边坡支挡的重要圬工工程.doc

弹性波频谱分析对比法检测浆砌片石挡墙质量

钟世航
摘要：大量的浆砌片石挡墙需要作快速质量检测，作者比较了利用弹性波速、瑞利面波和弹性波频谱分析法后，认为后者分辨率高，方法简单，并作了几百个点的检测，得到了成功。
关键词：浆砌片石挡墙；频谱分析；弹性波

用水泥砂浆将片石粘结而构成的浆砌片石挡墙，是铁路和公路边坡支挡的重要圬工工程，许多高填路基也用重力式浆砌片石路肩挡墙支挡，中间填土石而构成。由于建造浆砌片石挡墙技术不复杂，沿线路工作量较大，往往采用民工队包工承建的办法。这就使得挡墙质量很不均匀。不同的承建队建筑的挡墙质量相差甚远。而挡墙是隐蔽工程，其外表面一般都被修筑得整齐美观，验收时难以发现其内部的隐患，监理工作也难免有被钻空子的时候，因而，不乏通车后挡墙坍垮的事故，甚至发生过列车在铁路高填路基段行车时，挡墙突然坍垮，车头翻下十几米高坡的车毁人亡重大事故。随着我国基础设施的大规模建设，浆砌片石挡墙的质量问题愈益引起人们注意。
笔者于90年代初为图珲铁路挡墙评价及加固设计在30km的线路范围内进行了总延长5km的挡墙检测，解决了方法技术问题并得到了好的结果。但感工作量尚小，拟再作一些工作后总结成文。但以后一直因各种原因未得机会。鉴于大量挡墙检测提到日程，故先将有关资料、技术在本文提出供同行参考，促使这项技术更快地发展。
1 浆砌片石挡墙质量问题所在及无损检测的地球物理技术方案
浆砌片石挡墙的质量不好，主要反映为粘结片石的水泥砂浆的质量不好。一种情况是粘结的水泥砂浆不饱满，甚至由于采用干砌后灌浆的方式，使得片石间的粘结极差；一种情况是水泥砂浆的质量不好，没有粘结性，其原因是水泥量过少或冬季施工保温不好。它们的物理表现是在坚硬、密度大的片石间夹有空洞（无水泥砂浆）或近似空洞（水泥砂浆质量太差）。表现在地球物理性质上是波阻抗的不均匀、波速的降低。为此，可考虑选择3个方案：
（1）利用弹性波速降低来判定质量不好的挡墙。可以选用直达波法、瑞利波法（稳态或瞬态）。这是基于片石和质量好的水泥砂浆的波阻抗高，质量不好的水泥砂浆或空洞的波阻抗低，质量差的挡墙段必然导致弹性波波速降低。
（2） 利用雷达波的波速增高来判定质量不好的段。
（3） 利用宽频带的弹性波穿过不同质量挡墙后频谱发生变化，将激震子波与反射波的频谱相对比，而判定挡墙质量。
为此，作者在现场试验了（1）、（3）两种方法，结论是两种方法均可行。但基于波速变化的方法灵敏度较低，而且片石本身的材质（如灰岩、花岗岩、砂岩等）、水泥的品牌及砂浆的配比等可较大地影响波速，因此，只能以同一种材料的挡墙作为一个单元体来制定检测标准。故作者未继续深入研究这些方法，而选用了方案（3）。
2 以频谱分析方法检测挡墙质量的原理
采用锤击激发方式在挡墙外表面产生弹性波，在激发点旁设宽频检波器接收。首先接收到的是直达波，然后接受到挡墙内表面的反射波。在激震点旁的直达波反映的是激震子波。如果向挡墙内的入射波及内面反射波在其旅行路程中经过的水泥砂浆饱满密实，则反射波的频谱与激震子波没有什么变化。如果波的旅行途中有“空洞”存在，波的高频成分就会被散射，低频成分可以透过，所接受到的反射波中低频成分比例就会增多。“空洞”越多，反射波中的高频成分损失得越多。将反射波的频谱与激震子波的频谱对比，就可以判定挡墙的质量。实际上，研究频谱的变化是利用波的动力学特性。众所周知，它比应用运动学特性可能灵敏度更高，而且是测点自身的激震子波与反射波相对比，不同测点使用的片石、水泥砂浆等的材质不同不存在什么影响。
作者是对比二者的功率谱中优势频率的变化和低端频的变化，以两个参数来作挡墙内部质量评定的。
3 、 现场资料采集
采用陆地声纳仪（FY-20，现已改进投产为第4代仪器LSD-1型）及配套的压电式超短余振检波器。检波器在3Hz～4kHz范围内，其频率特征曲线为与横轴（频率）平行的直线，即在所测频率范围内，不存在频率失真干扰。仪器接收时选用50Hz～4kHz带通频段。接受系统为无余振系统，即所测的反射波与子波相同，约为1.5个周期。
用锤击震源，震--检距约为20cm，不作垂直迭加。检波器用黄油与墙面耦合，用手按紧即可。
图1 频谱法检测现场数据采集

