公路改造項目地質雷達法路基淺層病災檢測分析

王君剛

摘要 隨我國基建大規模擴張，道路運營過程中的路基病災會惡化交通狀況。地質雷達法作為無損檢測方式，精度高、效率快，在路基淺層病災檢測中具有優勢。文章結合地質雷達在實際檢測項目的應用，對該路段的淺層病災進行雷達圖像分析，結果證明地質雷達對路基淺層病災的檢測準確有效，在實際的工程應用中有效可行。

關鍵詞 地質雷達；路基病害；道路檢測；道路工程

中圖分類號 U418.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0124-03

0 引言

為保證道路建設質量和道路的通行能力，需要對道路工程病災進行有效及時的預防和治理。治理與修復路基淺層病災需要準確檢測出目標處的空間位置。相較于傳統的檢測方法，地質雷達連續無損，對路面的施工和運營影響較小，精度高、效率快、結果直觀，但檢測結果也容易受到來自空中及地下干擾源的影響[1-5]。為驗證地質雷達法在淺層病災檢測中的特點，該文通過改造公路可疑路段的地質雷達實際工程應用進行探討總結，對該路段的淺層病災進行雷達圖像分析，提供地質雷達法的工程應用參考依據，并為該路段修復項目的推進提供依據，同時驗證了地質雷達對道路淺層病災檢測的準確性和有效性，為相關項目提供借鑒。

1 試驗路況

柳州市融安縣泗頂鎮附近普通國省干線公路修復段為三級公路，與G209線相接，需改造修復路線全長4.850 km，路基寬度7.5 m，為瀝青混凝土路面。該路段自通車以來，隨著地區經濟的迅速發展，交通量快速增長，受雨水、洪澇等自然災害的侵蝕，原面層表面出現嚴重路面龜裂、車轍、坑槽、橫向裂縫、縱向裂縫、塊裂、沉陷等病災。選取該路段出現沉降、下陷等可疑路段進行地質雷達檢測試驗，以掌握沉降、下陷段路基淺層質量狀況，為后續改造提供參考依據。

2 地質雷達檢測原理

地質雷達是基于高頻率電磁波特性的地質檢測方法，雷達的發射部分將寬頻帶短脈沖的電磁波發送至地下，遇到了地下的不連續體界面或目標體后，電磁波被反射并被雷達的接收部分接收，接收的反射電磁波通過一系列信號處理和分析后可以獲取電磁波經歷介質的相關信息。雷達成像原理如圖1所示。

從反射波的連續性特點看，電磁波在正常衰減過程中因遇到較強的反射界面時，波幅會驟然增加，同相軸明顯，之后恢復正常變化規律。反之，若目標體中存在有許多雜亂無章的界面，雷達接收到這些界面的反射回波信號時波幅小、波形雜亂無章，同相軸將很不連續。

如果介質的介電常數ε是已知的話，根據以下式（1）：

式中，C——電磁波在真空中的傳播速度（km/s）；V——電磁波在介質中的傳播速度（km/s）。根據記錄的從發射經巖體界面反射回到接收天線的雙程走時，可以精確求得目標體的位置和深度。通過步進式或連續的探測可以得到一組雷達反射波，經過數據處理，可以得到探測路基的雷達剖面圖，進行分析及評價，進而探測缺陷位置和分布。

3 現場檢測影響因素

地質雷達對路基淺層檢測是否準確，關系到能否有效修復路基淺層病災，地質雷達的準確性受設備、環境、人為等諸多因素影響，清晰認知這些相關因素，并做好相應的措施是提升檢測精確度的關鍵。

地質雷達的采集參數是影響檢測結果準確性的關鍵因素，其主要包含天線中心頻率、時窗、數據采樣頻率等。天線中心頻率需要兼顧實際場地、檢測目標尺寸和天線尺寸等因素進行選擇，在其他因素不變的情況下能有效檢測。通常地質雷達探測深度隨天線中心頻率的提高而降低，圖像分辨率則隨天線中心頻率的提高而增加，如果探測深度小于目標深度，需要適當降低天線中心頻率以獲得適當的探測深度；時窗參數與探測深度和探測介質介電常數相關，時窗應留出余量以獲得地層介質變化導致的更深的地下有效信息；數據采樣頻率是記錄采樣點時間的間隔，其頻率至少要高于反射波最高頻率兩倍，避免數據失真。

