75路基无损检测技术.docx
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75路基无损检测技术
路基无损检测技术工艺
路基检测是铁路和公路建设与管理中的关键性、基础性技术,为工程设计、施工和养护提供可靠的依据,不仅对于控制工程质量至关重要,而且决定着线路维修养护决策的科学性,并直接影响维修养护资金分配的合理性。
工程质量的优劣不但直接影响着施工单位或承包商的利益,而且对交通事业的发展也有举足轻重的影响。
路基检测对提高路基工程质量、加快路基工程进度、降低工程造价、推动工程施工技术进步,都起到了重要的作用:
1)路基检测是路基工程施工技术管理的重要组成部分,是新线路基施工的基本工序和主要质量控制手段,对保证工程质量具有重要意义。
2)路基检测是路基工程施工质量检验评定和竣工验收评定的主要环节,是对新线路基施工进行过程控制的主要手段。
3)路基检测工作对提高路基工程质量、加快路基工程进度、降低工程造价、推动工程施工技术进步,都起到了重要作用。
4)能够及早发现和及时整治冲空、岩溶、陷穴等隐蔽性危害,保障交通线安全。
5)既有路基病害检测为大修计划和方案制订提供依据,并可检测病害整治效果。
6)既有路基状态检测和评定,是安排路基维修计划的主要依据,是反映路基及附属设备质量和考核路基养护管理工作的重要指标。
路基检测还可指导日常维修作业,为线路“状态修”提供依据。
路基无损检测所需检测项目包括填筑压实度、路基缺陷及病害,与常规试验检测方法相比较,其具有无损、快速、高效、准确的特点,适用于新线路基过程控制和既有线的病害探测。
1路基压实度无损检测—瞬态瑞雷波法
1.1工艺特点
瞬态瑞雷波法能准确的检测出不同深度层填筑的压实度,具有操作简单、快速经济、检测深度深等特点。
1.2适用范围
适用于新线路基的压实度检测,对新线路基的填筑质量能起到过程控制的作用。
1.3检测原理
瑞雷波(面波的一种类型)勘探是近年发展起来的浅层地震勘探新方法,瑞雷波检测路基主要利用其两种特性:
一是瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性;二是瑞雷波传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。
根据震源形式不同可分为二大类:
一为稳态法,另一为瞬态法。
由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂,重量也大,随之根据其原理,出现了瞬态面波勘探方法,其设备较为轻便,测试速度快,它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振,在地面布置多个拾震器,并选择最佳面波接收窗口接收震动,通过多次迭加多道和相关迭加,使得频谱能量加大,干扰减小。
瑞雷波的测试原理可以通过图1形象直观地表现出来。
图1:
瑞雷波测试原理图
在地面施一适当的竖向激振力(可用大锤敲击地面或吊高重物自由下落),地下介质中可产生纵波、横波和瑞雷波,可用如下的波动方程来描述它们的运动。
(1)
(2)
其中
,
为质点位移场的势函数;
Vp和Vs分别为纵波和横波的速度。
对于平面波可得
(1)式的一个解为:
(X,Y,Z,t)=A
(X,Y,Z,t)=B
式中:
V1=[1(Vr/Vp)]
V2=[1(Vr/Vs)]
k为波数;
Vr为瑞雷波速;
A、B为常数。
由
(2)式可得到瑞雷波传播的二个特性:
一是瑞雷波振幅随深度衰减,能量大致被限制在一个波长以内;二是由地面振动波的瞬时相位可确定瑞雷波传播的相速度。
瞬态面波法即根据这二个特性,在相距一定距离的地面二点安置传感器,接收面波振动,通过频谱分析,做出波长——波速频散曲线,从而算出地下土层的瑞雷波速Vr。
