基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法

工程忆球物呃罟毅

CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICS

Vol. !6,No. 4July. , 2019中文引用格式:韩光男，徐能雄,苏贤星，等.基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法口］.工程地球物理学报，2019,16(4)：

516-524.英文引用格式 :Han Kwangnam, Xu Nengxiong, So Hyonsong. et al. Evaluation methodology of fill subgrade soil compaction quality­

based on high densityresistivity method］〕］. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2019,16(4) ；516-524*基于高密度电阻率法的填方路基压实

质量评价方法韩光男\"，徐能雄1,苏贤星2,玉真成2,蔡哲浩彳(1.中国地质大学工程技术学院，北京100083；2. 黄北综合大学工程地质学院，朝鲜沙里院；3. 金策工业综合大学资源探测工程学院，朝鲜平壤)摘 要：提出了利用高密度电阻率法评价填方路基压实质量的方法。通过填方路基填料的击实试验和电阻

率测试试验，确定电阻率与击实含水量和击实干密度之间的关系。对三种填方路基电阻率模型模拟路基电阻 率分布，确定了压实程度不良区域的位置与电阻率异常变化区域在偶极一偶极法的反演结果具有良好的对

应关系。对比了利用高密度电阻率法确定的填方路基压实质量参数和灌水法，确定高密度电阻率法能够判断

路基压实质量。关键词：高密度电阻率法;填方路基;路基含水量;压实干密度中图分类号：P631.3

文献标识码：A 文章编号:1672—7940(2019)04—0516—09doi：10. 3969/j. issn. 1672-7940. 2019. 04. 014Evaluation Methodology of Fill Subgrade Soil Compaction

Quality Based on High Density Resistivity MethodHan KwangNam1,2, Xu Nengxiong1, So HyonSong2, Ohk JinSong2,Chae CholHo3(1. School of Engineering and Technology , China University of Geosciences , Beijing 100083, China ；2. School of Geological Engineering , HivangBuk University , SaLiWon,D. P. R. KOREA?3. School of Resource Exploration Engineering fKimchaek University of Technology , PyongYang,D. P. R. KOREA)Abstract: The paper proposes a method for evaluating the compaction quality of fill subgrade

by high—density resistivity method・ Through the hit—solid experimentand resistivity test of

the fill subgrade filler, the relationship between resistivity and compacted moisture contentas

well as compacted dry density is determined・ Simulating the subgrade resistivity distribution收稿日期：2019-03-29第一作者:韩光男(1978-),男，访问学者，主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。E-mail： hankmcug@163. com通讯作者:徐能雄(1971 — ),男，教授，博导，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail：xunengxiong@cugb. edu. cn第4期韩光男，等:基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法517for three fill subgrade resistivity models is to determine a good correspondence between the position with bad compaction degree and the area of the resistivity with abnormal change in

the inversion result of the dipole 一 dipole method・ By comparing the compaction subgrade compaction quality parameters and irrigation method, the judgment of the subgrade compac­tion quality can be determined by high—density resistivity method・Key words: high density resistivity method； fill subgrade； pressure quality； subgrade mois­

ture content； compacted dry density率法采集了某铁路段的温纳装置视电阻率数据, 1引言路基的压实质量影响着路基变形和稳定性。 因此,路基压实质量评价是路基施工质量控制中

的关键环节口②O当前路基压实质量评价的方法可分为3类： 灌水（砂）法、波法和静力贯入法灌水（砂）

法⑷适用于集料的最大粒径不超过40 mm、测定 层厚度不超过200 mm的压实质量检测，不适用 于填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料的压实质量 检测，且作为点测法,其检测过程中难免跳过缺陷 部位，检测结果不能充分反映全断面的压实质量。

波法*也检测快捷方便,属于无损检测，但是目前 对波在各种土体中的传播规律和机理认识不够，

与静力试验进行对比分析时没有统一标准，推广

应用难度较大。静力贯入法凹是根据贯入深度与 压实质量的经验关系间接确定压实质量,但是对 于含碎石、砾石的土层，这种关系难以建立。这些

方法都有一定局限性,需要新的检测方法⑴吨O高密度电阻率法是一种地球物理勘察方法， 检测速度快、信息量丰富、检测结果准确，被广泛

地应用于各类工程检测中\"珂。在路基工程中高密度电阻率法主要应用于路

基勘察、路基病害诊断等方面如旳。赵鹏涛等即」 应用高密度电阻率法对某高速公路路基进行了探

测，准确探测路基下方岩溶发育情况。张晋等口口 以某高速公路路基勘察为例，探讨应用高密度电 阻率法探测路基缺陷。陈清等对某铁路路基塌

陷，采用高密度电阻率法判断了路基塌陷大小和 埋深“幻。张光保「如用高密度电阻率法对某铁路 路基进行岩溶勘测，查明了地层结构和岩溶发育 情况，为工程设计和工程施工提供了依据。赵明

