路基病害探测技术及其应用研究
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摘要
随着我国铁路建设的飞速发展，路网规模不断得到扩大，路网骨架不断得到加强，路网结构不断得到优化，但与此同时，铁路部门运输任务日趋繁重，加之我国铁路修建年代不同、地质条件复杂及受当时设计施工等因素的影响，且目前我国铁路正朝着高速重载方向发展，许多线路路基存在着不同程度的病害隐患，严重影响列车的正常运营，甚至造成灾害性的事故。如何在不影响列车运营的情况下，高效快捷地查明这些隐患是人们非常关心的课题。因此，本文提出了瑞利波勘探法。瑞利波法是近年米新兴的、行之有效的原位测试方法，该法通过定量解释实测瑞利波频散曲线，反演地层速度结构，利用波速区分和确定地层物理力学特性，以解决岩土工程问题。瑞利波法在既有线路基病害探测中的成功应用，充分证明该法是完全可行的，有着良好的发展前景和推广价值。但是目前该法尚不完善，其理论和应用还在发展中。本文阐述了瑞利波法勘探的理论基础和勘探原理，分析了自由表面瑞利波的位移、能量及衰减等特征，讨论了瑞利波速度的工程意义；论文分析了均匀层状介质中瑞利波的频散特性，讨论了影响瑞利波法勘探精度的主要因素，并对其资料反演方法进行分析、比较，指出各自的优缺点；文中还简要分析了几种主要路基病害产生的机理，介绍了瑞利波法的野外工作方法及应注意的问题，并结合具体的科研课题，实例分析、研究了瑞利波法在路基病害探测中的应用，取得了较满意的效果。论文还针对不同的病害提出了相应的整治建议。
With the rapid development of railway construction in China, the network size has been continuously expanded, the net framework strengthened and the network structure optimized. At the same time, the task of railway transportation has been more and more onerous, then the railways are constructed in different ages, complex geological conditions and effected by their designs and constructions as well, in addition, the railways are making advances to speed-up and load-over now, so many railway roadbed have the existence of all kinds of diseases in different degree. These diseases effect badly the normal railway operation, even they may bring about catastrophic accidents. Thus it has been deeply concerned that how these diseases are high efficiently found out but the railway operation cannot be effected at all. So, Rayleigh wave prospecting is presented in this thesis. Rayleigh wave method is a jumped-up and effective in-situ test. We can inverts the velocity structure of the strata through the quantitive interpretation of dispersion curve of Rayleigh wave with this method, then distinguish and determine the physico-mechanical properties of the strata by the wave velocity in order to solve the geotechnical problems. The successful application of Rayleigh wave prospecting in the exploration of railway roadbed disease of the existing lines demonstrates fully that this method is completely feasible. Therefore it has broad prospect for application and is worth much promotion. But the method has not been perfect so far. It's theory and application have been in development. Firstly the theory and prospecting principle of Rayleigh wave method are demonstrated, the characteristic of displacement, energy and it's attenuation of Rayleigh wave in free surface are analyzed and the engineering importance of Rayleigh wave velocity is discussed. Then the frequency divergent characteristic of Rayleigh wave in homogeneous and horizontal bedding medium is analyzed and the major factors effecting on the exploration precision of Rayleigh wave method are discussed. This thesis analyses and compares all kind of inversion methods then pointes out their own excellences and disadvantages respectively. Besides this thesis deals with the mechanism of the main railway roadbed diseases and introduces the field work method as well as some items worthy of
note. With practical examples in a research mission, the thesis also analyses and studies the application of Rayleigh wave method in the railway roadbed disease exploration and acquired satisfied results. In the end, this thesis puts forward repair advice aiming at different diseases accordingly.