瑞雷波速和横波波速的关系为:
Vs=
式中:
为泊松比
当
从0.25至0.5时,Vr/s从0.92至0.95。
由此可将瑞雷波波速换算成横波波速。
在波速测试的基础上,通过路基压实层瑞雷波速Vr和地基系数K30值及土体密度ρ的对比实验,建立VR与K30及ρ的相关关系。
在根据Kh=ρ/ρmax可求得路基压实度。
并通过模拟公式:
计算出对应的K30值,根据规范判定其填筑质量是否合格。
1.4检测工艺流程
瑞雷波测试工艺流程见图2。
1.5操作要点
1.5.1检测前的准备工作
1)收集检测里程段设计资料;
2)检测路基段须平整,每隔10m标注里程,清除检测段内影响检测的障碍物,以保证检测的连续性;
3)检查仪器设备是否能正常工作,并可为供电电池、便携计算机充电。
1.5.2现场检测
1)调试仪器,将仪器放置于检测点旁
边或测试车上,设置测试参数(包括采
样间隔和采样点数);
2)根据测试点位置路堤的填筑高度确定传感器的布置位置,以测试点为中心沿线路方向布置两个传感器,两个传感器的距离约为填筑高度的4/3倍,震源位置约为两传感器距离的1/2;
3)激发震源,同时观察接收窗口的信号情况,根据采集信号的好坏确定激震的次数;
4)交换传感器接头,变换激震方向,再次采集;
5)保存采集数据,采集完毕。
1.5.3数据处理及合格性判定
1)原始数据处理前应回放检验,数据记录应完整、信号清晰,不合格的原始数据不得进行处理与解释。
2)数据处理与解释软件应使用正式认证的软件或经鉴定合格的软件。
3)数据处理与判释可采用流程图,见图3
4)合格性判定:
把软件反演计算出的不同深度的剪切波速,代入公式
计算出对应的K30值,根据规范判定压实度是否合格。
1.6劳动力组织
劳动力人员组织配置见表1。
表1:
劳动力人员组织配置
岗位工种
人数
备注
技术负责人
1
检测工程师
1
检测员
1
现场试验工
1~2
1.7质量控制要点
1)做好现场记录,包括检测里程、测距以及路基表面的大体情况。
2)现场采集时,每次激震的力度应保持基本一致,不仅能加快采集速度,还能确保采集信号的均一性与准确性。
3)数据处理时,相干与相位分析应在每周期内选择具有代表性的相位点。
2路基缺陷及病害检测—地质雷达法
2.1工艺特点
地质雷达探测路基功能强,效率高,具有如下的特点:
1)非破坏性探测技术,可连续进行探测,探测结果代表性好,且所占工作地域不大,不影响正常运营和正常施工。
2)可采用车载方式探测,探测速度快,工作效率高,扫描点多,探测结果信息量大,可消除挖探或钻孔取芯检测的一孔之见。
3)由于利用反射回波,探测的指向性较强,使用的中心频率高,分辨能力强。
4)图形具有地震剖面形态,图形比较直观。
5)抗电磁干扰能力强,可在条件不利的地段开展工作。
2.2适用范围
地质雷达能及时、准确地测出路基结构各层厚度、缺陷以及病害,适用于新线路基施工和运营期养护维修的全过程。
2.3检测原理
地质雷达法是利用超高频脉冲电磁波(1MHz~1GHz)在地下介质中的传播规律来研究介质特征、地下结构的一种地球物理方法,是一种用于确定地下介质分布的光谱电磁技术。
地质雷达利用一个发射天线向介质体发射高频宽频电磁波,另外一个接收天线接收来至地下介质中反射回来的反射波(一般用于检测的天线都是将发射天线和接收天线内置到同一个天线内),进入介质的高频电磁波以宽频带短脉冲的形式向下传播,在传播过程中,其路径、电磁场强度与波形会根据通过介质的电性质及几何形态而发生变化,这些变化都将会在接收天线所接收的反射波中所反映出来,通过测得反射波的双程走时t、幅度与波形资料,可推断介质的结构情况。
其原理如图4。
Z
图4地质雷达检测原理图
这样我们可知脉冲波旅行时间t为:
(1)
式中
值即收发距,在测量中是固定的;