阶等〔旳通过制作路基内存在3种不同病害的路 基模型，采用高密度电阻率法对病害模型进行了

测试,发现病害区域的位置与电阻异常变化区具

有良好的对应关系。傅庆凯等匚旳用高密度电阻

并通过电阻率反演数据结合地质情况对地下不良

地质病害进行了解释推断。填方路基在压实过程中为了使填料的击实干

密度接近其最大干密度，需要控制填料的击实含

水量，但是填料中水的含量不能超过一定量。因 此，含水量是路基压实过程中控制的关键因素之 一，也是路基压实质量评价的关键参数业旳。本文探讨了高密度电阻率法在路基压实质量

评价中的应用方法,论证了高密度电阻率法在路

基压实质量评价方法的可行性。2利用高密度电阻率法填方路

基含水量与压实干密度评价 方法高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方

法，提供的数据量大、信息量多，并且观测精度高、 速度快，是很有效的物探方法之一。高密度电阻 率法勘探的前提是介质的导电性差异，根据实测

的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，可获得地

层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地 质问题〔旳。影响土的电阻率的基本因素是土的

矿物组成、颗粒级配、含水量、密度等。但是填方 路基施工中在一定分段内填料的矿物组成、颗粒

级配是均匀的，因此填方路基填料的电阻率是与 压实含水量和压实密度有关的。基于此，利用高

密度电阻率法可以评价填方路基的压实状 态3时。利用高密度电阻率法填方路基的压实状态评

价方法如下：1）首先对现场取回的试件在实验室进行击实 试验和电阻率测试,得到电阻率与击实含水量和

击实干密度的关系。2 ）然后在填方路基施工现场进行高密度电阻率

测试,得到路基的电阻率分布信息，用RES2DINV

518工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)第16卷高密度电阻率法反演软件进行反演计算，直接绘 阻率法装置，制作3种不同压实模型，利用高密度

制电阻率等值线图。电阻率法反演分析软件res2dinv对地基模型进 行了电阻率分布模拟。3) 利用在实验室得到的电阻率和击实含水

量及击实干密度的关系，将反演计算结果文件 * . inv中的电阻率值变换成击实含水量及击实 干密度，得到击实含水量等值线图及击实干密度

3.1路基压实程度均质时的电阻率分布模拟路基电阻率模型1是厚度为0. 5m的填方路

基,填土的最佳含水量为18 %，最大干密度 18.42 kN/m3,对应的电阻率为90 (1 • m左右， 如图1所示。利用RES2DMOD软件制作模型和

等值线图。4) 对反演计算结果文件*. inv中的电阻率 值、击实含水量、击实干密度、击实含水量等值线

进行正演分析，利用RES2DINV软件进行反演分

图及击实干密度等值线图，进行分析，可定性评价 填方路基的压实质量。析。对模型1的温纳法(Wenner - a法)反演结

果如图2所示，偶极一偶极法(Dipole-dipole 法)反演结果如图3所示。图2和图3中横坐标

3对填方路基压实质量评价合

适的高密度电阻率法装置为了确定填方路基压实质量评价的高密度电

为电极间距,纵坐标为反演深度。由图2和图3可知，填方路基的压实程度均 匀时现场路基电阻率剖面基本上分布均匀，电阻

率在90 n • m左右。A7m图1路基电阻率模型1Fig. 1 Subgrade resistivity model 1X!m2

4

6 8 10 12 14 16p/flm92 114 141 175 216 268 332 411图2路基电阻率模型1的反演结果(温纳法)Fig. 2 Inversion results of subgrade resistivity model 1 (Wenner—a)第4期韩光男，等:基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法A7m5190 2 4 6 8 10 12 14 160.1250.3750.6370.926 f 1.240

詈 1.590

1.9802.4002.87093.6

p/S2 • m115

141

174 213 262 322 396图3路基电阻率模型1的反演结果(偶极一偶极法)Fig. 3 Inversion results of subgrade resistivity model 1 (dipole—dipole)左右，如图4所示。对模型2的温纳法(Wenner

