巖土物探在公路路基填方數(shù)量檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：本文以珠江三角洲某段路基填砂工程為實(shí)例，介紹了運(yùn)用巖土工程勘察中的地質(zhì)雷達(dá)法、瑞雷面波法和靜力觸探法等物探手段檢測(cè)路基填方數(shù)量的新辦法。
關(guān)鍵詞：巖土物探填方數(shù)量檢測(cè)

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(zhǎng)10.5km，地處珠江三角洲腹地，沿線河網(wǎng)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(duì)魚塘等軟基路段進(jìn)行處理。由于填筑砂對(duì)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(xiàng)目中業(yè)主單位、質(zhì)監(jiān)單位和施工單位對(duì)于擠淤效果和填筑方量的問題爭(zhēng)議較多。對(duì)于這類爭(zhēng)議以前通常采用地質(zhì)抽芯的方法進(jìn)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(zhǔn)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(duì)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(xiàn)不公正現(xiàn)象(人為因素多)；④抽芯費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、檢測(cè)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(zhì)雷達(dá)、瑞雷面波三種方法互相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)的方法。通過試驗(yàn)確定適用于珠江三角洲公路路基填方檢測(cè)的物探方法及其組合，并檢驗(yàn)其是否滿足工程檢測(cè)精度要求。為了驗(yàn)證物探法應(yīng)用于公路路基填方檢測(cè)的適用性和有效性，本文選取了南海市南北三線一級(jí)公路西樵百東至丹灶K11+790～K11+940和K12+070～K12+420兩個(gè)具有代表性填方路段作為試驗(yàn)段。試驗(yàn)路段路基的填層及下伏地層由上至下為素填土層、細(xì)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(shù)
2.1　地質(zhì)雷達(dá)法

圖1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理及記錄示意圖
　　地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)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(fā)射天線(T)將信號(hào)傳入地下，經(jīng)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(hào)，通過對(duì)電磁反射信號(hào)的時(shí)頻特征和振幅特征進(jìn)行分析，便能了解到地下地層或目的體的特征信息。當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度已知時(shí)(可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、通過對(duì)具體介質(zhì)標(biāo)定或與已知資料的對(duì)比來確定)，就可將測(cè)到的電磁波反射信號(hào)的時(shí)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(hào)的雙程放行時(shí)間；?
　　　z—探測(cè)目的體的埋深；?
　　　x—天線距；?
　　　v—電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。?
　　當(dāng)x相對(duì)于z較小時(shí)，有t=2z/v，z=tv/2。
　　結(jié)合已知的地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，可對(duì)電磁波反射界面及分層作出地質(zhì)解釋，從而達(dá)到探測(cè)目的。本文地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)所使用的儀器為加拿大探頭及軟件公司(SSI)生產(chǎn)的pulseEKKOⅣ型探地雷達(dá)儀，它主要由控制單元、發(fā)射天線、接收天線及微機(jī)四部分組成，發(fā)射與接收信號(hào)均由光纜傳輸。其主要技術(shù)參數(shù)如下：?
　　①系統(tǒng)特性：155dB；
　　②可程序時(shí)窗：32～2048ns；
　　③可程序采樣間隔：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(dòng)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(gè)波長(zhǎng)(λ)。瞬態(tài)面波檢測(cè)：用重錘在地面(墊鐵板)激振，便會(huì)產(chǎn)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(shè)一組等間距的檢波器，經(jīng)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(duì)其進(jìn)行處理分析，從而可求得測(cè)試計(jì)算(段)點(diǎn)處每一頻率(fi)對(duì)應(yīng)的平均瑞雷面波速度(Vpi)及其對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度(hi)。經(jīng)驗(yàn)表明，一定頻率(fi)瑞雷面波的有效探測(cè)深度(hi)為其半波長(zhǎng)(λi/2)，即hi=VRi/(2fi)。激振頻率越高，其探測(cè)深度越淺；激振頻率越低，其探測(cè)深度越深。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及半波長(zhǎng)計(jì)算探測(cè)深度原則，可繪制打印瑞雷面波速度(VR)與其對(duì)應(yīng)探測(cè)深度(H)的VR-H曲線。瑞雷面波波速(VR)反映了其對(duì)應(yīng)探測(cè)深度土層介質(zhì)的物理性質(zhì)，通過對(duì)探測(cè)巖土介質(zhì)進(jìn)行一系列點(diǎn)的檢測(cè)計(jì)算，可繪制成VR-H剖面曲線，根據(jù)VR層速度的相近性及VR-H剖面曲線拐點(diǎn)的連續(xù)性，可對(duì)其進(jìn)行速度分層，結(jié)合已有的地質(zhì)資料或綜合其它檢測(cè)方法可對(duì)其作出地質(zhì)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(cè)使用的儀器是北京華水物探技術(shù)研究所生產(chǎn)的SWS-1型多功能面波儀，檢波器為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的CDJ-Z10型垂直檢波器。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：?
　　(1)SWS-1型多功能面波儀?
　　①通道數(shù)：12道或24道，可選；?
　　②放大器：瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器；?
　　③前放增益：100倍(40dB)；?
　　④動(dòng)態(tài)范圍：120dB；?
　　⑤通頻帶：0.5～2000HZ；?
　　⑥A/D轉(zhuǎn)換：20bit；?
　　⑦采樣率：30μs(12道)～8ms(24道)；?
　　⑧采集點(diǎn)數(shù)：每道512～8192個(gè)樣點(diǎn)；?
　　⑨其它：內(nèi)置486計(jì)算機(jī)。?
　　(2)CDJ-Z10型垂直檢波器?
　　①固有頻率：10±0.5HZ；?
　　②靈敏度：0.28±5％V/cm/s；?
　　③阻尼因數(shù)：＞0.5；?
　　④相位一致性：＜±1ms；?
　　⑤諧波失真：＜0.2％。