为反射层深度;
为波速;其中
远远小于
,可忽略不计。
值可用宽角法直接测量,也可以根据公式
(2)近似计算。
(2)
为电磁波在空气中传播的速度;
为地下介质的相对介电常值。
当地下介质中的波速
为已知时,可根据精确测得的走时t,由
(1)式求得目标体的深度
。
(3)
不同介质具有不同的物理特性,当电磁波穿过介质界面时,一部分被介质吸收,一部分发生反射,一部分发生透射。
而对我们有用的主要是反射电磁波(反射波遵循反射定律),这时其反射波的振幅、波形将发生变化,这种变化的明显程度取决于反射系数的大小,而反射系数的大小又取决于界面两侧介质的介电常数的差异。
|R|=(
—
)/(
+
)
反射系数的表达式为:
式中:
、
分别表示反射界面两侧的相对介电常数。
由上式可知,反射界面两侧介质的相对介电常数差异越大,反射系数越大,这样在反射界面产生的异常变化也越明显,所以当介质体内存在异常体时我们就可以发现,由于不同形式的异常体对电磁波反射信号表现形式不同,我们可通过对反射波波形、振幅的分析,从而推断出缺陷的形式。
2.4检测流程
地质雷达检测流程见图5
2.5操作要点
2.5.1检测前的准备工作
1)收集检测里程段设计资料;
2)检测路基段须平整,每隔10m标注里程,清除检测段内影响检测的障碍物,以保证检测的连续性;
3)检查仪器设备是否能正常工作,并可为供电电池、便携计算机充电。
2.5.2现场检测
1)调试雷达检测系统,设定测试参数:
检测时地质雷达系统设置的主要参数有:
时窗深度、扫描样点数。
时窗深度由所要探测的目标体深度决定,可由下式求得:
式中
—时窗深度(ns)
—时窗调整系数,一般取1.5~2.0;
—相对介电常数;
—目标体厚度或距离(m)。
扫描样点数由下式确定:
式中
—扫描样点数;
—时窗深度(ns);
—天线中心频率;
—系数,一般取6~10。
2)测线布置:
沿线路纵向可布置2~3条测线,一条沿线路中心线,另一条或两条一般沿一侧或两侧路肩纵向探测,横断面一般每50m线路布置一条测线。
3)数据采集:
雷达天线与路基表面紧贴,以每小时3~5公里的速度拖曳天线向前移动,移动过程中雷达天线发射电磁波,接收装置接收电磁波。
雷达天线的移动可以选择人工移动和车载移动,人工移动效率低、速度慢,适用于局部路段的缺陷和病害探测,车载移动可实现快速连续检测。
4)保存采集数据,采集完毕清理检测现场。
2.5.3数据处理及判释
1)数据处理:
地质雷达探测中记录了各种干扰波,雷达原始回波信号也十分复杂,必须对信号进行适当预处理,降低杂波、噪声等干扰的影响,对振幅进行恢复,提高雷达数据分辨率和信噪比,改善雷达数据资料,为下一步图像判释工作提供清晰可辨的雷达剖面图像。
数据预处理好坏是地质雷达探测路基成功与否的关键,不同数据处理方法的处理结果差别明显,因此,必须分析各种数据处理方法的优缺点,根据实际检测目的,确立最适合数据处理方法及其步骤。
雷达数据的一般处理流程见图6。
2)厚度判释:
填筑厚度应由下式确定:
或
式中:
—相对介电常数;
—电磁波速(m/s);
—双程旅行时间(ns);
—填筑厚度(m)。
3)缺陷判释:
电磁波在路基中传播遇到不同介质传播规律会明显不同,介质介电常数差异越大效果越明显,在传播中遇到不同介质分界面将发生反射。
当路基存在松软、不密实、空洞等缺陷时反射波组特征为高幅、低频波,波形零乱同相轴不连续,无法追踪,可通过下面图7、图8两张图片进行简单对比:
图7无缺陷雷达图像图8有缺陷雷达图像
2.6劳动力组织
劳动力组织配置见表2
表2劳动力组织配置
岗位工种
人数
备注
技术负责人
1
检测工程师
1
检测员
1
试验员
2
司机
1
2.7质量控制要点
1)检测前应检查主机、天线以及运行设备是否处于正常工作状态。