With the rapid development of railway construction in China, the network size has been continuously expanded, the net framework strengthened and the network structure optimized. At the same time, the task of railway transportation has been more and more onerous, then the railways are constructed in different ages, complex geological conditions and effected by their designs and constructions as well, in addition, the railways are making advances to speed-up and load-over now, so many railway roadbed have the existence of all kinds of diseases in different degree. These diseases effect badly the normal railway operation, even they may bring about catastrophic accidents. Thus it has been deeply concerned that how these diseases are high efficiently found out but the railway operation cannot be effected at all. So, Rayleigh wave prospecting is presented in this thesis. Rayleigh wave method is a jumped-up and effective in-situ test. We can inverts the velocity structure of the strata through the quantitive interpretation of dispersion curve of Rayleigh wave with this method, then distinguish and determine the physico-mechanical properties of the strata by the wave velocity in order to solve the geotechnical problems. The successful application of Rayleigh wave prospecting in the exploration of railway roadbed disease of the existing lines demonstrates fully that this method is completely feasible. Therefore it has broad prospect for application and is worth much promotion. But the method has not been perfect so far. It's theory and application have been in development. Firstly the theory and prospecting principle of Rayleigh wave method are demonstrated, the characteristic of displacement, energy and it's attenuation of Rayleigh wave in free surface are analyzed and the engineering importance of Rayleigh wave velocity is discussed. Then the frequency divergent characteristic of Rayleigh wave in homogeneous and horizontal bedding medium is analyzed and the major factors effecting on the exploration precision of Rayleigh wave method are discussed. This thesis analyses and compares all kind of inversion methods then pointes out their own excellences and disadvantages respectively. Besides this thesis deals with the mechanism of the main railway roadbed diseases and introduces the field work method as well as some items worthy of
