高速公路路基沉降病害處治及無損檢測技術應用研究

摘要 文章以某實際高速公路工程為例，展開高速公路路基沉降病害處治及無損檢測技術應用研究。首先，對路基沉降變形的機理進行了細致分析，然后針對路基病害，提出了DCG技術和SDJ技術兩種路基沉降病害處治方法，介紹了其各自的工作原理、技術優勢和施工方法。最后，依托實體工程進行應用，采用三維探地雷達無損檢測技術分別對DCG、SDJ加固后的路基進行了檢測，并對比分析了注漿效果，結果顯示DCG和SDJ技術注漿效果實際差距不大，結合經濟性、施工便利性，DCG技術更加適用于路基沉降病害處治量大的地區。基于Burgers模型對經DCG技術加固處理后的路基未來長期變形進行了預測，預測結果顯示該路基未來10年期內沉降量為32.18 mm。

關鍵詞 高速工程；路基沉降；DCG技術；探地雷達；無損檢測

中圖分類號 U418 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0121-03

0 引言

高速公路作為連接城市與鄉村、促進經濟發展的重要基礎設施，其安全性和穩定性對于保障交通流暢、提高運輸效率具有舉足輕重的地位。然而，在長期運營過程中，高速公路路基由于地質條件、施工質量、交通荷載等多種因素的影響，往往會出現沉降病害，不僅影響道路的平整度和行車舒適性，更對行車安全造成嚴重。因此，對高速公路路基沉降病害的及時識別與有效處治顯得尤為重要。近年來，無損檢測技術在高速公路路基沉降檢測中得到了廣泛應用，其中三維探地雷達技術以其高分辨率、高效率、非接觸性等優點，逐漸成為路基沉降檢測的重要手段。三維探地雷達技術通過發射高頻電磁波并接收反射信號，能夠實現對路基內部結構的無損探測，從而準確識別路基沉降病害的位置、范圍和程度。

1 路基沉降變形機理分析

路基沉降變形是當前高速公路路基病害中一種常見的問題，不僅影響道路的平整度和安全性，還會導致結構的長期損壞。路基沉降變形的根本原因在于土體的力學響應，土壤作為一種多孔介質，其內部存在著復雜的應力－應變關系。當外部載荷，如車輛荷載、自重等作用于路基時，土體內部的應力狀態會發生變化，導致土顆粒之間的相對位移，進而產生形變，這種形變在宏觀上表現為路基的沉降。其次，土體的性質，如黏聚力、內摩擦角等，決定了路基整體抵抗外力的能力，當土體性質較差，如含水率過高、壓實度不足時，其抵抗外力的能力會顯著降低，路基更容易發生沉降變形。在路基填筑過程中，若路基填筑材料選擇不當、填筑工藝不合理或壓實度不足，將會加劇路基的沉降變形，特別是當填筑材料中存在大量的空隙和軟弱夾層時，在多雨、軟土和黃土地區，路基沉降情況更加嚴重。

2 路基沉降病害處治方法

2.1 DCG技術

DCG（鄧氏化學注漿）技術[1]充分利用漿液的特性和土體的力學反應，通過將合理配制好的兩種漿液，利用加壓注漿系統強力灌入土體的裂隙之中，隨著注漿壓力的持續上升，原本相對穩定的土體會因外部壓力而產生“液壓開裂”現象，如同在土體結構中開啟了新的通道。此時，兩種具有特定性能的漿液沿著裂面順勢進入，二者之間發生化學反應并迅速初凝，使得兩種漿液得以混合形成具有高強度和穩定性的固結體，從而有效地“堵塞”注漿通道，阻止漿液的過度擴散。同時由于壓力的持續作用，又會在其他位置形成新的劈裂面，如此循環，實現對土體的有效加固和穩定。

DCG技術所采用的化學漿液具有獨特的性質，能夠在與土體相互作用時強有力地將土體中原本所含的水分擠出，土體內的顆粒排列得以更加緊密，使得土體的密實度獲得進一步的提升，為路基的穩固性奠定了重要的基礎，能夠有效抵御外部壓力和變形。同時，在面對硫酸鹽漬土的特殊情況時，DCG技術的化學注漿表現出卓越的適應性，通過在化學漿液中加入氯化鈣和氯化鋇等物質，能夠針對性地改善硫酸鹽漬土的鹽漬化和鹽漲效應，有效抑制鹽分的活動和不良影響，降低鹽漬化程度，緩解鹽漲帶來的危害，化學反應如公式（1）、公式（2）所示：

