地质雷达在桥台搭板脱空检测中的应用

杜 光

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

桥台搭板是用于防止桥端连接部分沉降而采取的构造措施，在台背路基施工中，常由于各种原因出现台背回填土施工质量差、密实度不达标等问题，以至竣工通车后，桥台与路基衔接处的路基不时发生下沉现象，使桥台与路基间形成高差；再者由于季节性水位变化及多雨季节地表水渗入影响，可直接导致板下土体的强度软化、填料水土流失现象，这样就造成搭板支承面下局部脱空，搭板脱空会形成应力集中，如若早期不及时发现，会使板体断裂、沉陷、翻浆，以致最后形成桥头跳车甚至出现险情，对行车速度、舒适性、安全性都存在着较大影响，将直接影响到公路特别是高等级公路的正常使用，同时也成为了判定一条公路工程建设好坏的参考依据之一。而且更为重要的是，由板底脱空而导致长期桥头跳车也会加速对结构自身如桥台、台背、伸缩缝、台后路面等的损坏[1]。目前对运营中的公路桥台搭板脱空的检测，大多还是靠传统的钻孔取芯或挖坑法，其优点是直观，缺点是对公路的破坏性冲击作用，频度低、速度慢、不能形成紧密的连续检测、评价代表性不强、难以全面地发现质量隐患，从而不易达到理想的检测目的[2]。地质雷达能在不封闭交通的条件下对搭板脱空隐患进行无损检测，可具体探测脱空的位置和规模，具有简便实用、快速、无破损等优点，这样就为解决搭板下脱空问题提供理论数据支持。

1 地质雷达检测原理

地质雷达是利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下不同介质界面的反射波。当电磁波在不同种介质传播时，其路径、电磁场强度与波形等参数将随所通过各不同介质的电性质和几何形态而变化。因此，根据接收到波的时间、幅度与波形等基本资料，就可推断地下介质的内部结构情况，以及探测体的深度、分布情况等其他特征参数[3]，见图 1。

图1 雷达波反射探测原理

雷达波行程需要的时间为：

由式（1）可知：当地下介质中的波速v已知时，可根据测到的时间t，计算出目标体的深度z。

速度v通过相对介电常数与电磁波在真空中传播速度的经验公式确定：

相对介电常数为某一种介质的介电常数与在空气中的介电常数的比值。它的取值范围为：1（空气）～81（水）。表1为高速公路常见介质的相对介电常数。

表1 公路工程中常见介质的相对介电常数与其相对应电磁波速度

2 应用实例

2.1 工程概况

某在建黄土地区高速公路工程，双向四车道，设计速度为120 km/h。在雨季施工过程中，由于路基边沟排水不畅造成雨水沿伸缩缝及路基边缘渗入到基层当中，造成填料水土流失，致使路基尤其是桥头路面处发生不同程度的路基下沉、桥头跳车现象，甚至个别路段出现了裂缝现象，对行车安全造成了不良影响。为检测搭板下路基变形破坏程度及影响范围，使用瑞典玛拉RAMAC高精度探地雷达，对全线桥台搭板进行检测，以确定各搭板处病害实际情况并制定相应处治措施。

2.2 数据采集

桥台搭板处的结构层主要由沥青混凝土面层、钢筋混凝土搭板、水泥稳定碎石基层和路基组成。探地雷达技术对介质的穿透深度和分辨率主要取决于雷达波的频率和地下介质的电性。天线频率越低，穿透介质深度越大；导电率越低，穿透介质深度越大，反之亦然。天线频率越高，探地雷达的分辨率也越高。根据理论计算及多年来工程检测实践应用，本次检测的有效深度在3 m以上，根据所测深度及目标对象考虑，选择500 MHz天线，时窗选择为80 ns。

2.3 测线布置

首先按路线左、右幅及大小里程测，对每桥4块搭板分别按顺时针方向依次命名为：A、B、C、D板，每块搭板分别布置内、外两条测线，分别命名为测线一、测线二。测线距路肩边缘距离为0.5 m，见图2所示。

图2 测线布置示意图（单位：m）

为了保证时间剖面上各测点位置与实际检测里程位置相对应，每块搭板保存一个文件，每一条测线检测完成后在雷达记录上作一条标记以供核对，以保证在数据处理中能准确地找出图谱上各检测点对应的实际位置，测量中尽量使天线匀速移动。

3 地质雷达典型图像分析

3.1 密实良好

密实良好是指搭板与基层以及路基填料间无空隙，层间接触紧密，路基压实好，填料分布均匀，此时反射界面的清晰程度主要取决于混凝土与填料间的接触紧密程度以及介电常数差异大小，如图3所示。此时地质雷达图像特征为同相轴连续，波形平缓、规则，无杂乱反射存在，同层同相轴宽度变化极小，无错断，无畸变，无倾斜及弧形反射特征。

图3 搭板下密实度良好时图谱

3.2 水流冲刷

水流冲刷是指雨水或季节性水从台背或中央分隔带浸入到路基填料当中，出现搭板下整个平面或局部平面被水淘空，如图4所示，沿搭板下方一条明显强反射信号，水与填料介质之间的介电常数差异很大，水的相对介电常数最大为81，介质的介电常数增大，雷达波在介质中的传播速度就会降低，这样反射波表现出较强的正峰异常，同时出现强反射，有时也会产生绕射、散射现象，导致波形紊乱。

图4 搭板下水流冲刷时图谱

3.3 层间脱空

层间脱空通常是指两层不同介质之间存在着一定的空隙（大多是存在一个薄空气层或含水夹层）。路基脱空区域介质的介电常数差异比较大，脱空部位的反射信号往往表现为强反射信号，反射能量很强，反射波呈水平分布，且反射波规模较大，如图5所示，搭板下与基层界面之间存在强反射波同相轴，脱空区介质的介电常数差异较大，反射波呈水平分布。

图5 搭板下脱空时图谱

3.4 不密实

不密实是指搭板下路基填料呈松散状态，病害区介电常数较大，与周围介质介电常数存在差异，其最显著特征表现为：出现很强的局部密集亮点强反射的蜂窝状异常，多次反射特征明显，反射波较多，但反射规模小且不连续，反射能量强弱变化较大，整个反射剖面非常杂乱，如图6所示。在0.7 m以下有较强的反射信号，说明该范围内介质不连续，推断为搭板下路基填料级具有较大的空隙率，通常是由于路基碾压不密实或由于填土层的不均匀沉降，导致基层和垫层内形成较大的空隙率，随着使用时间不断增长致使空气或水充填其中而形成的不密实现象。

图6 搭板下不密实时图谱

4 结论与建议

采用地质雷达检测方法对桥台搭板下的病害情况进行检测，可以做到不影响公路车辆正常行驶，而且不会破坏路面结构，同其他类检测方法相比，地质雷达具有勘探成本低、周期短、适用广、效率高的优点，可在较短时间内进行不间断、大范围检测，并能较为精确地确定缺陷的形状、大小和深度，使得无损检测技术成为此类检测的必然选择。在地质雷达技术应用于桥台搭板脱空的质量检测中，合理选择检测天线频率及采集参数，进行计算机数据处理，可对浅层异常体、介质分层、含水性检测有较高的分辨率，能够快速、准确地检测出搭板下的脱空、冲刷等病害，经具体实施和验证，取得了比较满意的效果，为下一步的病害处理提供了依据，也为同类工程施工质量检测提供了参考，是今后公路检测的发展方向，具有广阔的应用前景。