note. With practical examples in a research mission, the thesis also analyses and studies the application of Rayleigh wave method in the railway roadbed disease exploration and acquired satisfied results. In the end, this thesis puts forward repair advice aiming at different diseases accordingly.
引文
1. Nazarian S,Stokoe KH. In Situ Shear Wave Velocities from Spectral Analysis of Surface Waves. 8th EWCEE,1984
2．杨成林．瑞雷波勘探．北京：地质出版社，1993
3．吴世明、曾国熙等．利用表面频谱分析测定土层速度．地震工程与工程振动，1988，8(9)，27～32
4．夏唐代、陈云敏等．利用瑞雷波速度弥散特性反演地基参数．振动工程学报，1991，4(4)，31～37
5．陈云敏、吴世明等．表面波谱分析方法及其应用．岩土工程学报 1992，14(3)，61～65
6．陈云敏、吴世明等．用表面波谱分析方法检测道路结构的质量．浙江大学学报，1993，27(3)，309～314．
7．杨学林、吴世明．考虑高阶模态时SASW法的反演．浙江大学学报，1996，30(2)，149～156
8．牛滨华、何继善．半空间非水平层状介质瑞雷波的频散方程．物探与化探，1996，10，20(5)，345～358
9．牛滨华、何继善．半空间非均匀复杂介质面波频散方程．物探与化探，1996，10，20(5)，335～344
10．黄嘉正、周鸿秋等．工程地质中瑞利波法勘探的理论初探．物探与化探，1991，15(4)，268～277
11．关小平、黄嘉正等．工程勘探中稳态瑞利波面波法解释理论的探讨．地球物理学报，1993，36(1)，96～105
12．张碧星、肖柏勋等．瑞利波勘探中“之”字形频散曲线的形成机理及反演研究．地球物理学报，2000，43(4)，557～567
13．张碧星、鲁来玉等．瑞利波勘探中“之”字形频散曲线研究．地球物理学报，2002，3，45(2)，263～273
14．凡友华、肖柏勋等．计算层状介质中轴状对称柱面瑞利波频散函数的δ矩阵法．物探与化探，2001，4，25(2)，109～116
15．凡友华、肖柏勋等．层状介质中轴对称柱面瑞利面波频散函数的计算．地震与工程振动，2001，9，21(3)，1～5
16．王振东．双源面波勘探构想．中国地质，总第251期，47～48
17．祁生文、孙进忠等．瑞雷波勘探的现状及展望．地球物理学进展，2002，12，17(4)
18．王兴泰、赵东．瑞利波勘探：应用、现状和问题．世界地质，1995，6，14(2)，87～100
19．周锡九．铁路路基基床病害及其产生机理分析．北方交通大学学报，1994，3，18(1)
20．杨新安．论铁路路基翻冒病害与发生机理．湘潭工学院学报，2002，10，17(2)，60～63
21．胡厚田．侯西线黄土路基陷穴的研究．路基工程，1996，2，23～27
22．王兴泰．工程与环境物探新方法新技术．北京：地质出版社，1996，12
23．吴家龙．弹性力学 同济大学出版社．新一版，1996，3
24．史謌．地球物理学基础．北京大学出版社，2002，4
25．王俊茹．工程与环境地震勘探技术．地质出版社，2001，12
26．赵鸿儒、郭铁栓等．工程多波地震勘探．北京：地震出版社，1996
27．夏宇靖．稳态瑞利波勘探的探测深度及影响因素分析．煤田地质与勘探，1997，4，50～53
28．杨桂通、张善元．弹性动力学．中国铁道出版社
29．张献民．瞬态面波测试技术及其在土木工程中的应用．河北工业大学学报．2000，29(1)，11～16
30．陈宏林、丰继林．工程地震勘察方法．地震出版社，1998，1
31．刘云桢、王振东．瞬态面波法的数据采集处理系统及应用实例．物探与化探．1996，20(1)，28～33
32．赵金龙、吕德龙．瞬态瑞利波检测碎石桩地基的效果评价．西部探矿工程．200(2)，54～56
33．张淑婷等．多道瞬态瑞雷波勘探技术在岩土工程勘察中的应用．中国煤田地质．2001，12，13(4)
34．张建清、张智等．浅层地震多波勘探新技术研究．工程勘察，2001，6，65～68
35．陈淑珍、刘怀林．基于τ—P变换的频散曲线及其算法实现．武汉大学学报(自然科学版)，2000，2，46(1)，123～126
36．崔占荣．瞬态瑞雷波勘探中一些问题的讨论．物探与化探，1995，(5)，370～377
37．刘盛东、张建军．瞬态瑞雷波勘探中的数字处理技术．合肥工业大学学
报，2001，6，24(3)，388～391
38．刘学伟、李衍达．补偿风化层吸收—提高分辨率的有效方法．长春地质学院学报，1995，25(4)，441～445
39. Badri,M. and Mooney, H.M. Q measurements from compressional waves in unconsolidated sediments. Geophysics,1987,V52,772～784
40. Futterman,W.I. Despersive boday waves. Journal of Geophysical Research, 1962,V69,5279～5291
41. Ben-Menahem,A.and Singh,S. J. Seismic waves and sources. Springer-Verlag New York Inc.,1981
42．崔林沛．工程物探的作用和发展趋势．国外地质科技第一期，1984
43. Rainer, T. The determation of the seismic quality factor Q from VSP data:A comparision of different computational methods. Geophysical Prospecting, 1991,V39,1～27