3.2有一个压实程度不良区时的电阻率分布模拟路基电阻率模型2是厚度为0. 5 m的填方路 基,填土的最佳含水量为18 %，最大干密度

— a法)反演结果如图5所示,偶极一偶极法(Di­

pole—dipole 法)反演结果如图6所示。由图5和图6可知，路基内有压实程度不良 区时现场路基电阻率剖面可以反映出此区间，但

1& 42 kN/n?,对应的电阻率为90 Q • m左右，在 填土区内有2 m分段的压实程度不良区，此分段的

温纳法和偶极一偶极法的反映程度不同。在温纳 法的成像断面上不良区的界限不明显。压实含水量为14 %，对应的电阻率为130 Q • m

o8

10121416o.0.1.L3

81.28Z333.3.137

38 97

4.6330 50 70 90 130 150 200 300 400 500 p/Q ・血图4路基电阻率模型2Fig. 4 Subgrade resistivity model 2X!m0 0.1250.6370.926 日 1.240 S 1.5902 4 68101214 16Q 1.9802.4002.8703.38091.8 114 140 174 215 266 329 407p/Q • m图5路基电阻率模型2的反演结果(温纳法)Fig. 5 Inversion results o£ subgrade resistivity model 2 (Wenner—a)520工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)第16卷/日qJ&G

pm

图6路基电阻率模型2的反演结果(偶极一偶极法)Fig. 6 Inversion results of subgrade resistivity model 2 (dipole—dipole)3.3有两个压实程度不良区时的电阻率分布模拟路基电阻率模型3是厚度为0. 5 m的填方 路基，填土的最佳含水量为18 %，最大干密度 1& 42 kN/m3,对应的电阻率为90 G • m左右， 在填土区内有两个压实程度不良区，两个区的

8所示，偶极一偶极法(Dipole-dipole法)反演 结果如图9所示。由图8和图9可知，不良区域的位置与电阻

率异常变化区域在偶极一偶极法的反演结果具有

良好的对应关系。压实含水量为14 %和12 %，对应的电阻率为 130 fl • m和150

• m左右，如图7所示。对上述的模拟结果表示，采用高密度电阻率法 评价填方路基的压实质量时采用偶极一偶极法的

模型3的温纳法(Wenner- a法)反演结果如图 电极测试排列方法更合适。A7m30 50 70 90 1301«)^032040050) p/Q ・m图7路基电阻率模型3Fig. 7 Subgrade resistivity model 3Xlm0.1250.6370.926 g 1.240 I 1.590Q 1.9802.4002.8703.380■ ■■■■：■■■■：■口■■■■■■ p/Q -m91.5

114 141 175 216 268 332 411图8路基电阻率模型3的反演结果(温纳法)Fig. 8 Inversion results o£ subgrade resistivity model 3 (Wenner—a)第4期O

J25o.75o.37

626 o..3o. 4 o1..929 o1.

81.2 o.5O o.924

7O ■.8 82

韩光男，等:基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法Azm10521121416□1

T 0I1■2fI

F

0

OF2 0I2 5:P/Q

m

图9路基电阻率模型3的反演结果(偶极一偶极法)Fig. 9 Inversion results of subgrade resistivity model 3 (dipole—dipole)由表1可知,填料的最佳含水为量18%,最大

4工程应用干密度为18. 4 kN/m3,对应的电阻率为90 Q • m 左右。4.1工程概况为了确定利用高密度电阻率法的填方路基压

将表1中的击实含水量和电阻率进行统计

分析，可得乘幕函数式(1),相应的曲线如图10 所示。w = 549.145

实质量评价方法的可行性，在朝鲜某公路路基施

工现场进行高密度电阻率探测，采用WDMG-9 型高密度电法仪进行测试。勘察深度是与测点距的长短和测量电极数量 有关的。本次勘察中，所有剖面的电极距均为

759 2 (1)式(1)中：饴为填料的击实含水量(%), p为 填料的电阻率(fl • m)o0. 5 m,测量电极为36个，剖面最大长度为18 m。

4.2路基填料压实参数与电阻率的关系4. 2.1 土质填料的压实含水量与电阻率的关系对现场取回的土质填料，制作不同含水量的 击实试件，进行击实试验，测定击实试件的电阻

率,试验结果如表1所示。表1路基土的击实试验结果Table 1 Compaction test results of subgrade soilNq含水量 w/ %4干密度/d/kN ・ m\"电阻率

p /Q ・ m123456789101112131416.2216.8617.2817. 721&051&261&371& 421&321&146810121416182022544.236 4416.224 2278. 006 4198.228 9155.225 8135.334 8108.356 490.624 282.261 470. 544 5图10含水量和电阻率的关系Fig. 10 Relationship between moisture content and resistivity4.2.2 土质填料的压实干密度与电阻率的关系为了确定击实干密度与电阻率关系，首先建 立干密度与含水量关系。表1中击实干密度与含水量的关系见图11 和式(2)。2426283017.8817.5217.1216.5459. 648 256. 645 247. 846 342.463 6yd =— 0. 011 + 0. 416 0w +14. 755 2 (2)式(2)中：7a为填料的击实干密度(kN/m3) 式(1)代入式(2)可得击实干密度与电阻率的 关系式(3),相应的曲线如图12所示。522工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)518. 18.o

