挡墙质量检测技术与应用

1、挡墙质量检测技术与应用邹正明1， 徐干成2，刘文庆1， 张 宇3（1. 安徽省交通投资集团有限责任公司，安徽合肥 230011；2. 空军工程设计研究局，北京 100068；3. 中国铁路工程总公司地质物探试验研究中心，河北廊坊 065000）摘要：本文简要介绍了高路堑挡土墙质量检测方法与基本原理，并通过具体的工程实例说明这种检测方法的可行性与推广价值。关键词：挡土墙；质量；检测南昆线是一条地形、地质条件极为复杂的山区铁路，切割强烈，地形险峻，区域地质构造作用剧烈，形迹多变，断层规模巨大，高烈度地震区所占线段长而集中，稳定性差的斜坡现代堆积层、碳酸盐岩、膨胀岩土、含煤地层分布广泛。所有这一切构成极为复杂的工程地质条件，从而导致全线地质灾害频繁，类型众多。覆盖面广、影响严重的地质灾害主要有：（1）岩溶；（2）膨胀土；（3）斜坡岩土失稳变形；（4）软土。由于地形、地质条件复杂多变，铁路工程中有大量的路基支档建筑物，其中，浆砌片石挡墙因其造价低和就地取材而应用非常普遍。但近年来，由于种种原因，此类挡墙问题十分突出，事故频发，成了影响铁路安全运营的重大隐患。 本文以南昆线挡墙质量检测为例，详细

2、叙述了挡墙质量无损检测的方法和原理，分析了挡墙的主要病害及其产生的原因，为建设管理单位整治挡墙病害提供参考。1 检测原理 1.1 探地雷达法检测原理探地雷达法是利用电磁波进行无损检测的物探方法，其方法原理如下（图1）：探地雷达主机通过天线向地下（或挡墙内）发射频率为数百兆赫的电磁波，当电磁波遇到不同媒质的界面时便会发生反射，反射波返回地表面，被接收天线所接收（发射与接收可为同一天线），此时雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双程旅行时间Dt。因为电磁波在地下的 图1 挡墙检测原理示意图传播速度V 可从已知介质测定出来，所以可由式（1）求出地下异常体的深度（H）。H = V Dt/2 （1） 作者简介：邹正明(1973)，男，安徽郎溪人，硕士在探地雷达法勘探中，电磁波 学位，工程师，主要从事公路工程建设和技术管理工作。通常被近似为均匀平面波，其传播速度V在高阻媒质中取决于媒质的相对介电常数 er，即： V = C/ （2）式中， C 为真空中电磁波传播速度，C= 0.3 m/ns；er 为媒质的相对介电常数 电磁波传播在遇到不同媒质界面时, 其反射系数为: R = (- )/ ( + )

3、（3）由式（3）可知,电磁波的反射系数取决于界面两侧媒质的相对介电常数的差异, 差异越大，反射系数越大。对于挡墙检测，因挡墙材质与背后填充之间物性差异较大，会形成较强的反射。对于挡墙背后的空洞及挡墙中浆砌片石间的空隙与挡墙材质之间的物性差异更大，因而形成的反射也就更强，这种差异正是探地雷达法探测的基本前提条件，表1为本次检测中主要介质的相对介电常数。表1 南昆线路堑挡墙砌筑材料介电常数表介质电导率（s/m）相对介电常数水81砂（干）46砂（饱和）30粘土（饱和）812灰岩（干）7灰岩（湿）812砂岩（干）2.6砂岩（湿）2.5混凝土69 1.2 声波法检测原理 介质的声学特性与其结构及物理力学特性有关，地质体（包括混凝土结构）因其岩性、结构特征、力学特性等因素具有不同的声学特征，通过测试岩体及混凝土的声学性质并加以处理解释判断其物理学特征及构造(或缺陷)，从而进行岩体的质量分级，工程应力分析及稳定性评价。 声波是用人工激发频率在数赫兹至数百赫兹的弹性波，向被测介质（墙体）传播，观测声波在介质中的传播特性，分析确定介质的物理力学性质。根据波在介质中的传播特性可知，声波传播速度与混凝土砌体

4、的密实程度、完整性有直接关系。对于原材料、配比、测试距离一定的砌体，声波速度高，则砌体密实，完整性好。反之则说明墙体存在病害问题。当砌体有裂缝、空洞存在时，破坏了砌体的整体性，声波速度将明显降低。由于空气与砌体有明显的声阻抗差，声波在砌体中传播时遇到蜂窝、空洞、裂缝等缺陷时，将在缺陷界面发生反射，散射和绕射，声波能量被衰减，其中频率较高的成分能量衰减更快。因此，接收信号的波幅和频率明显降低，频谱中高频成分明显减少。分析检测墙体波速的大小、振幅的高低和波形，可以得出墙体的相对强度和完整性情况，从而评价墙体质量的好坏。设V1为直达波速，h为挡墙高度，t为波在激振点与接收点之间的行走时间，则有下述式（4）关系： V1=h/t （4）2采用的仪器设备 2.1 仪器设备选择 (1) 探地雷达采用美国SIR3000型探地雷达仪，该仪器是目前世界上最先进的探地雷达仪之一，适用各种场合，且体积小，重量仅有数千克，携带方便，探测精度高。检测配备天线中心频率为400MHz，测量范围为60ns，探测深度3.5m左右。 (2) 声波仪采用白云仪器开发公司的SY-1型声波测试仪，配备50Hz纵波换能器，单道纪录