2)检测时天线应确保与路基表面密贴(空气耦合天线除外),天线移动应平衡匀速,速度一般控制在3~5km/h为宜。
3)里程要标注清楚准确,检测里程段内要保证路面平整没有任何障碍物。
4)要准确记录所检测部位测线,同时包括方向、标记间隔以及天线类型,在检测过程中随时要记录可能对检测产生电磁影响的物体(如渗水、电缆、铁架)及其位置。
5)在每条测线标记时,要确保检测天线在经过标注里程点时与标记同步,以保证标记的准确。
3工程实例
3.1工程简介
渝怀铁路涪陵车站DK130+550~DK130+705段路基,地处丘陵地带,为斜坡沟槽地貌,沟槽相间,自然横坡10°~25°,山坡上基岩多裸露,沟槽内多为第四系土层覆盖,现多辟为水田及旱地。
本段位于一沟槽内,软弱土层呈一长条带状分布,为软塑~流塑状砂粘土,厚0~4米,部分地段中部呈硬壳状厚1~3米,下伏基岩为泥岩夹砂岩。
填筑高度为0~12m。
3.2界面识别与数据处理
根据该段路基的地质情况和填筑情况,采用了瑞雷波法和地质雷达法相结合的方法对其压实度与质量缺陷进行了检测。
瑞雷波参数设置为采样间隔10ms,采样点数1024点,拾振器为25Hz垂直检波器。
地质雷达参数设置为时窗250ns,扫描样点数512。
现截取瑞雷波检测断面DK130+600(填高约8m)和地质雷达探测段DK130+590~+610为例进行数据处理说明。
瑞雷波法处理软件采用RSA操作系统,经过时域分析、频域分析、相干相位分析,得到图9相干相位图。
图9相干相位图
此图形是根据两列波的相干原理得出的,图中两条曲线分别为相干曲线与相位曲线。
理论上理想相干值为1,但从实际检测的图形中可看出相干值有一定的变化,而且低频信号所反映出的相位曲线杂乱无章。
这都是由于波在传播过程中不同介质的影响,也正好真实记录路基的填筑情况。
我们以相干值为基本判据(要求大于0.85)),在相位曲线上选择瑞雷波波速。
通过软件反分析演算处理得到图10频散曲线。
。
图10频散曲线
根据频散曲线中瑞雷波速的态势走向可知此断面下层的填筑情况:
表层压实度够,剪切波速逐渐减小,减小至接近150m/s又开始增大,表明此填筑层压实度不够,达不到规范要求。
从瑞雷波速和剪切波速图中可以看出造成压实度不够的原因可能是未碾压或者填料粒径过大而未填筑密实。
地质雷达法测试的原始文件经过文件编辑、水平校准、滤波、彩色变换处理得到图11图形。
图11地质雷达测试文件处理图形
图形左侧坐标为埋深,从图形中可以看出DK130+590~+610段20m路堤分层界面不清楚,比较紊乱,没有按规范分层填筑、碾压。
3.3压实度计算与缺陷识别
3.3.1压实度计算
压实度计算是通过瑞雷波频散曲线读出各层剪切波速值,运用公式:
进行计算,剪切波速读取见图12。
检
图12剪切波速读取图
检测成果图见表3
表3检测成果图
点
号
里程
深度
(m)
剪切波速
V(m/s)
K30
合格
剪切波波速—深度图
1
DK130+600
0
246.79
1.87
合格
2
156.95
0.90
不合格
4
220.26
1.55
合格
6
238.59
1.77
合格
8
279.47
2.28
合格
3.3.2缺陷识别
路基填筑缺陷的主要判定特征为:
密实---信号幅度较弱,甚至没有界面反射信号;不密实---分层界面的强反射信号同向轴呈绕射弧形,且不连续,较分散;空洞---分层界面反射信号强,三振相明显,在其下部仍有强反射界面信号,两组信号时程差较大。
对DK130+590~+610段路基缺陷识别结果见图13。
图13缺陷识别结果图
图示两处不密实大约埋深为0.8~3.1m,里程为DK130+592~+602,造成原因为没有分层填筑并碾压。
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