基于高密度电阻率测试的路基含水量评价方法

刘运来，汪 魁，周军平

(1.赣州高速公路有限责任公司，江西赣州343000;2.重庆交通大学 河海学院，重庆400074)

0 引言

路基作为高速公路的主体结构部分，其压实质量的好坏不仅影响着路基变形和稳定性，而且对路面的使用性能和使用寿命产生显著的影响。因此，随着高速公路的大力建设，对公路路基压实质量的检测和监测已经成为高速公路施工质量控制中的关键环节［1］。

一般含土质填料的路基，在压实过程中为了使填料的干密度接近其最大干密度，需要控制填料的含水量。因为水在土颗粒间起着润滑作用，减少了土颗粒间的摩阻力，从而在相同的击实功的条件下，均匀的加入一定量水的填料能够易于压实。但是，填料中水的含量又不能超过一定量，因为过大含水量的填料，使得压实过程中发生“弹簧”现象而压不实。因此，含水量是路基压实过程中控制的关键因素之一，也是传统的路基压实度测试的关键参数［2-4］。一般情况下，现场含水量测试采用的是酒精燃烧法，从而使测定的结果偏于某一点，不具有代表性。而波动测试技术因其具有测试距离大、操作简单、成本低廉、可在施工中进行实时监测等特点，在路基压实质量检测中得到了一定程度的应用。但是，目前对波在各种土体中传播的规律和机理认识不够，与静力试验进行对比分析时没有统一标准，推广应用难度较大［5-6］。

为了更加准确全面地对路基压实质量进行检测，需要引进一些新的检测方法。高密度电阻率法作为一种高效的工程地球物理新方法，具有检测速度快、采集密度大、信息量丰富、检测结果准确可靠等优点，已被广泛地应用于各类工程检测中。目前，高密度电阻率法在路基工程中主要应用于路基勘察、路基病害诊断等方面。如，张光保［7］用高密度电法对广西境内某铁路路基进行岩溶勘测，查明了该段路基的地层结构和岩溶发育情况，为以后的工程设计和工程施工提供了依据;傅庆凯，等［8］用高密度电阻率法采集了既有沪昆铁路某段+000～+450的温纳装置视电阻率数据，并通过电阻率反演数据结合地质情况对既有线地下不良地质病害进行了解释推断;赵明阶，等［9］通过制作路基内存在空洞、不均匀体以及不密实区3种不同病害的路基模型，采用高密度电阻率成像检测法对病害模型进行了诊断测试，发现预设病害区域的位置与电阻异常变化区具有良好的对应关系。

笔者通过高速公路填方路基的现场电阻率测试，将电阻率测试应用于路基含水量的评价中，探讨高密度电阻率法应用于路基压实质量检测中的可行性。

1 现场电阻率测试及数据分析方法

1.1 试验设备

试验采用中地装备集团重庆地质仪器厂生产的DUK-2B型高密度电法仪，该系统由DZD-6多功能直流电法仪和多路电极转换器DUK-2共同组成。其主要技术指标包括电压测量范围:±6 V;电流测量范围:1 μA～2 000 mA;电极总数:60路;最大供电电流:2 A;最大供电电压:500 V DC;输入阻抗:20 MΩ、100 MΩ(两档)。

1.2 测线布置

高密度电阻率法按照跑极方式的不同主要有3种排列模式，分别是α法(温纳法)、β法(偶极法)和γ法(微分法)。这3种方法对应的勘探装置如图1。图1中:A，B是供电电极，M、N是测量电极，AM=MN=NB为一个电极间距，不同方法对应不同接线方式。

图1 高密度电阻率法勘探装置示意Fig.1 Device to indicate high-density resistivity prospecting

1.3 现场数据采集

现场数据采集时，为了对浅层路基压实情况进行研究，电极间距采用20 cm，30路电极，最大隔离系数为8，测试最大深度为1.6 m，如图2。

图2 路基现场电阻率测试Fig.2 Electricity resistivity site test of embankment

1.4 高密度电阻率法及其成像原理

高密度电阻率法是以岩土体介质的导电性能的差异为物质基础，通过观测与研究稳定电流场的分布规律，从而研究地质体的空间分布规律的一种地球物理勘探方法。高密度电阻率法的基本工作原理和常规电阻率法相同，它是一种阵列勘探方法，是把很多电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的控制，实现电阻率法中各种不同装置、不同极距的自动组合，从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下多种视电阻率参数的方法。因此相对于传统电阻率方法，高密度电阻率法具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便等优点。

电阻率成像技术基于不同介质的导电性差异，利用接地电极在地下建立电场，通过观测探测区周围不同方向的电位或电位差，研究探测区内部介质的电阻率分布规律和特点。在电阻率成像问题中，要通过反演观测数据来确定地下电阻率的分布，由于地层岩性差异，由电阻率法测得的电阻率实际上是电场影响范围内各种岩层电阻率和地形起伏的一种综合反映，称为视电阻率，它与电阻率关系如式(1)［9］:

式中:ρs为视电阻率，根据观测数据的多少可表示为(ρs1，ρs2，ρs3，…，ρsM);M 为观测数据个数;ρ为待求的电阻率参数。

ρs(ρ)表示视电阻率与待求电阻率间的非线性关系，因此，电阻率反演实际上是非线性反演。

式(1)表明，电阻率成像方程实际上是M维视电阻率空间(观测数据空间)映射到无穷维电阻率空间(模型参数空间)的变换，这种变换不可能实现一一对应的关系，这就会导致反演结果中解的非唯一性。现有的求解方法基本上全是通过将非线性反演问题近似为线性反演问题来实现。一般情况下采取的是将半无限求解空间人为地约束到有效的研究区域，然后用已经成熟的线性反演理论来求解电阻率成像问题。

