高密度電法及瑞雷波法在現役高速公路路基檢測中的應用

王愉龍

陜西交通職業技術學院公路工程系，陜西西安710018

高密度電法及瑞雷波法在現役高速公路路基檢測中的應用

王愉龍

陜西交通職業技術學院公路工程系，陜西西安710018

公路路基是路面的基礎，它不僅承受著自重及路面結構重力，同時也承受著由路面傳遞的行車荷載。堅固的路基是提高公路路面性能，保障行車安全的重要條件。對此，本文在分析了在役高速公路路基病害現狀及評價指標的基礎上，對當前高密度電法及瑞雷波法兩種路基病害無損檢測技術進行改造，并以耒宜高速為例，研究了該技術在在役高速公路路基檢測中的具體應用。

高密度電法；瑞雷波法；在役高速公路；路基檢測

當今新形勢下，高速公路在推動各地區經濟往來中發揮著越來越重要的作用，加強在役高速公路路基性能檢測對于延遲公路壽命等多方面具有重要意義［1］。但路基作為高速公路路面的基礎，它屬于隱蔽工程，表現出較大的探測難度，加之傳統有損檢測方法效率低，對路面結構影響大等因素的局限，導致當前在役高速公路路基檢測與評價技術相對落后［2］。因此，為滿足對在役高速公路路基性能的檢測要求，本文通過對部分典型在役高速公路路基病害進行實際調查，得到當前在役高速公路路基病害現狀及評價指標，并針對原有高密度電法及瑞雷波法兩種路基病害無損檢測技術存在的不足進行了適當改造，將改造后的高密度電法及瑞雷波法應用于耒宜高速實現了路基性能檢測的快速化，提高了檢測精度。

1　在役高速公路路基病害現狀

通過對部分典型在役高速公路路基病害進行實際調查［3］，本文將目前在役高速公路路基主要病害總結為如下幾點。

1.1路基沉陷

路基沉陷一般分布在填方、軟土地基、半填半挖及巖溶地基等路段，沉陷面積多為0.5m2～150m2，主要表現為路面下沉，并常伴有其他結構性病害。

1.2路基開裂

路基開裂一般分布在填方、半填半挖路段，主要表現為縱向裂縫形式，裂縫長度通常在5m～50m。

1.3唧泥

唧泥一般分布在填方、低填淺挖、半填半挖路段，在路基沉陷和開裂嚴重處唧泥情況出現較多。

1.4橋頭跳車

橋頭跳車在在役高速公路路基病害中較為常見，我國多數橋梁都存在著不同程度的橋頭跳車情況。橋頭跳車處路基出現不均勻下沉，進而造成橋面搭板開裂，嚴重情況下回導致錯臺等，該病害一般分布在沿行車方向從橋到路基一端的行車道上。

2　在役高速公路路基性能評價指標

2.1指標選擇

一般情況下，公路路基性能指標都表現為壓實度、回彈模量降低及含水率升高，進而影響公路路基強度、剛度、耐久性與穩定性，并最終以路基病害的形式顯現出來［4］。所以，在役高速公路路基性能評價指標應包括壓實度、回彈模量及含水率三項，通過這三項指標反應高速公路在行車荷載、本身自重與路面結構重力等因素影響作用下的變化情況。為進一步保障評價結果的客觀、可靠，避免指標的相互重復，本文對路基壓實度、含水率及回彈模量三項指標進行了獨立性分析。

經大量研究發現，路基回彈模量與壓實度及填土稠度之間存在著良好相關性，若用E表示路基回彈模量，用K表示壓實度，用ωc表示填土稠度，則可得到三者的關系表達式為：E=AKMωcN，其中，A、M、N表示與填土性質相關的標定參數。根據該式可知，路基回彈模量是一定壓實度及含水率狀態下路基土在剛度方面的反映，路基回彈模量與路基壓實度及含水率三項指標存在重復情況，不具備相互獨立性，所以，本文認為對在役高速公路路基性能評價中，不應將這三項內容都作為評價指標，再考慮到路基回彈模量影響著路面結構受力狀態，是計算路面結構設計參數的重要指標，又是路基壓實度與含水率狀態的綜合體現，最終決定路基性能評價指標定為路基回彈模量K，而K值的計算則通過壓實度及含水率指標實現。

2.2路基回彈模量計算

根據室內獲得的路基回彈模量的計算公式［5］，經過最不利季節、保證率、試筒尺寸及路基干濕類型修正，得到路基現場代表回彈模量計算公式：E=λZAKMωcN/B，其中，λ表示試筒尺寸修正系數，采用直徑為5 cm與10 cm承載板時分別取值0.78與0.59；Z表示考慮保證率的折減系數，高速公路與一級公路都取值0.66；B表示綜合影響系數，其取值與ωc有關，當ωc≥ωc1時，B取1.3，當ωc1＞ωc≥ωc2時，B取1.6，當ωc＜ωc2時，B取1.9。