檢測人員需要對檢測環境具有正確的認知以獲得準確的檢測數據，在檢測前，根據檢測內容和地下介質選取相應的采集參數。在檢測時注意環境變化，如出現管道、埋線、人行天橋、路燈、電桿等道路檢測時常見的外部干擾，或是檢測路面的變化或凹凸不平引起的偏移等，均會影響最終的數據結果，排除相關干擾是獲得準確檢測結果的重要步驟。

此外，測量人員的操作誤差、設備的磨損、線纜可能的不當連接也會引起檢測結果的誤差，在檢測前應做好相關準備以避免這些誤差導致的影響。

該次檢測試驗的地質雷達為拖地式，發射天線與接收天線合并，為有效探測足夠深度的路基淺層病災，雷達中心頻率選用100 MHz+200 MHz的雙頻率雷達，兩者分別采樣時為640 ns/140 ns，采樣點數取1 024點/道，掃描速度取32道/s，采樣間隔取3 cm。

4 典型檢測圖譜分析

根據不同淺層病災體引起的介質變化，分析其對電磁波傳導與反射的規律，結合實際工程情況，可以識別地質雷達圖像所反映的淺層病災。結合地質資料、道路情況、市政信息等實際情況，通過地質雷達圖像反映的信息辨認實際病災情況是地質雷達檢測的重要環節。受篇幅限制，對該路段部分明顯典型病災處進行解釋分析。

該路段K1467+151～155.5處出現典型的土體疏松，如圖2所示，為該段的雷達剖面圖。如圖所見，路面底部位置發生明顯介質變化，出現同入射波相同極性的反射波振幅增強。隨深度增加，圖像呈現為明顯雜亂的強反射波，頻率明顯高于背景場，圖像的層狀同向信號發生明顯的交錯，這是由于松散體內部存在較大密實度較低，介質內部不均勻，電磁波空隙中反射，在圖像中呈現錯亂的強反射波，隨著深度的增加，信號衰弱，并在病災體的底部處，反射波極性與入射波相反。

該路段K1469+032～038處為附近采石場加寬鋪設的混凝土路面，該處存在典型的路面脫空，如圖3所示，為該段的雷達剖面圖。如圖所見，由于路面底部脫空，介質發生變化，且路面脫空底面稍呈凹凸不平狀，在雷達圖像上呈現具有一定程度彎曲起伏的強振幅層狀信號，隨著深度增加，在脫空空洞內部填充物為通常的空氣情況下，與疏松體類似，脫空空洞引發的介質變化更為劇烈，反射波在空洞底部極性與入射波相反，且由于空洞的界面邊緣處引發反射波多次疊加，使空洞內部信號振幅與頻率高于背景波，其多次波明顯，且在空洞的界面誘發繞射現象。

該路段K1466+705～709為下坡坡底，存在典型的富水體，該部位土體含水率較高，如圖4所示，為該段的雷達剖面圖。如圖所見，富水體位置頂部由于介質變化，振幅明顯增強，由于水的相對介電系數較土體高，其頂面反射波與入射波極性相反，較背景波相比頻率更低。富水體的電磁波反射能力較強，隨深度增加，電磁波信號相較背景波急劇衰弱，攜帶的有效信息減少，在信號補償后的雷達圖像上呈現為極規律、無實際意義的強振幅的層狀波形。

該路段K1468+373～377處路面以下存在典型孤石，如圖5所示，為該段的雷達剖面圖。如圖所見，該段路面埋深約2.2 m處出現明顯的電磁波振幅增強，同向層狀反射波連續，變化平緩，這是由于介質出現了明顯變化，孤石界面所在位置電磁波劇烈反射，下方反射波強度明顯變弱。孤石本身并非典型的地質災害，但可能會與地下水共同影響路基質量，其在雷達圖譜的特征較不突出，需要結合其他檢測手段進行確定。

該路段K1468+491～523處存在典型的路基沉降變形，如圖6所示，為該段的雷達剖面圖。如圖所見，該段路面在較長的測線跨度存在明顯的連續同向層狀信號，整體有向下彎曲起伏的趨勢，該處的介質界面存在下沉的變形差。路基的沉降變形常伴隨深度在雷達檢測范圍以外的誘因，必須結合實際的工程情況與其他的檢測手段進行具體分析。

5 結語

綜上所述，基于地質雷達在實際工程項目的應用分析，分析了各典型路基淺層病災的雷達圖像特征和圖像生成原理。地質雷達法在檢測準確性和檢測速率上具有優勢，識別病災位置與規模，為后續改造及修復施工提供依據與指導。同時通過地質雷達對病災進行解讀，需要緊密聯系工程實際，結合專業經驗對病災進行更淺層次的分析。

參考文獻

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