2.3　靜力觸探法
　　靜力觸探是用探桿將單橋應(yīng)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(yīng)變化，土層越硬阻力越大，反之越軟阻力越小。通過探頭內(nèi)的阻力傳感器，將土層的阻力轉(zhuǎn)換為傳感器的應(yīng)變量，然后由靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量出來，并由人工以一定的壓入深度間距對(duì)應(yīng)變量進(jìn)行登錄。然后將應(yīng)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(shù)，ζ為應(yīng)變量)，據(jù)此可作出土的比貫入阻力(Ps)隨深度(h)的變化曲線圖，依據(jù)Ps-h曲線的變化特征及Ps值的大小，可對(duì)其進(jìn)行土層阻力分層，結(jié)合已知的地質(zhì)資料及實(shí)地土層結(jié)構(gòu)，可對(duì)阻力分層作出地質(zhì)解釋。
　　靜力觸探法檢測(cè)采用上海新遠(yuǎn)電訊廠生產(chǎn)的YJ-X1靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，所用應(yīng)變式探頭的率定數(shù)為0.006635MPa/μζ，貫入速度控制在1m/min左右。資料整理是依據(jù)鐵道部《靜力觸探技術(shù)規(guī)則》的方法，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)讀的應(yīng)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(yīng)變量，μζ。?
　　根據(jù)上述換算結(jié)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(duì)其進(jìn)行阻力分層，再按經(jīng)驗(yàn)對(duì)照地層結(jié)構(gòu)層次和地質(zhì)鉆探資料作出各層地質(zhì)比較。

3　測(cè)線和測(cè)點(diǎn)布設(shè)
　　采用瑞雷面波法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)試驗(yàn)段沿公路路基共布設(shè)了6條縱測(cè)線，即各試驗(yàn)段3條，線距為11m，在垂直于軸線方向共布設(shè)了26條橫測(cè)線，線距10、20、30m不等。?
　　瑞雷面波法檢測(cè)時(shí)，在K11+790～K11+940的路段3條縱測(cè)線上的檢測(cè)點(diǎn)間距為5.0m，在K12+070～K12+420路段3條縱測(cè)線上的檢測(cè)點(diǎn)間距為10.0m，共布設(shè)了188個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，剖面總長(zhǎng)達(dá)1500m。?
　　地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)時(shí)，縱橫共32條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距0.5m，共布設(shè)了4560個(gè)測(cè)點(diǎn)，剖面總長(zhǎng)達(dá)2280m。?
　　靜力觸探法檢測(cè)時(shí)，共選15個(gè)孔，分層測(cè)點(diǎn)間距取5cm，共布設(shè)了4560個(gè)測(cè)點(diǎn)，剖面總長(zhǎng)達(dá)65.0m。

