巖土物探在公路路基填方數(shù)量檢測(cè)中的應(yīng)用

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。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，Ps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方法靜力觸探檢測(cè)深度h地質(zhì)雷達(dá)瑞雷面波檢測(cè)點(diǎn)號(hào)探測(cè)深度h1相對(duì)誤差△h1瑞雷深度h2相對(duì)誤差△h2K12+380-5(N1)0.900.950.050.970.07K12+330-4(N2)1.451.38-0.071.28-0.17K12+330-6(N3)3.203.230.033.14-0.06K12+240-4(N4)1.901.900.001.930.03K12+240-5(N5)2.252.22-0.032.280.03K12+2400-6(NN6)2.051.92-0.132.050.00K12+1400-4(NN7)2.202.230.032.14-0.06K12+1400-5(NN8)2.402.35-0.052.33-0.07K12+1400-6(NN9)2.252.06-0.192.11-0.14K11+9000-1(NN10)1.851.850.001.73-0.12K11+9000-2(NN11)1.951.93-0.021.980.03K11+9000-3(NN12)1.851.860.011.950.01K11+8200-1(NN13)1.401.410.011.520.12K11+8200-2(NN14)1.301.22-0.081.16-0.14K11+8200-3(NN15)1.651.52-0.131.57-0.08誤差范圍-0.19～～0.055-0.17～～0.122算術(shù)平均相對(duì)誤誤差±1/15∑△△h±0.0388±0.0300圖3路基填方量計(jì)算算示意圖根據(jù)上述填填方底界面面的埋深數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合合實(shí)際路基基填方橫斷斷面(如圖3所示)，可以進(jìn)進(jìn)行路基填填方數(shù)量計(jì)計(jì)算。本文文沿路基軸軸線每隔220m為一一個(gè)計(jì)算單單元，填方方量分三部部分計(jì)算。第第一部分為為設(shè)計(jì)路面面寬度范圍圍以下填方方量，根據(jù)據(jù)試驗(yàn)路段段路基以下下的填砂層層底界面埋埋深數(shù)據(jù)，采采用美國(guó)IBM公司的surffer軟件計(jì)算算其填方量量(V1)；第二和和第三部分分為路基兩兩側(cè)的填方方量，則按按以下公式式計(jì)算：式中：V2(或或V3)——路基兩側(cè)側(cè)填方量；；Hi———某一斷面面路基標(biāo)高高；hi———〖WB〗某一斷斷面距中心心軸線133m處的填填砂層底界界面埋深；；n——分分段計(jì)算單單元個(gè)數(shù)；；L——路路段總長(zhǎng)度度。上述計(jì)算過過程均由計(jì)計(jì)算機(jī)完成成，最后獲獲得路基填填方總數(shù)量量，即K11++790～K11++940路段填方方量74552m3，其其路基下面面過渡帶的的方量為6622m33；K12++070～K12++420路段填方方量為166548mm3，其過過渡帶的方方量為8663m3。6結(jié)束語傳統(tǒng)的路基基土方計(jì)算算是每隔220m按左左、中、右右各標(biāo)點(diǎn)高高繪制斷面面圖，前后后樁號(hào)斷面面積相加求求積，而物物探法采用用的計(jì)算方方法是按5.2××5.0mm2空間網(wǎng)網(wǎng)格求積，測(cè)測(cè)點(diǎn)密度是是傳統(tǒng)方法法的40倍，方量量計(jì)算網(wǎng)格格是傳統(tǒng)方方法的7倍，因而而大大提高高了計(jì)算精精度。從本次公路路路基填方方量的檢測(cè)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果果來看，采采用物探與與靜力觸探探相結(jié)合的的檢測(cè)方法法是較為成成功的，其其分層精度度可控制在在±0.100m內(nèi)，能能滿足精度度要求。此此外，由于于物探檢測(cè)測(cè)工作效率