5、，采样间隔0.130s，采样点数1024，记录长50ns。2.2 测线布置探地雷达和声波法的测线均采用纵向布置，线距10m，测线尽量布置在整数里程上，测线以路基为零点，每条测线长度即为该处挡墙的高度。3. 资料处理与解释3.1 参数选择与标准值的确定3.1.1 声波法声波法测定的纵波速度V1，直接反映墙体的强度和完整性，浆砌片石或片石混凝土挡墙是由片石和水泥砂浆复合而成的两相复合体，当挡墙的组成石料、施工工艺、内部质量、砂浆标号符合设计要求时，其纵波速度应是一个较高且稳定的值，这个值就是“标准值”V，用实测的V1与其比较来评价挡墙的质量。影响波速的因素有： (1) 片石的硬度。片石硬度越大，波速越高。从已有的实测数据分析可知：灰岩为15002500m/s；砂岩为16001800m/s；砂页岩1600m/s。 (2) 圬工类型与石料形状。已有科研成果显示，当石料为灰岩时，片石混凝土墙平均速度为4700m/s；浆砌块石为3100m/s；浆砌片石为2500m/s。 (3) 水泥砂浆标号。当石料为灰岩时，75号水泥砂浆墙体的平均速度为3500m/s；100号则为3800m/s。 (4) 水泥砂

6、浆的饱满程度。正常墙体波速为1850m/s；墙体有少量裂纹时，墙体波速为1600m/s；砂浆不饱满时墙体波速为710m/s；砂浆松散时墙体波速为540m/s。 在诸多影响因素中，石质是第一位的，石材形状、砂浆标号次之，在一条线路的设计中，石质、材质和砂浆标号都是固定已知的，真正影响墙体波速的是砂浆饱满程度及片石间的粘合程度。 本次检测中，挡墙石料以砂页岩、泥灰岩为主，有少量灰岩；材形以片石为主，少量料石；圬工以浆砌片石为主，少量片石混凝土；砂浆标号均为75号。3.1.1.1 标准值的确定通过多处新建墙体，且经工地验证为完整墙体的实测波速值进行数理统计，分别得出它们的波速变化范围，并取其最小波速值作为标准值（或称临界标准值）。例如：75号浆砌片石砂页岩和泥灰岩墙体标准值分别为1200m/s和1300m/s； 75号浆砌片石灰岩墙体标准值定为1500m/s。3.1.1.2波速评价系数波速评价系数是一种相对比较法，是以在墙体上的实测波速值（V1）与按3.1.1.1统计出的同类完好墙体波速变化范围值的最小值（V）相比较，比值大于1时则墙体完整合格，其比值小于1时，则应重测，可能墙体有病害。3.

7、1.2 探地雷达法探地雷达法测定的是电磁波穿越挡墙的双程旅行时间t，探地雷达根据t与v(挡墙中电磁波速度)的关系及信号强弱求得挡墙的厚度及墙后回填情况。3.1.2.1 影响厚度分析的因素 影响厚度分析的因素主要有：(1) 片石的类型；(2) 水泥砂浆标号；(3) 水泥砂浆的饱满程度。上述几种影响因数主要影响电磁波速度，从而影响厚度的判断。3.1.2.2 标准值的确定主要根据K195+161左侧挡墙的实测值，参照墙顶的可见厚度，经数理统计后确定。挡墙电磁波速为13.0cm/ns。4. 挡墙主要病害 归纳本次检测成果，列出高路堑挡土墙主要病害表现（或病害原因）如下： (1) 由于年久失修，加之当年的施工质量，挡墙表面或墙顶平台有明显的下沉裂纹、裂缝、剥落、鼓胀、错台、杂草及排水不畅等病害。 (2)实测挡墙厚度小于设计厚度。 (3) 实测挡墙的声波速度低于标准挡墙的声波速度，挡墙的完整性较差（强度低）。 (4) 挡墙在施工中墙后回填不密实或发生过坍方、溜滑、渗水、滑坡和挡墙倒塌等事故，施工处理时墙后回填不密实，造成墙后回填松散、下沉、积水。 (5) 片石石料质量不高，特别是泥质灰岩、页岩以及

8、泥质页岩，经长期风吹日晒水浸，多数严重风化，部分已严重脱落，致使墙体强度降低。 (6)泄水孔堵塞（或根本不通），排水不畅，造成墙后严重积水，使墙体长期浸泡在水中，致使墙体渗水，形成渗水通道，降低墙体强度。 (7) 部分挡墙反滤层厚度不足（或根本没有），造成挡墙排水不畅，致使墙后积水，墙体渗水，回填浸水重量增加，墙体应力增大，导致墙体开裂，甚至坍塌。(8) 周边地质环境差，膨胀岩、软土、顺层、滑坡、破碎等不良地质和特殊土，造成挡墙不稳。5结束语 本次探地雷达法和声波法对南昆线挡墙的检测，共检测556座挡墙，检测长度86070m，检测出有严重病害以上的挡墙284座，长度11759m，占总检测长度的13.7%。有AA级极严重病害的挡墙138座，长度4367m，占严重病害挡墙的37.1%，该类病害已危及行车安全，部分病害已得到了开挖验证，提交检测报告后得到了运营管理单位的高度重视，立即制定了整治方案，着手进行整治。本次检测在运营管理单位的积极配合下取得了良好的效果，进一步证明探地雷达法和声波法对挡墙质量无损检测的可行性和可靠性，与以往的打孔、开槽等检测方法相比，物探检测方法对挡墙无破坏，不影响正常使用及施工，具有很高的推广应用价值。

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