4　檢測(cè)結(jié)果分析
　　為了對(duì)比瑞雷面波、地質(zhì)雷達(dá)相對(duì)于靜力觸探的檢測(cè)精度，現(xiàn)將同一檢測(cè)點(diǎn)3種方法所檢測(cè)的填砂層底界面深度列于表1。?
　　從表1的計(jì)算對(duì)比可以看出：瑞雷面波相對(duì)于靜力觸探檢測(cè)分層的相對(duì)誤差范圍值為-0.17～0.12m，其算術(shù)平均相對(duì)誤差為±0.03m；地質(zhì)雷達(dá)相對(duì)于靜力觸探檢測(cè)分層的相對(duì)誤差范圍值為-0.19～0.05m，其算術(shù)平均相對(duì)誤差為±0.038m。靜力觸探的分層精度可控制在±0.05m以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為瑞雷面波、地質(zhì)雷達(dá)兩種物探方法的探測(cè)路基細(xì)砂填層底界面的誤差≤0.10m。

5　路基填方量計(jì)算
　　結(jié)合試驗(yàn)路段路基3種方法的檢測(cè)結(jié)果，可以繪出各測(cè)線綜合地質(zhì)解釋剖面圖，并根據(jù)分析結(jié)果依各測(cè)線所跨的地形、地物情況和所檢測(cè)劃分的填砂層界面趨勢(shì)添畫淤泥砂過渡帶底界面。再根據(jù)試驗(yàn)路段綜合地質(zhì)解釋剖面圖所反映的各測(cè)點(diǎn)填砂底界面的深度數(shù)據(jù)，可以生成試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)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(jié)果比較　　　表1

圖3路基填方量計(jì)算示意圖

　　根據(jù)上述填方底界面的埋深數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際路基填方橫斷面(如圖3所示)，可以進(jìn)行路基填方數(shù)量計(jì)算。本文沿路基軸線每隔20m為一個(gè)計(jì)算單元，填方量分三部分計(jì)算。第一部分為設(shè)計(jì)路面寬度范圍以下填方量，根據(jù)試驗(yàn)路段路基以下的填砂層底界面埋深數(shù)據(jù)，采用美國(guó)IBM公司的surfer軟件計(jì)算其填方量(V?1)；第二和第三部分為路基兩側(cè)的填方量，則按以下公式計(jì)算：

式中：V2(或V3)——路基兩側(cè)填方量；
　　　Hi——某一斷面路基標(biāo)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(jì)算單元個(gè)數(shù)；
　　　L——路段總長(zhǎng)度。
　　上述計(jì)算過程均由計(jì)算機(jī)完成，最后獲得路基填方總數(shù)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(jié)束語
　　傳統(tǒng)的路基土方計(jì)算是每隔20m按左、中、右各標(biāo)點(diǎn)高繪制斷面圖，前后樁號(hào)斷面積相加求積，而物探法采用的計(jì)算方法是按5.2×5.0m2空間網(wǎng)格求積，測(cè)點(diǎn)密度是傳統(tǒng)方法的40倍，方量計(jì)算網(wǎng)格是傳統(tǒng)方法的7倍，因而大大提高了計(jì)算精度。
　　從本次公路路基填方量的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果來看，采用物探與靜力觸探相結(jié)合的檢測(cè)方法是較為成功的，其分層精度可控制在±0.10m內(nèi)，能滿足精度要求。此外，由于物探檢測(cè)工作效率高，測(cè)點(diǎn)可以布置得很密(如地質(zhì)雷達(dá)測(cè)點(diǎn)為0.5m，甚至可取0.25m)，因此可對(duì)填層界面進(jìn)行連續(xù)追蹤、細(xì)致劃分，且人為的因素影響較小，這是鉆探取芯檢測(cè)所不可比擬的。
　　在本路段公路路基填方檢測(cè)中，瑞雷面波法有其適應(yīng)性。而通過本試驗(yàn)路段地質(zhì)雷達(dá)與瑞雷面波法檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比可知：地質(zhì)雷達(dá)法要優(yōu)于瑞雷面波法。因此，可以確定地質(zhì)雷達(dá)為公路路基填方量檢測(cè)的有效物探方法，同時(shí)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。