基于地質雷達的機場路基壓實質量無損檢測方法研究*

程利力，周 誠，張 勇，盧 吉，，武春峰

(1.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430023)

0 引言

在機場路基施工過程中，施工場地范圍大、施工填料自身存在差異性及施工過程中人為不可控性，往往會導致壓實質量存在一定的不均勻性，然而常規壓實度檢測耗時長且采用有限點式抽樣，無法對施工場地進行較全面質量評價，可能會導致部分薄弱區域未能檢測出來而產生施工質量問題，甚至會造成巨大經濟損失或安全事故。因此，如何實現又快又好的壓實質量評價對于施工過程控制十分重要。

目前，國內外學者基于地質雷達物探方法對路基填料壓實質量評價開展相關研究。其中, 凌天清等[1]基于地質雷達測定瀝青混合料壓實度，并分析總結不同因素對地質雷達檢測效果的影響。白哲等[2]采用探地雷達測試不同路基材料介電常數，為路基壓實質量評價提供一定依據。于曉賀等[3]分析不同壓實度瀝青填料相對介電常數，并建立相對介電常數與壓實度相關關系。呂高等[4]利用地質雷達分析在含水率與壓實度共同作用下非飽和黃土相對介電常數特征變化情況。盧超等[5]采用探地雷達測試瀝青混合料相對介電常數，進而反演瀝青混合料壓實度。郭士禮等[6]通過構建并優化離散隨機介質模型，建立其孔隙率與探地雷達波場特征間的相關關系。張開偉等[7]基于大量地質雷達路基檢測資料，總結了不同鐵路路基填料密實性判定特點。Artagan 等[8]通過廣泛的試驗檢測及現場跟蹤調查，研究了地質雷達在診斷鐵路路基壓載層結垢及層內積水的應用。現有研究多集中于分析不同材料壓實度與地質雷達相對介電常數的相關關系，還未結合實際施工工藝對不同碾壓遍數以及壓實質量不均勻性進行相關研究。

1 檢測方法及原理

1.1 級配碎石的壓實特性

1.1.1級配碎石組成分析

級配碎石是由不同粒徑碎石集料按一定比例所組成的混合料，與素土類似，也是由固、液、氣三相構成(見圖1)，但級配碎石組成的顆粒較粗，水分主要附著在碎石骨料表面，透氣性好，在壓縮過程中排水固結速度較快，達到壓縮穩定的時間較短，便于壓實；同時在壓實后力學性質與素土相比更穩定，承載能力更高。

圖1 級配碎石組成成分

1.1.2級配碎石壓實機理

壓路機在進行級配碎石碾壓過程中，振動器通過高速旋轉使鋼輪振動，產生豎直向下的力傳遞至級配碎石，降低被壓材料顆粒間的內摩擦角，在外力作用下，級配碎石會產生移動并重新排列，小顆粒碎石料會被擠入大粒徑碎石孔隙之間，同時在較高荷載作用下，部分碎石料會被碾壓成細小顆粒填入骨料孔隙中，減少碎石骨料之間空氣介質，并且在擊實過程中，級配碎石中所含水分也會被擠壓出來，進而完成級配碎石壓實工作[9]。級配碎石碾壓流程如圖2所示。

圖2 級配碎石碾壓流程

1.2 壓實度檢測

1.2.1測試原理

在實際工程中，材料壓實后的實際干密度與最大干密度之比即為材料壓實度。常規壓實度檢測方法有環刀法、灌砂法、核子密度儀等，其中級配碎石壓實度常采用灌砂法進行檢測，檢測基本原理為利用灌入標準砂體積來表征挖孔級配碎石材料體積，進而求得材料實際干密度與壓實度。

1.2.2壓實度確定

灌砂法通過鑿取約15cm深灌砂洞，將碎石材料全部挖出并灌入標準砂進而測得壓實度。

1)灌砂洞體積：

(1)

式中：m1為灌砂前筒內砂質量(g)；m2為灌砂后筒內剩余砂質量(g)；m3為灌砂筒下部錐內砂質量(g)；ρs為標準砂密度(g/cm3)。

2)濕密度：

(2)

式中：mw為挖出的濕碎石料質量(g)。

3)干密度：

(3)

式中：w為碎石材料含水率(%)。

4)壓實度：

(4)

式中：ρ3為最大干密度(g/cm3)。

1.3 地質雷達檢測

1.3.1測試原理

地質雷達天線由發射天線和接收天線組成，發射天線發射高頻電磁波，電磁波在遇到不同介質界面時會進行反射，然后被接收天線接收[10]。電磁波在不同介質中的傳播過程如圖3所示。

圖3 電磁波在不同介質中的傳播過程

1.3.2相對介電常數確定

通過電磁波在不同材料雙程走時Δt求得波速v，進而反算該材料下的相對介電常數。

1)電磁波速度v為：

(5)

式中：h為材料厚度；Δt為地質雷達雙程走時。

2)材料相對介電常數ε為：

(6)