（1）

（2）

在進行化學注漿后，注入土體的化學漿液中的離子會在土體內受到多種力的作用而開始移動和擴散。由于化學勢差的存在，離子會從高濃度區域向低濃度區域自然擴散，以求達到一種平衡狀態，在自然擴散過程中，離子會逐漸滲透到土體的孔隙和裂隙之中，填充其中的空間。同時，土體自身的微觀結構和特性也會對離子擴散產生影響，土顆粒表面帶有電荷，會與化學灌漿離子產生靜電作用，吸引或排斥離子，從而引導離子在特定方向上的擴散，該靜電相互作用使得離子能夠更好地與土顆粒結合或在其周圍分布。

2.2 SDJ技術

SDJ（地聚合物注漿）技術[2]以偏高嶺土和堿激發劑作為主要原料，當其相互作用時，會產生一系列化學反應。首先，在溶解階段，偏高嶺土在堿激發劑的作用下開始溶解，打破原有的結構。接著，進入單體重構階段，溶解后的物質開始重新組合形成新的單體結構。然后，在聚縮反應中，溶解后形成的單體進一步聚合和縮合，最終生成一種具有特殊性能的新膠凝材料。該新膠凝材料具有良好的黏結性、強度和穩定性，為加固路基提供了堅實的基礎。

SDJ加固技術作為一種先進的“非開挖”填充加固技術，有著嚴謹而有序的工藝流程。首先利用專用的鉆孔設備，在需要加固的路基部位精準地鉆出合適的孔洞，接著通過壓漿設備將調配好的地聚合物漿液注入路基的孔隙和孔洞之中。當漿液進入土體后，會發揮出滲透作用，逐漸深入到各個微小的縫隙和孔洞。同時，漿液也會對周圍的物質產生擠壓作用，迫使孔隙及孔洞中的水和空氣向外排出，從而為漿液的填充創造有利條件。隨著漿液的不斷滲透、擠壓和填充，逐漸填滿路基中的孔隙和孔洞，形成一個緊密結合的加固結構體。

注漿壓力與注漿孔距是SDJ施工中的兩個關鍵參數。就注漿壓力而言，其大小狀況會對漿液分散填充所能達到的效果產生顯著影響，如果注漿壓力過大，則會對道路結構整體造成破壞；若是注漿壓力過小，又難以讓漿液有效地分散并滲透到路基之中，無法實現良好的填充效果，降低路基沉降處理效果，漿液擴散半徑通常根據經驗公式進行合理確定，以保障施工的質量和效果。

3 探地雷達無損檢測技術

3.1 檢測原理

探地雷達無損檢測技術通過發射天線向地下發送高頻電磁波，當這些電磁波在地下介質中傳播時，若遇到介電常數不同的介質界面或異常體，如空洞、裂縫或不同材質的巖石層，電磁波便會產生反射，反射回來的電磁波被接收天線接收后，經過信號處理，可以轉換為地下介質結構的信息圖像。在數據處理階段，雷達信號首先會經過濾波和增益恢復等步驟，以去除噪聲、提高信號質量。隨后信號會被轉換為能夠直觀反映出目的體與周邊介質之間電性差異的雷達探測圖像，這些差異表現為圖像上的不同亮度和紋理特征。通過對雷達探測圖像的同相軸進行追蹤，可以測定目的體反射波的旅行時T。結合已知的電磁波在地下介質中的傳播速度V，就可以利用簡單的物理公式計算出目的層的

深度h。

3.2 探地雷達剖面高分辨率處理技術

（1）數字濾波技術

數字濾波技術的基本思想是將探地雷達接收到的原始信號視為一個復雜的信號系統，通過設計特定的濾波器，對信號進行篩選和處理。在處理過程中，濾波器相當于一個系統T，接收輸入信號x（t），并輸出經過處理后的信號y（t），y（t）即為經過數字濾波技術處理后的信號，其頻譜特性得到優化，目標信號得到突出。

（2）橫向濾波技術

在探地雷達應用中，儀器運行時可能會產生一些固定干擾源，會對目標探測的有效信號形成強烈的壓制作用，為消除這些固定干擾波，橫向濾波器應運而生。橫向濾波器通過分析輸入信號中各個時間點的頻率和能量分布，識別出固定干擾波的特征，并據此設計相應的濾波算法。在濾波過程中，橫向濾波器會對信號進行逐點或逐段地處理，根據預先設定的濾波器參數（如截止頻率、帶寬等），對信號中的頻率成分進行篩選和抑制。