路基壓實度與含水率之間存在顯著關系，通常，路基主干密度會隨含水率的變大而表現出先升后降的規律，如圖1所示。

圖1　路基土干密度與含水率變化規律圖Fig.1Changed law of the dry density and moisture content in subgrade

由圖1可知，路基土為最佳含水率時，干密度最大，路基土高于或低于最佳含水率時，干密度都會有所下降。路基施工過程中，路基應高于或等于規定壓實度K，即路基干密度大于或等于Kρdmax，為達到這一目標，路基含水率就要在下限含水率ωmin與上限含水率ωmax之間。那么，ωmax對應的路基回彈模量就是符合路基規定的最小回彈模量，即，將ωmax帶入公式E=λZAKMωcN/B就可得到路基竣工回彈模量。

3　高密度電法與瑞雷波法

路基屬于隱蔽工程，由于傳統有損檢測方法效率低下，且容易損壞路面結構等局限，一般不應用于當今的在役高速公路路基性能檢測中，而是多采用無損檢測方法。高密度電法與瑞雷波法是兩種典型無損檢測方法，但在在役高速公路檢測中也存在著檢測精度低、自動化程度低、智能化程度低等問題［6］，因此，本文通過對兩種檢測方法原理的分析，提出了具體的改造方案，并將改造后的高密度電法與瑞雷波法應用于耒宜高速路基性能檢測中，以驗證其合理性。

3.1高密度電法及改造分析

高密度電阻率法是日本地質株式會社提出并發展起來的一種新型的電阻率方法，該方法以地下介質間的導電性差異為探測基礎，同于常規電法，其原理如圖2所示。

圖2　高密度電法實現原理Fig.2 The princip le of High Density Electric Method

由圖2可知，該方法首先通過A、B電極向地下供電，再測量M、N極電位差ΔU，繼而得到該記錄點的視電阻ρs=K·ΔU/I，最終利用實際測得的視電阻率剖面進行計算分析得到地層中的電阻率分布情況，以此來了解工程地質情況。

根據在役高速公路路基性能檢測要求，高密度電法電極形式及接地方式是影響該方法實現快速檢測的關鍵，應對此進行適當改造。這種檢測方法需要在檢測時將超過2/3的銅棒電極插入待檢目標中，而在役高速公路不能將電極透過路面插入基層中。因此，本文提出以下兩點改造方法：一是電極采用導電泡沫材料，并合理的增加電極接地面積，可以在檢測過程中直接將電極置于路面上；二是改變現有地表接觸方式，而選擇采用電容耦合接觸方式獲得電極所在位置的電壓值，從而達到電極無需接地就能完成快速檢測的目的。

3.2瑞雷波法及改造分析

瑞雷波法是近些年逐漸發展起來的一項新的工程物探技術，它以錘擊作為震源，錘擊時激發一瞬時沖擊力，產生一定頻率范圍的瑞雷波，不同頻率瑞雷波疊加后，通過脈沖形式向前傳播，而這些面波信號會同時被地震儀所記錄，借助于頻譜與相位譜分析實現不同頻率瑞雷波的分離，進而得到VR-f（或VR-λR）曲線，根據該曲線最終得到測試點下方的工程地質情況。

該方法也不能滿足對在役高速公路路基的檢測，需要對其接地方式進行適當改造。本文提出了三點改造方案：一是將檢波器固定在長10 cm，厚0.8 cm的正方形鐵板上，再將鐵板置于高速公路路面，以此完成對在役高速公路路基性能的檢測；二是不再使用傳統的檢波器，轉而使用檢波器串，將檢波器制作成餅狀，再用電纜將其進行連接成串，以此完成對在役高速公路路基性能的檢測；三是采用夯擊編碼震源系統代替傳統人工錘擊作為震源的方式，并在夯機上安置特殊裝置，解碼處理檢波器接收到的地震記錄以獲取良好的瑞雷波數據。

3.3檢測設備的自動化改造

為達到對在役高速公路路基性能快速檢測的目的，本文認為還應對高密度電法電極布設和瑞雷波法檢波器布設進行自動化改造，將二者固定在一根特制的金屬桿上，并通過液壓裝置實現對該金屬桿的動作控制，檢測過程中依據具體的檢測深度調節金屬桿，使電極及檢波器與路面緊密接觸。待完成最終檢測后，再次通過液壓裝置調節金屬桿置于另一檢測點，最終實現了整個檢測過程的自動化。

