公路路基施工厚度無損檢測技術研究

史建明

（中交一公局海外東非分公司，北京100024）

1 引言

公路工程在建設過程中及后期運營階段，應當對路基的質量展開全面的監檢測管理，從而滿足公路交通運輸的需求，并提高公路的服務質量。近年來，檢測技術的飛速發展為公路工程的質量監測提供了很高的便利性、經濟效益等。在公路施工過程中，路基厚度會影響到路基的壓實度、工后沉降等參數。與此同時，由于施工工藝和填筑材料性能的差異性，路基厚度很難恰好達到設計的要求值。傳統的路基施工厚度無損檢測方法是對每個施工環節的路基分層壓實度進行檢測，而且往往是采用隨機選點的方式開展的，并將現場鉆探取樣與室內分析結合起來分析。但是，這樣會對路基的正常施工產生一定程度的干擾，且需要進行大量重復的檢測試驗，對施工影響大，整體效率低【1】。目前，在進行國內外路基厚度檢測時，選擇便利、高精度的檢測技術就成了主要趨勢。其中，應用最為廣泛的就是無損檢測技術。因此，研究無損檢測技術在公路路基施工厚度中的應用意義重大，這不僅能更好地確保公路路基的施工質量，還可以提高公路工程的整體建設水平，為類似公路路基厚度施工檢測提供科學的指導。

2 聲波探測法在路基施工厚度檢測中的應用

2.1 工作原理

目前，聲波探測法是應用于橋梁樁基礎施工過程中的完整性檢測，但其用于路基施工厚度的檢測時效果也較好【2】。聲波探測法的基本原理是：將一對一發雙收式或自發自收式的換能器放置在待測的路基中，換能器會發射出聲波。如果聲波的入射角等于第一臨界角，則聲波在被測物體中的折射角度為90°。此時聲波會沿著鉆孔不斷滑行，最終聲波又折射回鉆孔中由換能器接收，由此可以計算得出路基的厚度。計算公式如下：

式中，t1、t2分別為聲波傳到2 個換能器的時間，s；ΔVP是聲波在孔壁的傳播速度，m/s；ΔL為待測路基的施工厚度。

2.2 實施方法

使用聲波探測法測定路基厚度時，需要準備的儀器有聲波檢測儀、換能器、計算機等【3】。具體實施方法如下：（1）使用鉆孔設備在路基上鉆出孔徑稍大于聲測管的孔，并在孔中布置聲測管；（2）向孔中注入清水，并采用鋼筋插入孔中檢查孔的通暢性；（3）將一對自發自收式換能器放到聲測管的內部，并將換能器自鉆孔底部拉出，從而得到各土層的測試信號；（4）將測試數據導入計算機，并采用專門的軟件進行分析，從而準確地計算出路基的厚度。

3 探地雷達法在路基施工厚度檢測中的應用

3.1 工作原理

地質雷達法是一種地下甚高頻～微波段電磁波反射探測法。地質雷達的探測原理是：發射器通過發射天線向地下定向發射電磁波，電磁波在傳播的路徑中當遇到有電性（介電常數和電導率）差異的界面時即發生反射，反射波由接收器接收，在時域上得到反射回波及其往返旅行時間，并首先沿2 天線所在表面形成直達波被最先接收到，作為系統起始零點，取反射波往返時間的一半，乘以相應介質的雷達波速度便得出反射目標所在深度，再根據反射波的形狀、幅度及其在橫向和縱向上的組合特征和變化情況進行目標識別，如圖1 所示。因此，如果路基與地基間的土質存在較大的差異性，則二者交界面處的介電常數也不同（如黏土層與軟土層的介電常數分別為7～8 和25～35，2 土層之間存在著明顯的電性差異），這就使得地質雷達發出的電磁波出現折射和反射現象，然后，再依據電磁波的傳播時間就可以得到路基的實際施工厚度【4】。

3.2 實施方法

使用地質雷達測定路基施工厚度的內容主要包括現場測試和數據處理，具體要求如下所示。

圖1 探地雷達測試路基厚度原理

3.2.1 現場測試現場測試的關鍵環節就是天線頻率的選擇和測線的布置。地質雷達天線頻率的選擇要考慮2 個方面的因素【5】：（1）路基的大概厚度。地質雷達天線的頻率與其分辨率、探測深度密切相關，即天線頻率越高，分辨率越低，地質雷達的探測深度越淺。（2）路基土與地基土交界面的介電常數。介電常數會影響地質雷達發出的電磁波的折射和反射，從而影響測試結果的準確性。一般介電常數可以通過在路基某處剖面上開挖測試得出。 地質雷達天線的頻率確定之后，就要根據路基施工的實際情況來布設測點。測試斷面的選擇主要依據公路路基相關規范標準，測試操作嚴格遵循地質雷達操作手冊。

3.2.2 數據處理

地質雷達的數據可以采用IDSP 等軟件來進行處理，并借此分析得到需要的路基施工厚度值。地質雷達的數據核心是如何分析脈沖波形圖。在分析波形圖時，首先要對現場測試的原始數據進行降噪處理，隨后通過調整增益大小來補償或抑制雜波的出現，最后使用濾波工具對數據中的高頻波突出顯示。在現場測試時，為了得到更多有效的電磁波信號，往往用寬頻采集，并在原始數據中記錄干擾波。與此同時，波形圖的處理還應當使用專門軟件基于時域和頻域來分析計算參數。

3.3 工程應用

某公路在路基施工作業結束之后，為了驗證路基的填筑厚度是否滿足設計文件的要求，采用了探地雷達法來檢測路基的厚度。現場試驗選擇的是SIR3000 雷達，測試天線的頻率選擇了400MHz，并每隔10m 布設了1 條測線。與此同時，在地質不良地段對測線的間距進行了適當的加密，最終得到了連續的測試信號，如圖2 所示。將測試數據進行處理之后，能夠得到波的傳播形態，并通過深度剖面得到路基的厚度。試驗結果表明：探地雷達法應用于路基施工厚度檢測是可行的，且同一橫斷面厚度檢測結果的誤差僅在3%左右，滿足工程要求。

圖2 探地雷達測試數據處理結果

4 結語

本文深入探討了聲波探測法和地質雷達法在公路路基施工厚度中的應用，主要得到以下4 個方面的結論：

1）傳統的路基施工厚度無損檢測方法是對每個施工環節的路基分層壓實度進行檢測，會對路基的正常施工產生一定程度的干擾，且對施工影響大，整體效率低。

2）當聲測管發射的聲波入射角等于第一臨界角，聲波會沿著鉆孔不斷滑行，并折射回鉆孔中由換能器接收，由此計算得出路基的厚度。

3）地質雷達法的關鍵環節在進行天線頻率的選擇時要考慮路基的大概厚度、路基土與地基土交界面的介電常數2 大因素。

4）由于受到研發水平的限制，目前將無損檢測技術廣泛用于公路路基施工厚度過程中仍有一定的困難，但將無損檢測技術應用于路基施工厚度中必將成為一種趨勢。