VR-H剖面曲線，根據VR層速度的相近性及VR-H剖面曲線拐點的連續性，可對其進行速度分層，結合已有的地質資料或綜合其它檢測方法可對其作出地質解釋。其工作示意圖見圖2。

圖2瑞雷面波工作示意圖

　　本次瑞雷面波檢測使用的儀器是北京華水物探技術研究所生產的SWS-1型多功能面波儀，檢波器為重慶地質儀器廠生產的CDJ-Z10型垂直檢波器。其主要技術指標如下：?
　　(1)SWS-1型多功能面波儀?
　?、偻ǖ罃担?2道或24道，可選；?
　?、诜糯笃鳎核矔r浮點放大器；?
　?、矍胺旁鲆妫?00倍(40dB)；?
　　④動態范圍：120dB；?
　?、萃l帶：0.5～2000HZ；?
　　⑥A/D轉換：20bit；?
　?、卟蓸勇剩?0μs(12道)～8ms(24道)；?
　?、嗖杉c數：每道512～8192個樣點；?
　?、崞渌簝戎?86計算機。?
　　(2)CDJ-Z10型垂直檢波器?
　?、俟逃蓄l率：10±0.5HZ；?
　?、陟`敏度：0.28±5％V/cm/s；?
　?、圩枘嵋驍担海?.5；?
　?、芟辔灰恢滦裕海肌?ms；?
　?、葜C波失真：＜0.2％。

2.3　靜力觸探法
　　靜力觸探是用探桿將單橋應變式探頭壓入土層中，在壓入過程中探頭所受壓力隨土層阻力的變化而相應變化，土層越硬阻力越大，反之越軟阻力越小。通過探頭內的阻力傳感器，將土層的阻力轉換為傳感器的應變量，然后由靜態電阻應變儀測量出來，并由人工以一定的壓入深度間距對應變量進行登錄。然后將應變量換算為土層的比貫入阻力值Ps(Ps=kζ，k為探頭的率定系數，ζ為應變量)，據此可作出土的比貫入阻力(Ps)隨深度(h)的變化曲線圖，依據Ps-h曲線的變化特征及Ps值的大小，可對其進行土層阻力分層，結合已知的地質資料及實地土層結構，可對阻力分層作出地質解釋。
　　靜力觸探法檢測采用上海新遠電訊廠生產的YJ-X1靜態電阻應變儀，所用應變式探頭的率定數為0.006635MPa/μζ，貫入速度控制在1m/min左右。資料整理是依據鐵道部《靜力觸探技術規則》的方法，將現場測讀的應變量換算為土層的比貫入阻力，即

Ps=0.06635ζ

式中：Ps—土層的比貫入阻力，MPa；?
　　　ζ—應變量，μζ。?
　　根據上述換算結果，可以作出各觸探孔土層的比貫入阻力隨深度的變化曲線圖，P?s值的大小可對其進行阻力分層，再按經驗對照地層結構層次和地質鉆探資料作出各層地質比較。

3　測線和測點布設
　　采用瑞雷面波法和地質雷達法進行試驗時，兩個試驗段沿公路路基共布設了6條縱測線，即各試驗段3條，線距為11m，在垂直于軸線方向共布設了26條橫測線，線距10、20、30m不等。?
　　瑞雷面波法檢測時，在K11+790～K11+940的路段3條縱測線上的檢測點間距為5.0m，在K12+070～K12+420路段3條縱測線上的檢測點間距為10.0m，共布設了188個檢測點，剖面總長達1500m。?
　　地質雷達法檢測時，縱橫共32條測線，測點間距0.5m，共布設了4560個測點，剖面總長達2280m。?
　　靜力觸探法檢測時，共選15個孔，分層測點間距取5cm，共布設了4560個測點，剖面總長達65.0m。

4　檢測結果分析
　　為了對比瑞雷面波、地質雷達相對于靜力觸探的檢測精度，現將同一檢測點3種方法所檢測的填砂層底界面深度列于表1。?
　　從表1的計算對比可以看出：瑞雷面波相對于靜力觸探檢測分層的相對誤差范圍值為-0.17～0.12m，其算術平均相對誤差為±0.03m；地質雷達相對于靜力觸探檢測分層的相對誤差范圍值為-0.19～0.05m，其算術平均相對誤差為±0.038m。靜力觸探的分層精度可控制在±0.05m以內。因此，可以認為瑞雷面波、地質雷達兩種物探方法的探測路基細砂填層底界面的誤差≤0.10m。

5　路基填方量計算
　　結合試驗路段路基3種方法的檢測結果，可以繪出各測線綜合地質解釋剖面圖，并根據分析結果依各測線所跨的地形、地物情況和所檢測劃分的填砂層界面趨勢添畫淤泥砂過渡帶底界面。再根據試驗路段綜合地質解釋剖面圖所反映的各測點填砂底界面的深度數據，可以生成試驗段路基填方砂層底界面的等深線圖和立體示意圖。從圖中可獲得兩個試驗路段路基填砂層的底界面深度變化范圍，即K11+790～K11+940路段為0.9～2.1m；K12+070～K12+420路段為0.8～3.2m，厚度變化較大。

單位：m　　　三種方法填砂層底界面深度結果比較　　　表1

圖3路基填方量計算示意圖

　　根據上述填方底界面的埋深數據，結合實際路基填方橫斷面(如圖3所示)，可以進行路基填方數量計算。本文沿路基軸線每隔20m為一個計算單元，填方量分三部分計算。第一部分為設計路面寬度范圍以下填方量，根據試驗路段路基以下的填砂層底界面埋深數據，采用美國IBM公司的surfer軟件計算其填方量(V?1)；第二和第三部分為路基兩側的填方量，則按以下公式計算：

式中：V2(或V3)——路基兩側填方量；
　　　Hi——某一斷面路基標高；
　　　hi——〖WB〗某一斷面距中心軸線13m處的填砂層底界面埋深；
　　　n——分段計算單元個數；
　　　L——路段總長度。
　　上述計算過程均由計算機完成，最后獲得路基填方總數量，即K11+790～K11+940路段填方量7452m3，其路基下面過渡帶的方量為622m3；K12+070～K12+420路段填方量為16548m3，其過渡帶的方量為863m3。

6　結束語
　　傳統的路基土方計算是每隔20m按左、中、右各標點高繪制斷面圖，前后樁號斷面積相加求積，而物探法采用的計算方法是按5.2×5.0m2空間網格求積，測點密度是傳統方法的40倍，方量計算網格是傳統方法的7倍，因而大大提高了計算精度。
　　從本次公路路基填方量的檢測試驗結果來看，采用物探與靜力觸探相結合的檢測方法是較為成功的，其分層精度可控制在±0.10m內，能滿足精度要求。此外，由于物探檢測工作效率高，測點可以布置得很密(如地質雷達測點為0.5m，甚至可取0.25m)，因此可對填層界面進行連續追蹤、細致劃分，且人為的因素影響較小，這是鉆探取芯檢測所不可比擬的。
　　在本路段公路路基填方檢測中，瑞雷面波法有其適應性。而通過本試驗路段地質雷達與瑞雷面波法檢測結果的對比可知：地質雷達法要優于瑞雷面波法。因此，可以確定地質雷達為公路路基填方量檢測的有效物探方法，同時輔以少量的靜力觸探孔用于校核不同路段填筑材料的電磁波速度。