44．刘学伟、邰圣宏等．用面波反演风化层Q值—补偿风化层吸收提高分辨率．石油物探，1996，6，35(2)，89～95
45．崔建文、乔森．瞬态面波勘探技术在工程地质中的应用．岩土工程学报，1996，5，18(3)35～39
40．杜正涛．刘丽敏等．瑞雷面波勘探技术在第四系分层办面的应用．物探与化探．1998，8，23(4)
47．胡家富、段永康等．利用多道信号测量短周期面波频散．地球物理学报．1988，41(增刊)，298～304
48．胡家富、段永康等．影响面波勘探精度的因素探讨．地震研究．，2000，7，23(3)，333～338
49．冯锐、周海南等．面波的频散、反演和层析成像．中国地震，1987，3(1)，15～27
50. Taytor S.R.and M.N Toksoz. Measurment of interstation phase and group velocities and Q using Wiener filtering. Bull.Seism.Soc.Am. 1982, 72 (1) ,73～91
51. Russell D.R.,R.B.Herrmann and H.J..Hwang.Application of frequency variable filters to surface-wave amplitude analysis. Bull.Seism.Soc.Am. 1988,78(1), 339～354
52．胡家富、温一波等．利用地震面波频散反演岩石圈结构的奇异值的分解算法．地球物理学报，1998，41(2)，211～217
53．石耀林、金文．面波频散反演地球内部结构的遗传算法．地球物理学报，1995，38(2)，189～198
54．薛琴访．场论．北京：地质出版社，1978
55．胡家富．Rayleigh波在工程勘探中的解释方法探讨．岩土工程学报，1999，9，21(5)，599～602
56．崔建文、廖振鹏等．反演工程场地剪切波速度剖面的简化剥层法．土木工程学报，1994，6，27(3)，50～57
57. Kirwood S C. The significance of isotropic inversion of an isotropic surface wave dispersion. Geophys J R astrsoc. ,1978,(55),131～142
58. A1-Hunaidi M O. Analysis of dispered multi-mode sigals of the SASW method using multiple filter/cross correlation technique. Soil Dyn and Earthquake Engrg,1994,13(1):13～24
59. Gabrils P, Sneider R,Nolet G. In situ measurements of shear-wave velocity in sediments with higher mode Rayleigh wave. Geophys Prospecting ,1987(35),187～196
60. Ganji V, Gucunski N, Nazarian S. Automated inversion procedure for spectral analysis of surface waves. J of Geotechnical and Geonvionmental engineering, 1998,757～770
61. Addo K O, Robertson P K. Shear wave velocity measurement of soils using Rayleigh waves. Can Geotech J.,1992(29),558～568
62. Gucunski N,Woods R D. Inversion of Rayleigh wave dispersion curve for SASW test. Soil Dyn and Earthquake Engrg.,1991(15),223～231
63. Yuan D,Nazarian S. Automated surface wave method :Inversion technique. J Geotech Engrg.,ASECE,1993,119(7),1112～1126
64. Tajuddin M. Rayleigh waves jin poroelastic half space. J acoust soc Am., 1984,75(3),682～684
65. Chiang C M,Mostafa A F. Wave-induced responses in a fluid-filled pro-elastic soild with a free surface boundary layer theory. Geophys J R Astr Soc, 1981 (66),597～631
66. Seed H B,Idriss I M. Simplified procedure for evaluating soil lique faction polential. Proc ASCE J SMFD,1971,97(SM9),1249～1273
67．李万红、汪闻韶．超声波测三轴饱和砂样剪切模量及力学性质的关系．水利学报，1988(3)，19～27
68．刘小生、汪闻韶．原状砂取样技术与质量控制．工程勘察，1990(4)，11～15
