岩土物探在公路路基填方数量检测中的应用

摘要：本文以珠江三角洲某段路基填砂工程为实例，介绍了运用岩土工程勘察中的地质雷达法、瑞雷面波法和静力触探法等物探手段检测路基填方数量的新办法。
关键词：岩土物探填方数量检测

1　工程概况
　　在建的广东省南海市南北三线K7+487～K17+963段，全长10.5km，地处珠江三角洲腹地，沿线河网纵横，鱼塘密布。在施工中常采用不排水填砂挤淤的施工工艺对鱼塘等软基路段进行处理。由于填筑砂对淤泥的挤压、下沉不一致，致使底界面起伏变化较大，造成类似的工程项目中业主单位、质监单位和施工单位对于挤淤效果和填筑方量的问题争议较多。对于这类争议以前通常采用地质抽芯的方法进行仲裁，以每隔一定距离钻一排孔来校核填砂层的厚度。这种方法存在以下不足之处：①在填砂层中不易取芯，难以取得较准确的填砂层底界面深度；②沿路基轴线相隔较大距离(一般为20m或更大)用钻孔来控制填层的底界面，对于填方底界面起伏较大的地段，误差较大；③在具体操作上容易出现不公正现象(人为因素多)；④抽芯费时、费力、检测成本高。为了克服以上存在问题，本文介绍采用岩土工程勘察中的静力触探、地质雷达、瑞雷面波三种方法互相结合进行检测试验的方法。通过试验确定适用于珠江三角洲公路路基填方检测的物探方法及其组合，并检验其是否满足工程检测精度要求。为了验证物探法应用于公路路基填方检测的适用性和有效性，本文选取了南海市南北三线一级公路西樵百东至丹灶K11+790～K11+940和K12+070～K12+420两个具有代表性填方路段作为试验段。试验路段路基的填层及下伏地层由上至下为素填土层、细砂填层以及下伏层的淤泥层(或耕植土、粘土等)。

2　物探方法技术
2.1　地质雷达法

图1地质雷达探测原理及记录示意图
　　地质雷达的检测原理(见图1)是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在地面通过发射天线(T)将信号传入地下，经地层界面或目的体反射后返回地面，再由接收天线(R)接收其电磁波反射信号，通过对电磁反射信号的时频特征和振幅特征进行分析，便能了解到地下地层或目的体的特征信息。当电磁波在地下介质中的传播速度已知时(可根据经验、通过对具体介质标定或与已知资料的对比来确定)，就可将测到的电磁波反射信号的时间值，换算成反射体的深度值。其换算公式为：

式中：t—电磁波反射信号的双程放行时间；?
　　　z—探测目的体的埋深；?
　　　x—天线距；?
　　　v—电磁波在介质中的传播速度。?
　　当x相对于z较小时，有t=2z/v，z=tv/2。
　　结合已知的地质资料及现场的实际情况，可对电磁波反射界面及分层作出地质解释，从而达到探测目的。本文地质雷达检测所使用的仪器为加拿大探头及软件公司(SSI)生产的pulseEKKOⅣ型探地雷达仪，它主要由控制单元、发射天线、接收天线及微机四部分组成，发射与接收信号均由光缆传输。其主要技术参数如下：?
　　①系统特性：155dB；
　　②可程序时窗：32～2048ns；
　　③可程序采样间隔：800～8000Ps；
　　④可程序叠加范围：1～2048次。

