地質雷達在加筋土路基病害檢測中的應用

宗志剛

（北京奧科瑞檢測技術開發有限公司，北京 102488）

引言

加筋土歸屬于復合體系的范疇,由填土、帶狀拉緊以及支擋結構三個部分構成，該體系內部的力之間為平衡狀態，結構內部穩定性較高，可以抵抗填土產生的側向壓力，從而使其在路基工程中得到廣泛應用[1]。在運營中，隨著期限的增加，加筋土路基在自然環境、材質老化、車輛載荷等因素的綜合作用和影響下，會產生沉降、變形及結構損壞等問題[2]。因此，采取有效的檢測方法，對加筋土內部病害進行檢測是十分必要的。

路基病害檢測常用的方法有高密度電法、地質雷達法、地震映像法等[3]。相對其它物探方法，地質雷達法具有快速、高效、實時顯示等特點，是常用的檢測方法。石桂梅[4]等利用地質雷達對加筋土路基進行檢測，發現路基土層內部的嚴重不均勻沉降區和筋帶出現嚴重彎曲變形的情況。本研究分析了加筋土路基的破環形式，討論了實施地質雷達檢測的可行性，并通過工程實例驗證，為公路加筋土路基病害的檢測和評定工作提供一些借鑒和經驗。

1 加筋土路基破壞形式及檢測方法

1.1 加筋土路基破壞的原因和形式

加筋土路基破壞的原因和形式有以下幾種[2，5]：

（1）拉筋的破壞、拉筋與土體間摩擦力不足，造成路基破壞。

（2）交通載荷超過了原設計路基承載能力。

（3）外部不穩定造成支擋結構破壞，包括：地基承載力低、沿基底抗滑穩定性不足。

（4）施工質量不高，尤其是初期填方不實。拉筋松弛、拉筋材料選材不當也是造成加筋土路基破壞的重要原因。

1.2 地質雷達檢測的物理條件

地質雷達(簡稱GPR)方法是一種用于淺層地質結構、工程結構檢測的地球物理勘探技術。它通過發射高頻寬帶（1MHz-1GHz）電磁脈沖，以自激自收的形式，連續檢測地下介質的分布規律（見圖1）。地質雷達法具有設備輕便、操作簡單、效率高、精度高等特點，能夠以實時成像方式顯示結果，分析、判讀缺陷直觀方便，而被引用于工程勘測和檢測鄰域中[6]。它是近年來在環境、工程檢測中發展最快、應用極廣的一種地球物理方法。

圖1 地質雷達工作原理示意

地質雷達檢測的物理前提是目標體與周圍介質存在明顯的物性差異（介電性）。電磁波的傳播取決于介質的電性，介質的電性主要有電導率σ 和介電常數。前者主要影響電磁波的穿透(檢測)深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的介質分界面上，都會產生回波，反射強度取決于反射系數[7]。

（1）電磁波在介質中的傳播速度

式中：C 為電磁波在真空中的傳播速度（0.3 m/ns）；εr為介質的相對介電常數；μr為介質的相對磁導率（一般μr≈1）。

（2）反射系數

電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的介質界面時，電磁波將產生反射及透射現象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關：

式中：r 為界面電磁波反射系數；ε1為第一層介質的相對介電常數；ε2為第二層介質的相對介電常數。本研究中涉及到的介質的介電常數見表1。

表1 介質的電性特征

根據加筋土擋墻的破壞形式：

（1）當拉筋松弛或破壞后，擋土墻體失去穩定性，引起填土層水平位移變大，在填土層內部形成裂縫或豎直沉降量過大，形成松散區。

（2）施工初期填方不實，在后期的載荷和重力作用下，填土不實區域產生沉降，引起土層的變形、沉降，形成松散區。

以上兩種情形，如果填土層沉降速度較快和范圍較大，可能會在路基層下方形成空洞和松散區，采用地質雷達方法具備較好的地球物理前提[10-11]。根據表1，路基土層內形成的空洞與周圍土層有明顯的電性差異。介電常數差異越大，反射系數越強，因此空洞在雷達圖像中表現為反射波同相軸彎曲、變形，反射波的能量明顯增強。松散區相對周圍土層，具有密實度差、孔隙率高、含水狀態不同等特點，因此與周邊正常地層相比，介電常數存在一定的差異。同時，由于松散體內部裂縫、孔隙排列無規律，電磁波在其內部傳播和反射形態復雜，因此松散區域在雷達圖像上表現為雜亂的強反射波[8]。土體松散程度越高，反射波的能量越大。

2 工程實例

某高速公路線路穿行于太行山脈與燕山山脈鄰接處，處于高嶺重丘區，地形地貌復雜，多處建造有加筋土路基。結構為包裹式土工格柵加筋土擋墻，通過加筋提高土體的強度和整體性，發揮支擋作用。同時在墻面種植灌木、草本等植物，形成綠化的立體生態支擋系統[9]。

實驗檢測工作在上行線路K77+550-K77+650 段和K83+800-K83+920 段加筋土路基進行，路基寬度約12 m，高度2～11 m。檢測工作采用瑞典產MALA ProEx 地質雷達進行，為了發揮地質雷達高頻天線檢測分辨率高，而低頻天線檢測深度大的特點，檢測選用250 MHz 天線和100 MHz 天線配合進行，以取得最佳的測深度及分辨率。采集參數見表2。

表2 雷達采集參數表

對數據進行處理，根據數據剖面對加筋土路基內病害進行分析。圖2 為K77+550-K77+650 段數據剖面，圖3 為K83+800-K83+920 段數據剖面。

圖2 K77+550-K77+650 雷達數據剖面圖

圖3 K83+800-K83+920 雷達數據剖面圖

在圖2 中，K77+550-K77+560 為高架橋架空區，K77+560-K77+650 段為加筋土路基段。深度約1.0 m范圍為道路結構層底界面的反射波同相軸，K77+580-K77+650 段同相軸較連續，無明顯的彎曲變形和錯位現象， 說明路基土層結構完好。K77+560-K77+580 段，雷達波同相軸向下彎曲變形，同時反射波振幅明顯增大，這是路基土層下沉與路面結構層之間產生分離，土層密實度差、孔隙率高形成的典型特征，判斷由于填土不實，在載荷和重力作用下，引起土層不均勻沉降，形成嚴重的松散區。

在圖3 中，K83+800-K83+850 段雷達反射波能量較均勻、同相軸較連續，表明路基土層狀況良好。K83+850-K83+890 段雷達反射波能量變強，同相軸不連續，波形雜亂、不規則，這是土層松散區的典型特征，結合現場調查情況，病害區擋墻局部存在較大的弧形外鼓和整體外傾的病害，判斷由于土層內筋帶出現較嚴重的松弛和變形，擋土墻體穩定性破壞后，造成填土層水平位移變大，在土層內部形成松散區。

3 結論

通過本研究加筋土路基的地質雷達檢測工作，可獲得以下結論：

地質雷達法具有設備輕便、操作簡單、工作效率高、成果直觀等優點。檢測工作不影響道路的正常通行，對路基無破壞作用，是路基病害檢測的首選技術方法。

應用地質雷達對加筋土路基病害進行檢測有較好的效果，拉筋松弛、彎曲后，引起的路基土層沉陷，或者擋土墻體穩定性破壞后，引起土層水平位移變大，在填土層內部形的松散區，在雷達數據剖面中均有明顯的表現特征。

根據雷達反射波形態、幅值等特征分析判斷路基病害的成因，土層內拉筋的狀態，能夠為道路設施的維護、管理提供數據支持，對保障道路的安全運行有著重要的意義。