4 资料处理及应用
（1） 资料处理
对每一测点的时间曲线，取其前段（0～2ms）及中间的反映挡墙内面的反射波段（3.5～5.5ms,挡墙厚2～3m）分别作FFT，绘出功率谱图，选出低端频率（fD）和优势频率(fU)（有不止一个优势频率者则取几个值），进行对比。
（2） 资料应用
根据对比结果划分为8个级别：
A级： fD和fU均无变化；
B级： 反射波的fD和fU低于激震波10%～20%；
C级： 反射波的fD和fU低于激震波20%～50%；
D级： 反射波的fD和fU低于激震波的50%以上；
处于以上4个级别边缘状态者，又可分为A-B级、B-C级及C-D级，C级再分为C1 和C2级。
为了掌握这些分级的实际含义，选择了代表A、B、C、D 4个级别的典型点段共7处凿开挡墙由专家（包括浆砌片石挡墙标准图设计者和有关的院士）作目测观察，并选了12处作了陆地声纳小剖面。小剖面各长1m，测点距5cm。
陆地声纳小剖面上可以反映在这1m长范围内有无或有多少个空洞。空洞的同相轴为典型的双曲线。可以看到：
A级者无空洞，
B级者有2个空洞，
C级者有3-6个空洞，
D级者有6个以上空洞。
图2～6 为几张不同级段的似t0时间剖面。
这些结果与凿开挡墙的观察结果完全一致。
由于挡墙质量并无验收分级标准，因而分A、B、C、D等8个级别，以便对是否必须进行工程加固作出判断。根据凿开后观察的专家意见，A、B二级可列入合格之列，C、D级则应做加固。下表是检测的各段中的部分分级资料。
表： 部分测段频谱变化及质量分析

点
号

里
程

测点 距 墙顶（m）
时间曲线的频谱特征

挡墙
浆砌片石
质量分级
震源激震
挡墙内面反射波
频率降低
主要频率范围（Hz）
优势
频率
（Hz）
主要频率范围（Hz）
优势
频率
（Hz

低频端

优势
频率
1
4+20
2.0
388-2325
1310
349-1628
1201
10%
8%
B
2
4+30
3.0
620-1938
1201
232-2402
1060
63%
12%
D
3
4+40
5.0
697-2403
1782 1162
426-2480
1720 1060
39%
9%
C1
4
4+50
6.5
465-2003
1500
310-2441
1370 1040
736
33%
51%
D
5
4+60
6.5
543-2403
1500
465-2441
1350 1080
14%
28%
C1
6
4+70
7.0
388-2325
1201
504-2441
1201
0
0
A
7
4+193
8.4
620-2015
930
504-1740
930
19%
0
A-B
8
4+210
10.3
620-2240
1780 580
891-1705
1375
0
0
A
9
4+215
9.0
388-2635
1550 901
388-2480
1356
0
0
A
10
6+790
2.0
698-1473
1163
348-1143
1123
50%
3%
C2
11
6+805
2.6
698-1938
1201
194-1434
1210 736
73%
39%
D
12
6+890
2.5
820-1318
830
858-1201
830
0
0
A
13
8+835
2.5
698-2403
1318
504-2015
1370
10%
0
B
14
8+850
3.0
775-1938
1318
504-1860
1124 775
35%
41%
C2
15
8+865
3.0
310-2403
2093 853
310-2480
1860 750
0
12%
B
16
8+880
2.5
388-1782
930
504-1511
930
0
0
A