2.2　瑞雷面波法

　　瑞雷面波是沿地面表层(一定深度)传播的表面振动波，瑞雷面波具有频散特性，即不同频率(f)的瑞雷面波具有不同的穿透深度(h)，其穿透深度约为1个波长(λ)。瞬态面波检测：用重锤在地面(垫铁板)激振，便会产生以振源为中心，具有丰富频率成份并沿地表一定深度向四周传播的瑞雷面波，通过在地面离振源一定距离(偏移距)埋设一组等间距的检波器，经电缆与面波仪连接接收瑞雷面波，并用面波处理专用软件对其进行处理分析，从而可求得测试计算(段)点处每一频率(fi)对应的平均瑞雷面波速度(Vpi)及其对应的探测深度(hi)。经验表明，一定频率(fi)瑞雷面波的有效探测深度(hi)为其半波长(λi/2)，即hi=VRi/(2fi)。激振频率越高，其探测深度越浅；激振频率越低，其探测深度越深。根据以上计算结果及半波长计算探测深度原则，可绘制打印瑞雷面波速度(VR)与其对应探测深度(H)的VR-H曲线。瑞雷面波波速(VR)反映了其对应探测深度土层介质的物理性质，通过对探测岩土介质进行一系列点的检测计算，可绘制成VR-H剖面曲线，根据VR层速度的相近性及VR-H剖面曲线拐点的连续性，可对其进行速度分层，结合已有的地质资料或综合其它检测方法可对其作出地质解释。其工作示意图见图2。

图2瑞雷面波工作示意图

　　本次瑞雷面波检测使用的仪器是北京华水物探技术研究所生产的SWS-1型多功能面波仪，检波器为重庆地质仪器厂生产的CDJ-Z10型垂直检波器。其主要技术指标如下：?
　　(1)SWS-1型多功能面波仪?
　　①通道数：12道或24道，可选；?
　　②放大器：瞬时浮点放大器；?
　　③前放增益：100倍(40dB)；?
　　④动态范围：120dB；?
　　⑤通频带：0.5～2000HZ；?
　　⑥A/D转换：20bit；?
　　⑦采样率：30μs(12道)～8ms(24道)；?
　　⑧采集点数：每道512～8192个样点；?
　　⑨其它：内置486计算机。?
　　(2)CDJ-Z10型垂直检波器?
　　①固有频率：10±0.5HZ；?
　　②灵敏度：0.28±5％V/cm/s；?
　　③阻尼因数：＞0.5；?
　　④相位一致性：＜±1ms；?
　　⑤谐波失真：＜0.2％。

2.3　静力触探法
　　静力触探是用探杆将单桥应变式探头压入土层中，在压入过程中探头所受压力随土层阻力的变化而相应变化，土层越硬阻力越大，反之越软阻力越小。通过探头内的阻力传感器，将土层的阻力转换为传感器的应变量，然后由静态电阻应变仪测量出来，并由人工以一定的压入深度间距对应变量进行登录。然后将应变量换算为土层的比贯入阻力值Ps(Ps=kζ，k为探头的率定系数，ζ为应变量)，据此可作出土的比贯入阻力(Ps)随深度(h)的变化曲线图，依据Ps-h曲线的变化特征及Ps值的大小，可对其进行土层阻力分层，结合已知的地质资料及实地土层结构，可对阻力分层作出地质解释。
　　静力触探法检测采用上海新远电讯厂生产的YJ-X1静态电阻应变仪，所用应变式探头的率定数为0.006635MPa/μζ，贯入速度控制在1m/min左右。资料整理是依据铁道部《静力触探技术规则》的方法，将现场测读的应变量换算为土层的比贯入阻力，即

Ps=0.06635ζ

式中：Ps—土层的比贯入阻力，MPa；?
　　　ζ—应变量，μζ。?
　　根据上述换算结果，可以作出各触探孔土层的比贯入阻力随深度的变化曲线图，P?s值的大小可对其进行阻力分层，再按经验对照地层结构层次和地质钻探资料作出各层地质比较。

