公路路基病害的無損檢測技術應用

孫文浩

(東營市公路勘察設計院有限公司，山東 東營 257091)

0 引 言

目前我國處于運營期的公路工程由于受到設計理念或施工技術等方面的限制，再遭遇降雨、溫度變化等自然環境的影響可能存在滑坡、坍塌等[1]。為了提高公路工程的建設水平、加強公路服務水平、確保其功能滿足交通運輸需要，應當在公路施工及運營期間，對路基可能出現的病害展開動態的、全面的檢測[2]，同時如何準確判斷路基可能出現的病害，選擇經濟可行的病害檢測技術也成為國內外學者及工程技術人員亟待解決的問題。

傳統的公路路基病害檢測方法主要是鉆孔取芯法等，該法是隨機選點、鉆孔取樣，并開展室內試驗來獲取巖土體的各項物理力學，但其對施工干擾小、效率低、偶然性大、代表性差。隨著科技水平的日益成熟，無損檢測技術已經逐漸應用在公路路基病害檢測中，可仍需進一步完善，故探討無損檢測方法在路基病害檢測中的應用可以為類似工程提供一定的理論指導。

1 依托項目概況及病害分析

1.1 工程簡介

某一級公路工程全線28.8km，設計荷載為公路-Ⅰ級，地質條件十分復雜，沿線出現大量邊坡。本文以ZK2+289～ZK2+535段路基為研究對象展開路基病害及無損檢測分析。筆者根據地勘鉆探報告、現場荷載試驗等提供的數據，將該段路基邊坡土體共分為3層，其地基土為基巖，中間土層為中風化砂巖，上層為強風化砂巖，且層存在30cm厚的人工雜填土，其主要工程技術指標見表1。

表1 該一級公路主要工程技術指標

1.2 路基病害及原因

公路路基在土體自重、反復車輛荷載及不利自然環境等影響下，容易出現路基沉降，從而影響路基高程和邊坡坡度，并最終可能導致土體沉陷、坍塌或滑移，使得路基出現失穩破壞穩定性[3]。

1.2.1 路基沉陷

公路路基沉陷指的是路基表面豎向位移較大，使得地基土出現下沉并向兩側擠壓所引起的路基不均勻沉陷現象。出現這種病害的原因在于：

(1) 路基填料或壓實方法選取不當。

(2) 路基分層壓實厚度不合理、不同填料混合壓實、含水量控制不當等原因導致路基壓實效果不佳，壓實度達不到規范要求。

(3) 公路路基施工期間排水設施處理不當，出現積水現象。

1.2.2 滑坡

公路路基滑坡指的是路基邊坡巖土體在重力作用下，沿著某一軟弱帶整體向下滑動。產生路基滑坡的原因分為內在因素和外在因素兩大類，前者包括土體填料性質、地質構造、水文地質條件等，后者包括降雨、溫度變化、人類活動等。

1.2.3 坍塌

公路路基坍塌指的是路塹邊坡在各種不利荷載作用下，巖土體發生崩塌并墜落的現象。路基坍塌相對于一般病害而言，有快速性、突變性等特點，對行車安全危害較大。同時形成公路路基坍塌的原因主要有坡度較大(55°以上)、降雨、地震、人工開挖及爆破等。

2 地質雷達在路基塌方檢測中的應用

2.1 地質雷達路基探測基本原理

地質雷達是一種利用超高頻脈沖電磁波在介質中傳播規律的一種廣譜電磁技術。地質雷達一般包括一個發射天線，一個接收天線，如圖1所示。當發射天線發射出的高頻電磁波周圍巖土體或地層的介電常數或電導率差異性較大時(如地層與病害的界面處)，電磁波會發生反射，反射回的電磁波進而被接收天線接收。高頻電磁波在地層中傳播時，其波幅、波速等會隨著介質介電常數或電導率的變化而變化。與此同時，在電磁波的時域曲線上能夠得到發射波和反射波的運行時間(雙程走時)，取高頻電磁波雙程走時的1/2和相應介質中電磁波傳播速度的乘積就能夠算出路基病害所處的空間位置。