1.5 电阻率成像

采集的数据需经数据转换→设置数据文件参数→数据编辑→数据滤波→地形改正→反演(成像)→保存图像→输出图像等处理流程。α法(温纳法)的成像结果如图3。图3中横坐标为电极间距，纵坐标为反演深度。

图3 现场高密度电法测试温纳反演Fig.3 Wenner inversion of high-density resistivity testing

由图3可知，现场路基电阻率剖面基本上分布均匀，电阻率在550～700 Ω·m之间，局部范围有电阻率高阻区，这是由于该处的填料粒径相对较大造成的。为了通过电法勘探结果定量研究路基压实度，通过电阻率成像结果提取路基表层(20 cm)的电阻率测试结果。

2 基于电阻率测试数据的路基含水量分析

研究表明［10］，含水量对于击实试件的电阻率影响最为敏感，对于击实试件的含水量和电阻率具有良好的乘幂关系。因此，通过现场取回路基填筑填料，制作大量不同含水量的击实试件，测定击实试件的电阻率，试验数据如表1。

表1 室内试件电阻率测试结果Table 1 Electricity resistivity of test specimen

将表1中的电阻率和含水量进行拟合，得幂函数曲线如图4。

图4 含水量-电阻率关系室内标定曲线Fig.4 Rating curve between water content and electricity resistivity

通过标定曲线可对现场含水量进行计算，结果如表2。

表2 现场表层(20 cm厚)含水量Fig.2 Water content of the surface layer(20cm thickness)

3 结论

高密度电阻率法作为一种高效的工程地球物理新方法，具有检测速度快、采集密度大、信息量丰富、检测结果准确可靠等优点，利用高密度电阻率法进行路基压实质量诊断是可行的。

1)通过高密度电阻率法成像诊断能够定性地反映路基内部的压实质量。

2)通过室内击实试件电阻率测试，建立电阻率和含水量的关系曲线，从而，利用高密度电阻率法测定结果可以标定路基某一测试断面内的含水量，根据标定的含水量，结合其它检测方法(如波动测试方法)可以定量的标定整个测试断面的压实程度。

3)用高密度电阻率法进行路基压实质量的诊断仍然处于初步探讨中，为了更好的将电阻率法应用于路基压实质量检测中，应该进一步加强电阻率测试试验研究和理论研究，从而更好的建立电阻率和岩土体结构性参数的关系，为路基压实质量定量检测提供依据。

［1］ 柴贺军，陈谦应，孔祥臣，等.土石混填路基修筑技术研究综述［J］.岩土力学，2004，25(6):1005-1010.

Chai Hejun，Chen Qianying，Kong Xiangchen，et al.Overview of soil-stone high embankment construction study［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(6):1005-1010.

［2］ 邓小文，蔡迎春，郭成超.灌砂法检测高速公路路基压实度的几点体会［J］.路基工程，2007(6):142-143.

Deng Xiaowen，Cai Yingchun，Guo Chengchao.Some experience on sand cone method detection of highway subgrade compaction［J］.Subgrade Engineering，2007(6):142-143.

［3］ 王北水.MC-3型核子仪在公路检测中的若干影响因素及对应措施［J］.中南公路工程，2002，27(2):90-92.

Wang Beishui.Influencing factors and countermeasures of MC-3 nuclear detector in road detection［J］.Central South Highway Engineering，2002，27(2):90-92.

［4］ 刘丽萍，折学森.山区土石料压实标准及其应用［J］.土木工程学报，2006，39(2):122-125.

Liu Liping，She Xuesen.Compaction standard and application of earth-rock mixtures in mountain area［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39(2):122-125.

［5］ Zhao M J.Study on Rayleigh Wave Testing Method of the Compact Degree of Soil-Stone Embankment［C］//Proceedings of the 4th International Conference on Land Slides，Slope Stability and the Safety of Infra-Structures.Malaysia:CI-Premier，2004:183-190.

［6］ 刘会勋，李青山，丁红岩.公路工程瞬态锤击检测技术［J］.中国公路学报，2008，21(4):37-42.

Liu Huixun，Li Qingshan，Ding Hongyan.Transient hammer-impacting detection technology of highway engineering［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21(4):37-42.

［7］ 张光保.高密度电法在复杂岩溶地区路基勘测中的应用［J］.工程地球物理学报，2010，7(3):344-347.

Zhang Guangbao.Application of high-density electrical technique to karst roadbed in complex areas［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2010，7(3):344-347.

［8］ 傅庆凯，师学明，李崴，等.高密度电阻率成像技术在既有线铁路路基病害探测中的应用［J］.工程地球物理学报，2011，8(4):438-512.

Fu Qingkai，Shi Xueming，Li Wei，et al.Application of high density resistivity tomography to prospecting diseases of existing railway bed［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2011，8(4):438-512.

［9］ 赵明阶，何叶，荣耀，等.填方路基压实质量的电阻率成像诊断试验研究［J］.中国公路学报，2011，24(3):16-21.

Zhao Mingjie，He Ye，Rong Yao，et al.Experimental study of electrical resistivity tomography in fill subgrade compaction quality diagnosis［J］.China Journal of Highway and Transport，2011，24(3):16-21.

［10］赵明阶，李庚，黄卫东，等.多项土石复合介质电阻率特性的试验研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(6):928-933.

Zhao Mingjie，Li Geng，Huang Weidong，et al.Experiment on electrical resistivity properties of poly-phase soil-stone mediums［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(6):928-933.