（3）小波變換

小波變換的核心思想在于將信號分解為一系列小波函數的疊加，這些小波函數具有不同的頻率和時間尺度，能夠匹配信號中的不同特征。通過伸縮和平移等運算，小波變換可以對信號進行多尺度細化分析，實現在不同頻率和時間分辨率下對信號特征的精確提取。

（4）預測反褶積

預測反褶積的核心原理是基于信號的可預測性，在雷達數據處理中，信號主要由多個不同頻率和振幅的波組成。預測反褶積技術假設，如果某個信號是可以預測的，那么其后續的值可以通過其過去的值和當前的值來估算，“可預測量”是指那些遵循一定模式或規律的信號成分，其后續狀態可以根據歷史數據來預測。

預測反褶積方法首先通過設計一個預測濾波器來識別并提取可預測量的信號成分，利用已知的過去以及現在的信號值來預測后續的信號值，并據此構建一個預測信號。然后，原始信號與預測信號進行相減，從而消除或削弱那些可預測的信號成分，進而得到一個更加“純凈”的、分辨率更高的信號，有效地提高了地震資料或雷達數據的信噪比和分辨率。

4 實體工程應用

4.1 工程概況

某高速公路工程全長10.32 km，該工程為填方路基，路面自建成通車后，運營至今已達10余年，路基已出現不同程度的沉降病害，亟須對其進行處治維修。該項目分別選取兩處路基沉降路段作為試驗段，對其分別進行DCG、SDJ技術加固處理，然后采用探地雷達技術進行注漿效果檢測，三維探地雷達的主要技術參數設置如表1所示。

4.2 處治效果分析

通常，大多數路基沉降現象由路基脫空引起，因此為了對比SDJ、DCG技術對路基沉降的處治效果，該項目對兩處試驗段進行注漿前后路基內部脫空情況的檢測，檢測結果如表2所示。

從表2結果可看出，相較而言SDJ具有更好的注漿效果，能夠更好地填充路基脫空部位，從而實現對路基的加固維修處理，但二者注漿效果實際差距不大。從經濟性的角度考慮，DCG技術的材料及施工成本更低，經測算僅為SDJ的65%左右，同時DCG技術所用注漿材料配比更為簡單，施工要求低，因此綜合來看，建議采用DCG技術進行路基沉降病害的處治維修。

此外，還對該兩處試驗段進行了長達一年的跟蹤觀測，在此期間內未發生明顯路基降病害，施工效果良好。

4.3 路基未來長期變形預測分析

采用Burgers模型對經DCG技術加固后路基的后續長期變形進行預測，以評估其使用壽命情況[3]。Burgers模型的蠕變公式如公式（3）所示：

（3）

式中：——蠕變速率；σ——應力（MPa）；E1——瞬時彈性模量（MPa）；E2——黏彈性模量（MPa）；η1、η2——黏滯系數（MPa·s）；t——時間（s）。

對采用DCG技術加固處理的試驗段路基進行鉆芯取樣，然后進行室內性能試驗，將相關試驗結果代入式（3）并利用最小二乘法進行擬合后得到Burgers長期蠕變模型參數如表3所示。

按照模型預測DCG加固路基未來10年的變形情況如圖1所示。

由圖1結果可知，根據Burgers模型預測DCG加固路基2年期的沉降量僅為11.38 mm，5年期沉降量為18.79 mm，10年期沉降量為32.18 mm，因此相關管養單位可根據道路使用情況每5～10年左右進行一次注漿加固補強處理。

5 結語

（1）對高速公路路基沉降變形機理進行了分析，發現路基土體自身性質、填料的選擇是引發路基沉降的主要原因。

（2）采用三維探地雷達無損檢測技術分別對DCG、SDJ加固后的路基進行了檢測，檢測結果顯示DCG和SDJ技術注漿效果實際差距不大，但DCG技術的材料及施工成本更低，同時施工要求更低。

（3）根據Burgers模型預測DCG加固路基10年期沉降量為32.18 mm，相關管養單位可根據道路使用情況每5～10年左右進行一次注漿加固補強處理。

參考文獻

[1]林森，楊釗，戴曉威.多雨山區高速公路路基沉降病害處置及無損檢測方法研究[J].甘肅水利水電技術， 2023（4）：11-16+48.

[2]徐海林.公路路基檢測中探地雷達的應用及病害處治措施研究[J].交通世界， 2023（Z1）：95-97.

[3]朱琦.交通荷載作用下公路路基沉降無損檢測研究[D].青島：中國海洋大學， 2012.

收稿日期：2024-05-27

作者簡介：汪祝慶（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向：工程檢測、路面新材料。