4　工程實例分析

為了檢驗本文中在役高速公路路基性能評價指標及改造后的高密度電法與瑞雷波法的合理性，以湖南省耒宜高速公路為例，選擇典型路段進行了現場測試，并對其路基性能進行了評價。

耒宜高速公路是國家高速公路G4重要組成部分，是貫通我國南北的交通大動脈，于2001年正式通車。近些年來，隨著耒宜高速交通量的累加，路面出現嚴重損壞情況，亟待大修改造。因此，本文以耒宜高速公路典型路段對其水泥路面路段進行了路基檢測與評價。

4.1路基填料特性

通過現場取土進行擊實試驗及界限含水率試驗，得到路基填料的最佳含水率、上限含水率、最大干密度分別為15.2%、18.7%、1.85 g/cm3。

4.2路基回彈模量

采用5 cm承載板進行了室內回彈模量測試，并測定試件的壓實度與含水率，得到路基回彈模量的計算公式為：E=93.1K0.615ωc3.875，取路基竣工時壓實度為96%，含水率為18.7%，λ為0.78，B為1.3，Z為0.66，則得到路基竣工回彈模量E為94.2MPa。

4.3路基狀況檢測結果

采用改造后的高密度電法、瑞雷波法及自動化檢測設備對耒宜高速K1710+000～200行車道進行詳查，并利用無損檢測數據的融合聯合解譯算法反演檢測路段的路基含水率及壓實度，再結合上述獲得的路基回彈模量，得到檢測結果如表1所示。

表1　檢測結果Table1 The resultsof detection

由表1可知，K1710+000～200路基回彈模量較低，無優良狀態結果，這說明耒宜高速公路路在長達10幾年的使用中，其路基強度已經出現嚴重降低，甚至有一半路段處于不合格狀態，已無法滿足路面結構需要，急需進行加固處理。

由現場路面病害實際調查可知，K1710+000～200段路面嚴重損壞，存在多處路基沉陷、卿水、卿泥等病害，這與本研究的實驗結果一致，說明了本文對高密度電法、瑞雷波法的改造具有合理性，可以應用于在役高速路基檢測。

5　結論

文章分析了在役高速公路路基病害現狀，以及在役高速公路路基性能評價指標，并對高密度法及瑞雷波法進行了改造，最后以耒宜高速為例證明了改造后的高密度電法、瑞雷波法可以應用于在役高速路基檢測，實現對高速公路路基性能的無損檢測。但是，本文的調查及案例選擇主要以南方濕熱地區路基為主，而我國地域遼闊，不同地區的工程地質條件存在較大差異，所以，在下一步的研究中還應繼續擴大高密度電法與瑞雷波法在不同地質環境高速公路路基性能檢測中的應用，以便在全國范圍內推廣應用。

［1］Kim J，Jeong S，Park S，et al.Influence of rainfall-induced wetting on stability of slopes in weathered soils［J］. Engineering Geology，2004，75（4）：251-262

［2］孫祺華.路基病害無損檢測技術應用研究［D］.重慶：重慶交通大學，2010

［3］張華.路基工作狀況快速檢測指標研究［D］.重慶：重慶交通大學，2013

［4］王震.耒宜高速公路路基狀況及其對基層疲勞壽命的影響研究［D］.長沙：長沙理工大學，2014

［5］陳夢.高速鐵路多層線下結構病害彈性波場無損檢測方法研究［D］.上海：上海交通大學，2014

［6］張清明，周楊，冷元寶.探地雷達在公路路基路面檢測中的應用［J］.無損檢測，2011，33（10）：77-78

The Application of the High Density Electrical Method and Rayleigh Method in the Subgrade Detection of In-service Highway

WANG Yu-long
DepartmentofHighway Engineering/ShaanxiCollege ofCommunication Technology，Xi'an 710018，China

Highway subgrade isa foundation of pavement，itnotonly bears theweightand the pavementstructure of gravity butalso undergoes the vehicle load，meanwhile，the solid foundation is an importantcondition to improve the performance of highway pavement and ensure the driving safety.Therefor this paper analyzed the disease status and evaluation index of highway subgrade in service and then reformed the High Density Electrical Method and the Rayleigh Method which used in the subgrade diseases detection and took the Leiyiexpressway as the example to discuss the application of this technology in highway subgrade detection.

High Density ElectricalMethod；Rayleigh Method；in-service highway；subgrade detection

U 216.42+1

A

1000-2324（2016）04-0553-04

2016-05-11

2016-05-28

交通運輸部科技計劃項目（2015319G02190）

王愉龍（1976-），男，陜西西安人，本科，講師，主要從事公路工程研究.E-mail：390601842@qq.com