图2 A级段时间剖面 图3 B级段时间剖面

图4 C1级段时间剖面 图5 C2级段时间剖面
图6 D级段时间剖面
5 小结

以激震子波频谱与挡墙内面反射波频谱的变化来判别浆砌片石挡墙的质量，在实践上已获得成功，资料已用于挡墙的质量评定和加固设计。用频谱法来作挡墙质量分级比用波速法有更多的优点，即：
（1）灵敏度、分辨率较高。在尚未有挡墙质量分级标准的情况下以及对质量不佳的挡墙要进行加固的情况下，它有更好的适应性。
（2） 由于是用每一测点本身激震的子波与与反射波作对比，水泥砂浆配比与片石材质等的干扰要小得多，有可能在此方法的基础上制定统一标准。
（3） 用频谱分析法分级与少量陆地声纳短剖面探查挡墙中的空洞相结合，可以更直观地掌握频谱分析法所分级别的含义。
（4） 频谱分析分级法的现场数据采集方法可能是各种方法中最简单省时的。
当然，必要的凿开观察验证和对比是必要的。希望这种方法能得到更多的实践，更趋成熟。

参考文献：
［1］ 钟世航，应用物探方法检测隧道衬砌质量，隧道及地下工程学会第七届年会暨西单车站工程学术 讨论会论文集，北京，1992.6,P355-359
［2］ 钟世航，隧道衬砌状态检测技术进展，铁路隧道及地下工程，中国铁道出版社，1993.4,P341-347
［3］ 钟世航，陆地声呐法的原理及其在铁路地质勘测和隧道施工中的应用，中国铁道科学，vol.16 No.4,1995,P48-55
［4］ 钟世航，极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法探查岩溶及洞穴，中国地球物理学会第12届年会论文集，石油出版社，1995.10,P409
［5］ 钟世航，陆地声纳法及其应用效果，物探与化探，1997.6,Vol.21.No.3,P172-179

EXAMINING QUALITY OF RETAINING WALL MADE OF MORTAR AND STONES BY MEANS OF COMPARING THE SPECTRUM OF FREQUNCY OF ELASTIC REFLECTION WAVE

ZHONG Shihang
(China Academy of Railway Sciences,Beijing,100081)
Abstract: There are much more retaining wall made of mortar and stones in railway lines, road lines and the other engineering objects. How to examining their quality? The author had test the velocity of elastic reflection wave, Rayleigh surface wave method and Comparing the spectrum of frequency of elastic reflection wave, and had elected comparing the spectrum to examining retaining wall for 5 km in length, because this method have some specialties ,such as high resolution ,non-interference from materials of mortar and stones, and easiness getting the data.

Key words: retaining wall; elastic wave; spectum of frequency

作者简介：钟世航（1940-），男，1962年毕业于北京地质学院物探系，铁道部科学研究院研究员，主要从事环境与工程地球物理的研究和实际应用的工作，以及隧道及地下工程的理论、施工技术、设计、量测等的研究和实践，已发表近70篇文章。2000年退休后在北方交大及中国工程总公司的隧道及地下工程研究实验中心任职，并为中国地质大学（武汉）、华东地质学院兼职教授。钟世航工作室负责人。

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