圖1 地質雷達路基探測基本原理

2.2 地質雷達探測頻率選擇及測線布置

2.2.1 天線頻率選擇

相關學者研究表明[4]，頻率為100MHz的天線探測深度有8～14m，頻率為300MHz的天線探測深度僅僅2～3m。上述現象表明，地質雷達天線的工作頻率越高，波長越小，探測距離越近，分辨率越高。此外，地質雷達的探測深度還和地層的衰減系數、接收器靈敏度、發射器功率、增益大小等參數密切相關。該根據該公路項目路基的回填高度及可能塌方地段的實際情況，筆者選擇使用100MHz的天線來探測路基塌方病害。

2.2.2 測線布置

由于該段路基通車運營，在布設測點時要盡量沿著公路縱向。若必須布置在橫斷面，應當設置警示標志，以免影響正常交通。本段路基出現的坍塌的部位在ZK2+330附近，坍塌后路基邊坡坡度增大，使得路面產生輕微裂紋。為了探測處路基邊坡坍塌對路基的影響寬度、路面下巖層破碎等，在ZK2+330附近的車道外測每隔3布設一個測點，共布置10個測點。

2.3 地質雷達數據處理

地質雷達的數據處理的關鍵是分析脈沖波形圖，可以采用IDSP等軟件來處理。在分析脈沖波形圖之前，應當對現場測試數據進行降噪，還必須通過調整增益的方式來抑制雜波出現，并使用專業的濾波工具對探測數據中的高頻波段突出顯示。

3 高密度電阻率法在路基滑坡厚度檢測中的應用

3.1 高密度電阻率法探測基本原理

高密度電阻率法是在地下被探測體與周圍介質之間的電性存在差異性的基礎上來建立直流電場，并按照預先布設的電極進行掃描，得到地下一定范圍內的空間電阻率變化趨勢，最終查明可能存在的路基病害。使用高密度電阻率法來檢測路基滑坡厚度時要遵循以下幾項原則：第一，測量點距必須按照所探測滑坡的范圍來確定；第二，在觀測裝置沿測線移動過程中，每次移動的距離應當在勘探范圍內是連續的；第三，數據測量時應當采用正負交替的供電方式。

3.2 高密度電阻率法的應用

3.2.1 探測設備選型

不同探測設備對地質體的敏感程度各有差異，溫納四級分辨能力不佳，而偶極、微分分辨能力較高；同時如果地形起伏大，溫納四級影響不大。故筆者用高密度電阻率法探測路基滑坡厚度時采用的儀器是重慶奔騰數控技術研究所設計的高密度電阻率測量系統，如圖2所示。該測量系統以數字直流激電儀為測控主機，并搭配了多路電極轉換器。

圖2 高密度電阻率測量系統面板

3.2.2 探測方案

在探測設備選型完成后，應當根據路基滑坡體覆蓋層的幾何特征、滑移范圍等來確定高密度電阻率法檢測技術方案。筆者選擇ZK2+330里程附近的滑坡段進行滑坡病害檢測，其檢測步驟如下：高密度電阻率測量系統調教歸零→確定檢測斷面→布置測線(應采用多電極排列檢測同一測線)→檢測路基滑坡厚度和滑移范圍→數據處理→結合鉆孔取芯法對比分析。

4 結論

本位依托某一級公路項目的ZK2+289～ZK2+535段路基，深入研究了路基病害及成因、地質雷達法和高密度電阻率法在路基病害檢測中的應用，主要得到了以下幾個方面的結論：

(1)無損檢測技術具有對施工干擾小、作業效率高、便利性好、高精度等優點，已逐漸在公路路基病害檢測中應用。

(2)路基常見病害主要有路面沉陷、邊坡坍塌及滑坡等。

(3)地質雷達路基探測基本原理是利用電磁波的傳播，且地質雷達天線的工作頻率越高，波長越小，探測距離越近，分辨率越高，而高密度電阻率法是在地下被探測體與周圍介質之間的電性存在差異性的基礎上來建立直流電場來檢測可能存在的路基病害。