第16卷日・

17..5Q17.16..516.016.015.515.010

15 20 25 30155o100 200

w/%300 p/Q • m400 500 600图n干密度和含水量的关系Fig. 11 Relationship between dry density and

moisture content图12干密度和电阻率的关系Fig. 12 Relationship between dry density and

resistivity为量18 %，最大干密度为1& 4 kN/m3，对应的电

yd =- 358 2. 6pT®魚 + 228. 44^-°-759 18 +

14.755 (3)阻率为90 n • m左右。对填方路基的高密度电 阻率勘测结果如图13所示。利用对现场取回土质填料进行击实试验和电

阻率测试得到的式(1)和式(3)及高密度电阻率法 测试数据，可以定量的评价填方路基的压实含水 量和击实干密度。路基任何位置的电阻率值可以在*.inv文 件中查到，可以用式(1)和式(3)转换成击实含水 量和击实干密度。4.3现场高密度电阻率测试路基的填方厚度为0. 5 m,填料的最佳含水0

利用式(1)将电阻率反演分析结果文件* • inv中的电阻率值转换成击实含水量可得到路基Xlra.4

62

8 10 12 14 160.1250.6371.24011.590 帛 1.980Q 2.4002.8703.3803.940p/O • m76.6

97.3 124 157 200 253 322 409图13填方路基的电阻率分布(偶极一偶极法)Fig. 13 Resistivity distribution o£ fill subgrade (dipole—dipole)A7m2

0.1250.6371.24011.590 ■fa.98046810121416

Q 2.4002.87033803.940■ ■■■■■■■■■□□■■■■■■ p/Q • m5.30 6.27 7.40 8.75 10.3 12.2 14.4 17.0图14填方路基的击实含水量分布Fig. 14 Compacted moisture content distribution of fill subgrade第4期韩光男，等:基于高密度电阻率法的填方路基压实质量评价方法A7m52320.1251.2401.5901.9804 6 8 10 12 14 16Q 2.8703380m16.5

16.7 16.9 17.1 17.3 17.5 17.7 17.9 1& 1图15填方路基的击实干密度分布Fig. 15 Compacted dry density distribution of fill subgrade的击实含水量分布断面如图14所示。利用式(3)将电阻率反演分析结果文件* .

极一偶极法(Dipole-dipole法)装置在填方路基

电阻率探测中具有良好的效果，可以得到可靠的 路基电阻率分布数据。inv中的电阻率值转换成击实干密度可得到路基 的击实干密度分布断面如图15所示。填方路基的高密度电阻率法测试结果与灌水

2) 通过对室内击实试件电阻率测试,建立电 阻率和击实含水量的关系曲线和电阻率和击实干

法对比如表2所示。密度的关系曲线，从而将高密度电阻率法测试结 果可以转换成击实含水量和击实干密度，定量的

表2填方路基的压实质量参数对比验证

标定整个测试断面的压实程度。3) 通过在填方路基施工现场进行高密度电阻

Table 2 Contrast verification of compaction quality

parameters of fill subgrade率测试，可以定量地评价填方路基的压实质量，利

灌水法—位置2m参数p/Q ・ mw/ %%/kN • m-3p/Q ・ mw/ %电阻率法95. 718用高密度电阻率法进行路基压实质量评价是可

行的。17. 207 4618. 396 1396.11417. 153 616m

17.041&31-17.34参考文献：[1] 柴贺军，陈谦应，孔祥臣，等.土石混填路基修筑技术

9m

九/kN • m-3p/Q ・ m18. 395 7189. 0751& 173 2518.391 971&31-17. 92研究综述[J].岩土力学,2004,25(6)=1 005-1 010.[2] 刘运来，汪魁，周军平.基于高密度电阻率测试的路

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of the compact degree of soil-stone embankment

由图13、图14、图15和表2可知，厚度0. 5 m 的路基全区的电阻率在80〜100 m左右，对应的

[C]//OMAR H. Proceedings of the 4th International

Conference on Landslides, Slope Stability andthe

压实含水量在17 %〜20 %，压实干密度大于 1& 3 kN/m3，就是说路基全区的压实质量满足施

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