3　测线和测点布设
　　采用瑞雷面波法和地质雷达法进行试验时，两个试验段沿公路路基共布设了6条纵测线，即各试验段3条，线距为11m，在垂直于轴线方向共布设了26条横测线，线距10、20、30m不等。?
　　瑞雷面波法检测时，在K11+790～K11+940的路段3条纵测线上的检测点间距为5.0m，在K12+070～K12+420路段3条纵测线上的检测点间距为10.0m，共布设了188个检测点，剖面总长达1500m。?
　　地质雷达法检测时，纵横共32条测线，测点间距0.5m，共布设了4560个测点，剖面总长达2280m。?
　　静力触探法检测时，共选15个孔，分层测点间距取5cm，共布设了4560个测点，剖面总长达65.0m。

4　检测结果分析
　　为了对比瑞雷面波、地质雷达相对于静力触探的检测精度，现将同一检测点3种方法所检测的填砂层底界面深度列于表1。?
　　从表1的计算对比可以看出：瑞雷面波相对于静力触探检测分层的相对误差范围值为-0.17～0.12m，其算术平均相对误差为±0.03m；地质雷达相对于静力触探检测分层的相对误差范围值为-0.19～0.05m，其算术平均相对误差为±0.038m。静力触探的分层精度可控制在±0.05m以内。因此，可以认为瑞雷面波、地质雷达两种物探方法的探测路基细砂填层底界面的误差≤0.10m。

5　路基填方量计算
　　结合试验路段路基3种方法的检测结果，可以绘出各测线综合地质解释剖面图，并根据分析结果依各测线所跨的地形、地物情况和所检测划分的填砂层界面趋势添画淤泥砂过渡带底界面。再根据试验路段综合地质解释剖面图所反映的各测点填砂底界面的深度数据，可以生成试验段路基填方砂层底界面的等深线图和立体示意图。从图中可获得两个试验路段路基填砂层的底界面深度变化范围，即K11+790～K11+940路段为0.9～2.1m；K12+070～K12+420路段为0.8～3.2m，厚度变化较大。

单位：m　　　三种方法填砂层底界面深度结果比较　　　表1

图3路基填方量计算示意图

　　根据上述填方底界面的埋深数据，结合实际路基填方横断面(如图3所示)，可以进行路基填方数量计算。本文沿路基轴线每隔20m为一个计算单元，填方量分三部分计算。第一部分为设计路面宽度范围以下填方量，根据试验路段路基以下的填砂层底界面埋深数据，采用美国IBM公司的surfer软件计算其填方量(V?1)；第二和第三部分为路基两侧的填方量，则按以下公式计算：

式中：V2(或V3)——路基两侧填方量；
　　　Hi——某一断面路基标高；
　　　hi——〖WB〗某一断面距中心轴线13m处的填砂层底界面埋深；
　　　n——分段计算单元个数；
　　　L——路段总长度。
　　上述计算过程均由计算机完成，最后获得路基填方总数量，即K11+790～K11+940路段填方量7452m3，其路基下面过渡带的方量为622m3；K12+070～K12+420路段填方量为16548m3，其过渡带的方量为863m3。

6　结束语
　　传统的路基土方计算是每隔20m按左、中、右各标点高绘制断面图，前后桩号断面积相加求积，而物探法采用的计算方法是按5.2×5.0m2空间网格求积，测点密度是传统方法的40倍，方量计算网格是传统方法的7倍，因而大大提高了计算精度。
　　从本次公路路基填方量的检测试验结果来看，采用物探与静力触探相结合的检测方法是较为成功的，其分层精度可控制在±0.10m内，能满足精度要求。此外，由于物探检测工作效率高，测点可以布置得很密(如地质雷达测点为0.5m，甚至可取0.25m)，因此可对填层界面进行连续追踪、细致划分，且人为的因素影响较小，这是钻探取芯检测所不可比拟的。
　　在本路段公路路基填方检测中，瑞雷面波法有其适应性。而通过本试验路段地质雷达与瑞雷面波法检测结果的对比可知：地质雷达法要优于瑞雷面波法。因此，可以确定地质雷达为公路路基填方量检测的有效物探方法，同时辅以少量的静力触探孔用于校核不同路段填筑材料的电磁波速度。