69．刘小生．饱和原状砂土的动力性质试验研究．北京：水利水电科学研究院，1993
70．汪闻韶．剪切波速在评估地基和砂层地震液化可能性中的应用．岩土工程学报，2001，11，23(6)，655～658
71．彦春．填方路堤不均匀沉降原因分析及处置措施．重庆交通学院学报，2003，1，22(1)，63～68
2．杨成林．瑞雷波勘探．北京：地质出版社，1993
3．吴世明、曾国熙等．利用表面频谱分析测定土层速度．地震工程与工程振动，1988，8(9)，27～32
4．夏唐代、陈云敏等．利用瑞雷波速度弥散特性反演地基参数．振动工程学报，1991，4(4)，31～37
5．陈云敏、吴世明等．表面波谱分析方法及其应用．岩土工程学报 1992，14(3)，61～65
6．陈云敏、吴世明等．用表面波谱分析方法检测道路结构的质量．浙江大学学报，1993，27(3)，309～314．
7．杨学林、吴世明．考虑高阶模态时SASW法的反演．浙江大学学报，1996，30(2)，149～156
8．牛滨华、何继善．半空间非水平层状介质瑞雷波的频散方程．物探与化探，1996，10，20(5)，345～358
9．牛滨华、何继善．半空间非均匀复杂介质面波频散方程．物探与化探，1996，10，20(5)，335～344
10．黄嘉正、周鸿秋等．工程地质中瑞利波法勘探的理论初探．物探与化探，1991，15(4)，268～277
11．关小平、黄嘉正等．工程勘探中稳态瑞利波面波法解释理论的探讨．地球物理学报，1993，36(1)，96～105
12．张碧星、肖柏勋等．瑞利波勘探中“之”字形频散曲线的形成机理及反演研究．地球物理学报，2000，43(4)，557～567
13．张碧星、鲁来玉等．瑞利波勘探中“之”字形频散曲线研究．地球物理学报，2002，3，45(2)，263～273
14．凡友华、肖柏勋等．计算层状介质中轴状对称柱面瑞利波频散函数的δ矩阵法．物探与化探，2001，4，25(2)，109～116
15．凡友华、肖柏勋等．层状介质中轴对称柱面瑞利面波频散函数的计算．地震与工程振动，2001，9，21(3)，1～5
16．王振东．双源面波勘探构想．中国地质，总第251期，47～48
17．祁生文、孙进忠等．瑞雷波勘探的现状及展望．地球物理学进展，2002，12，17(4)
18．王兴泰、赵东．瑞利波勘探：应用、现状和问题．世界地质，1995，6，14(2)，87～100
19．周锡九．铁路路基基床病害及其产生机理分析．北方交通大学学报，1994，3，18(1)
20．杨新安．论铁路路基翻冒病害与发生机理．湘潭工学院学报，2002，10，17(2)，60～63
21．胡厚田．侯西线黄土路基陷穴的研究．路基工程，1996，2，23～27
22．王兴泰．工程与环境物探新方法新技术．北京：地质出版社，1996，12
23．吴家龙．弹性力学 同济大学出版社．新一版，1996，3
24．史謌．地球物理学基础．北京大学出版社，2002，4
25．王俊茹．工程与环境地震勘探技术．地质出版社，2001，12
26．赵鸿儒、郭铁栓等．工程多波地震勘探．北京：地震出版社，1996
27．夏宇靖．稳态瑞利波勘探的探测深度及影响因素分析．煤田地质与勘探，1997，4，50～53
28．杨桂通、张善元．弹性动力学．中国铁道出版社
29．张献民．瞬态面波测试技术及其在土木工程中的应用．河北工业大学学报．2000，29(1)，11～16
30．陈宏林、丰继林．工程地震勘察方法．地震出版社，1998，1
31．刘云桢、王振东．瞬态面波法的数据采集处理系统及应用实例．物探与化探．1996，20(1)，28～33
32．赵金龙、吕德龙．瞬态瑞利波检测碎石桩地基的效果评价．西部探矿工程．200(2)，54～56
33．张淑婷等．多道瞬态瑞雷波勘探技术在岩土工程勘察中的应用．中国煤田地质．2001，12，13(4)
34．张建清、张智等．浅层地震多波勘探新技术研究．工程勘察，2001，6，65～68
35．陈淑珍、刘怀林．基于τ—P变换的频散曲线及其算法实现．武汉大学学报(自然科学版)，2000，2，46(1)，123～126
36．崔占荣．瞬态瑞雷波勘探中一些问题的讨论．物探与化探，1995，(5)，370～377
37．刘盛东、张建军．瞬态瑞雷波勘探中的数字处理技术．合肥工业大学学
报，2001，6，24(3)，388～391
38．刘学伟、李衍达．补偿风化层吸收—提高分辨率的有效方法．长春地质学院学报，1995，25(4)，441～445
39. Badri,M. and Mooney, H.M. Q measurements from compressional waves in unconsolidated sediments. Geophysics,1987,V52,772～784
40. Futterman,W.I. Despersive boday waves. Journal of Geophysical Research, 1962,V69,5279～5291
41. Ben-Menahem,A.and Singh,S. J. Seismic waves and sources. Springer-Verlag New York Inc.,1981
42．崔林沛．工程物探的作用和发展趋势．国外地质科技第一期，1984
43. Rainer, T. The determation of the seismic quality factor Q from VSP data:A comparision of different computational methods. Geophysical Prospecting, 1991,V39,1～27
44．刘学伟、邰圣宏等．用面波反演风化层Q值—补偿风化层吸收提高分辨率．石油物探，1996，6，35(2)，89～95