式中：c為真空中的電磁波速，c=3×108m/s。

2 現場試驗設計

2.1 現場試驗概況

2.1.1工程概況

本試驗基于某機場飛行區擴建項目，其施工場地范圍廣，主要包括跑道、滑行道、聯絡道及相應配套工程，其中跑道長2 400m、寬45m，平行對應的滑行道寬25m，土方施工工作量大、任務重、工期緊。

2.1.2級配碎石層填料

級配碎石選用不同類型碎石集料按一定比例混合而成，碎石顆粒范圍及技術指標符合設計及規范要求。機場路基級配碎石填料通過率曲線如圖4所示。

圖4 機場路基級配碎石填料通過率曲線

2.2 試驗方案

2.2.1試驗段施工工藝

級配碎石墊層厚80cm，分3層攤鋪整平壓實，第1，2層為人工配合機械進行填筑壓實，厚度分別為40，20cm，第3層為使用人工配合攤鋪機進行攤鋪壓實的20cm厚墊層。選取第3層級配碎石墊會作為試驗區域，壓路機碾壓工藝流程為：先采用振動壓路機靜壓1遍，然后采用振動壓路機碾壓4遍，最后采用鋼輪壓路機靜碾2遍以上，至無輪跡為止。

2.2.2試驗段實施方案

本試驗段尺寸為100m×16m，沿寬度方向每隔4m劃分為1道，在4，8，12m 3道進行檢測，由于連接線纜僅30m長，故每隔30m為一測段，具體壓實度和地質雷達檢測位置如圖5所示。

圖5 試驗段檢測位置(單位：m)

2.3 現場試驗操作步驟

2.3.1壓實度試驗

灌砂法壓實度檢測利用標準灌砂筒挖取約15cm深孔洞并灌滿標準砂，利用標準砂體積來表征級配碎石材料體積，進而求得實際干密度，最后求得材料壓實度，具體操作步驟詳見JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》[11]相關規定。

2.3.2地質雷達試驗

采用GSSI公司生產的SIR-20系列地質雷達，試驗選擇1 600M天線頻率。操作步驟為：接線→利用蓄電池給電腦主機供電，主機通過線纜連接雷達天線→打開軟件，創建文件夾并進行系統相關參數設置→數據收集，點擊“run”開始測試，按現場實施方案進行數據采集。

3 現場試驗結果及分析

3.1 壓實度試驗結果分開

試驗段振動壓路機碾壓4遍，靜碾壓路機碾壓2遍，每碾壓1遍進行相關試驗，其中在試驗段1 600m2范圍內選取6個點進行灌砂法檢測，檢測結果如表1所示。

表1 不同壓實遍數下壓實度檢測結果 %

3.2 地質雷達試驗結果分析

在試驗段范圍內沿寬度方向4，8，12m 3道進行地質雷達檢測。按現場施工經驗，松鋪厚度為26cm，碾壓第1遍厚度為22cm，碾壓第2遍厚度為20.8cm，碾壓第3遍厚度為20.4cm，碾壓第4遍厚度為20.2cm，終壓后厚度為20cm。

在試驗過程中，每碾壓1遍進行地質雷達檢測試驗，檢測結果如表2所示。

表2 不同壓實遍數下相對介電常數檢測結果

3.3 相關性分析

為進一步研究壓實度K與相對介電常數ε之間關系，將所測得的30組數據進行相關性分析(見圖6)，擬合結果如式(7)所示。

圖6 壓實度-相對介電常數相關關系

K= 0.896+0.012ε，R2=0.644

(7)

由圖6可知，該試驗段地質雷達檢測材料相對介電常數與壓實度存在較強的相關關系，可利用地質雷達探測到的材料相對介電常數對其壓實度表征，從而可實現壓實質量快速無損檢測。其中項目要求第3層級配碎石墊層終壓后壓實度需達97%，利用相關函數可反算得相對介電常數為6.16。

3.4 不同碾壓遍數對相對介電常數的影響

試驗段相對介電常數分布如圖7所示，整體來看，隨著碾壓遍數增加，各檢測點位置的相對介電常數隨之增大。這是由于隨著級配碎石不斷被壓實后，空氣不斷減少，碎石集料不斷被擠密，從而使碎石集料占比變大，因此，級配碎石相對介電常數也隨之變大。

圖7 不同碾壓遍數下的相對介電常數

3.5 路基壓實不均勻性分析

針對終壓完成后的試驗段，對沿寬度方向4，8，12m 3道100m長地質雷達曲線進行分析，每隔10m進行1次標定，其相對介電常數分布如圖8所示。

圖8 終壓后相對介電常數分布

由圖8可知，按項目方案給定的碾壓遍數壓實后，其相對介電常數基本達6.16，即設計壓實度97%，滿足設計要求，但仍存在部分壓實過度或壓實不足區域，具有一定的不均勻性。

4 結語

1)試驗表明，該試驗段的地質雷達相對介電常數與壓實度存在相關關系，可利用地質雷達對壓實質量進行快速無損檢測。

2)隨著碾壓遍數的增加，級配碎石相對介電常數隨之增大。

3)該試驗段碾壓完成后壓實質量基本滿足設計規范要求，但仍存在部分壓實過度或壓實不足區域，具有一定的不均勻性。