45．崔建文、乔森．瞬态面波勘探技术在工程地质中的应用．岩土工程学报，1996，5，18(3)35～39
40．杜正涛．刘丽敏等．瑞雷面波勘探技术在第四系分层办面的应用．物探与化探．1998，8，23(4)
47．胡家富、段永康等．利用多道信号测量短周期面波频散．地球物理学报．1988，41(增刊)，298～304
48．胡家富、段永康等．影响面波勘探精度的因素探讨．地震研究．，2000，7，23(3)，333～338
49．冯锐、周海南等．面波的频散、反演和层析成像．中国地震，1987，3(1)，15～27
50. Taytor S.R.and M.N Toksoz. Measurment of interstation phase and group velocities and Q using Wiener filtering. Bull.Seism.Soc.Am. 1982, 72 (1) ,73～91
51. Russell D.R.,R.B.Herrmann and H.J..Hwang.Application of frequency variable filters to surface-wave amplitude analysis. Bull.Seism.Soc.Am. 1988,78(1), 339～354
52．胡家富、温一波等．利用地震面波频散反演岩石圈结构的奇异值的分解算法．地球物理学报，1998，41(2)，211～217
53．石耀林、金文．面波频散反演地球内部结构的遗传算法．地球物理学报，1995，38(2)，189～198
54．薛琴访．场论．北京：地质出版社，1978
55．胡家富．Rayleigh波在工程勘探中的解释方法探讨．岩土工程学报，1999，9，21(5)，599～602
56．崔建文、廖振鹏等．反演工程场地剪切波速度剖面的简化剥层法．土木工程学报，1994，6，27(3)，50～57
57. Kirwood S C. The significance of isotropic inversion of an isotropic surface wave dispersion. Geophys J R astrsoc. ,1978,(55),131～142
58. A1-Hunaidi M O. Analysis of dispered multi-mode sigals of the SASW method using multiple filter/cross correlation technique. Soil Dyn and Earthquake Engrg,1994,13(1):13～24
59. Gabrils P, Sneider R,Nolet G. In situ measurements of shear-wave velocity in sediments with higher mode Rayleigh wave. Geophys Prospecting ,1987(35),187～196
60. Ganji V, Gucunski N, Nazarian S. Automated inversion procedure for spectral analysis of surface waves. J of Geotechnical and Geonvionmental engineering, 1998,757～770
61. Addo K O, Robertson P K. Shear wave velocity measurement of soils using Rayleigh waves. Can Geotech J.,1992(29),558～568
62. Gucunski N,Woods R D. Inversion of Rayleigh wave dispersion curve for SASW test. Soil Dyn and Earthquake Engrg.,1991(15),223～231
63. Yuan D,Nazarian S. Automated surface wave method :Inversion technique. J Geotech Engrg.,ASECE,1993,119(7),1112～1126
64. Tajuddin M. Rayleigh waves jin poroelastic half space. J acoust soc Am., 1984,75(3),682～684
65. Chiang C M,Mostafa A F. Wave-induced responses in a fluid-filled pro-elastic soild with a free surface boundary layer theory. Geophys J R Astr Soc, 1981 (66),597～631
66. Seed H B,Idriss I M. Simplified procedure for evaluating soil lique faction polential. Proc ASCE J SMFD,1971,97(SM9),1249～1273
67．李万红、汪闻韶．超声波测三轴饱和砂样剪切模量及力学性质的关系．水利学报，1988(3)，19～27
68．刘小生、汪闻韶．原状砂取样技术与质量控制．工程勘察，1990(4)，11～15
69．刘小生．饱和原状砂土的动力性质试验研究．北京：水利水电科学研究院，1993
70．汪闻韶．剪切波速在评估地基和砂层地震液化可能性中的应用．岩土工程学报，2001，11，23(6)，655～658
71．彦春．填方路堤不均匀沉降原因分析及处置措施．重庆交通学院学报，2003，1，22(1)，63～68