公路路基病害的无损检测技术应用

孙文浩

(东营市公路勘察设计院有限公司，山东 东营 257091)

0 引 言

目前我国处于运营期的公路工程由于受到设计理念或施工技术等方面的限制，再遭遇降雨、温度变化等自然环境的影响可能存在滑坡、坍塌等[1]。为了提高公路工程的建设水平、加强公路服务水平、确保其功能满足交通运输需要，应当在公路施工及运营期间，对路基可能出现的病害展开动态的、全面的检测[2]，同时如何准确判断路基可能出现的病害，选择经济可行的病害检测技术也成为国内外学者及工程技术人员亟待解决的问题。

传统的公路路基病害检测方法主要是钻孔取芯法等，该法是随机选点、钻孔取样，并开展室内试验来获取岩土体的各项物理力学，但其对施工干扰小、效率低、偶然性大、代表性差。随着科技水平的日益成熟，无损检测技术已经逐渐应用在公路路基病害检测中，可仍需进一步完善，故探讨无损检测方法在路基病害检测中的应用可以为类似工程提供一定的理论指导。

1 依托项目概况及病害分析

1.1 工程简介

某一级公路工程全线28.8km，设计荷载为公路-Ⅰ级，地质条件十分复杂，沿线出现大量边坡。本文以ZK2+289～ZK2+535段路基为研究对象展开路基病害及无损检测分析。笔者根据地勘钻探报告、现场荷载试验等提供的数据，将该段路基边坡土体共分为3层，其地基土为基岩，中间土层为中风化砂岩，上层为强风化砂岩，且层存在30cm厚的人工杂填土，其主要工程技术指标见表1。

表1 该一级公路主要工程技术指标

1.2 路基病害及原因

公路路基在土体自重、反复车辆荷载及不利自然环境等影响下，容易出现路基沉降，从而影响路基高程和边坡坡度，并最终可能导致土体沉陷、坍塌或滑移，使得路基出现失稳破坏稳定性[3]。

1.2.1 路基沉陷

公路路基沉陷指的是路基表面竖向位移较大，使得地基土出现下沉并向两侧挤压所引起的路基不均匀沉陷现象。出现这种病害的原因在于：

(1) 路基填料或压实方法选取不当。

(2) 路基分层压实厚度不合理、不同填料混合压实、含水量控制不当等原因导致路基压实效果不佳，压实度达不到规范要求。

(3) 公路路基施工期间排水设施处理不当，出现积水现象。

1.2.2 滑坡

公路路基滑坡指的是路基边坡岩土体在重力作用下，沿着某一软弱带整体向下滑动。产生路基滑坡的原因分为内在因素和外在因素两大类，前者包括土体填料性质、地质构造、水文地质条件等，后者包括降雨、温度变化、人类活动等。

1.2.3 坍塌

公路路基坍塌指的是路堑边坡在各种不利荷载作用下，岩土体发生崩塌并坠落的现象。路基坍塌相对于一般病害而言，有快速性、突变性等特点，对行车安全危害较大。同时形成公路路基坍塌的原因主要有坡度较大(55°以上)、降雨、地震、人工开挖及爆破等。

2 地质雷达在路基塌方检测中的应用

2.1 地质雷达路基探测基本原理

地质雷达是一种利用超高频脉冲电磁波在介质中传播规律的一种广谱电磁技术。地质雷达一般包括一个发射天线，一个接收天线，如图1所示。当发射天线发射出的高频电磁波周围岩土体或地层的介电常数或电导率差异性较大时(如地层与病害的界面处)，电磁波会发生反射，反射回的电磁波进而被接收天线接收。高频电磁波在地层中传播时，其波幅、波速等会随着介质介电常数或电导率的变化而变化。与此同时，在电磁波的时域曲线上能够得到发射波和反射波的运行时间(双程走时)，取高频电磁波双程走时的1/2和相应介质中电磁波传播速度的乘积就能够算出路基病害所处的空间位置。

图1 地质雷达路基探测基本原理

2.2 地质雷达探测频率选择及测线布置

2.2.1 天线频率选择

相关学者研究表明[4]，频率为100MHz的天线探测深度有8～14m，频率为300MHz的天线探测深度仅仅2～3m。上述现象表明，地质雷达天线的工作频率越高，波长越小，探测距离越近，分辨率越高。此外，地质雷达的探测深度还和地层的衰减系数、接收器灵敏度、发射器功率、增益大小等参数密切相关。该根据该公路项目路基的回填高度及可能塌方地段的实际情况，笔者选择使用100MHz的天线来探测路基塌方病害。

2.2.2 测线布置

由于该段路基通车运营，在布设测点时要尽量沿着公路纵向。若必须布置在横断面，应当设置警示标志，以免影响正常交通。本段路基出现的坍塌的部位在ZK2+330附近，坍塌后路基边坡坡度增大，使得路面产生轻微裂纹。为了探测处路基边坡坍塌对路基的影响宽度、路面下岩层破碎等，在ZK2+330附近的车道外测每隔3布设一个测点，共布置10个测点。

2.3 地质雷达数据处理

地质雷达的数据处理的关键是分析脉冲波形图，可以采用IDSP等软件来处理。在分析脉冲波形图之前，应当对现场测试数据进行降噪，还必须通过调整增益的方式来抑制杂波出现，并使用专业的滤波工具对探测数据中的高频波段突出显示。

3 高密度电阻率法在路基滑坡厚度检测中的应用

3.1 高密度电阻率法探测基本原理

高密度电阻率法是在地下被探测体与周围介质之间的电性存在差异性的基础上来建立直流电场，并按照预先布设的电极进行扫描，得到地下一定范围内的空间电阻率变化趋势，最终查明可能存在的路基病害。使用高密度电阻率法来检测路基滑坡厚度时要遵循以下几项原则：第一，测量点距必须按照所探测滑坡的范围来确定；第二，在观测装置沿测线移动过程中，每次移动的距离应当在勘探范围内是连续的；第三，数据测量时应当采用正负交替的供电方式。

3.2 高密度电阻率法的应用

3.2.1 探测设备选型

不同探测设备对地质体的敏感程度各有差异，温纳四级分辨能力不佳，而偶极、微分分辨能力较高；同时如果地形起伏大，温纳四级影响不大。故笔者用高密度电阻率法探测路基滑坡厚度时采用的仪器是重庆奔腾数控技术研究所设计的高密度电阻率测量系统，如图2所示。该测量系统以数字直流激电仪为测控主机，并搭配了多路电极转换器。

图2 高密度电阻率测量系统面板

3.2.2 探测方案

在探测设备选型完成后，应当根据路基滑坡体覆盖层的几何特征、滑移范围等来确定高密度电阻率法检测技术方案。笔者选择ZK2+330里程附近的滑坡段进行滑坡病害检测，其检测步骤如下：高密度电阻率测量系统调教归零→确定检测断面→布置测线(应采用多电极排列检测同一测线)→检测路基滑坡厚度和滑移范围→数据处理→结合钻孔取芯法对比分析。

4 结论

本位依托某一级公路项目的ZK2+289～ZK2+535段路基，深入研究了路基病害及成因、地质雷达法和高密度电阻率法在路基病害检测中的应用，主要得到了以下几个方面的结论：

(1)无损检测技术具有对施工干扰小、作业效率高、便利性好、高精度等优点，已逐渐在公路路基病害检测中应用。

(2)路基常见病害主要有路面沉陷、边坡坍塌及滑坡等。

(3)地质雷达路基探测基本原理是利用电磁波的传播，且地质雷达天线的工作频率越高，波长越小，探测距离越近，分辨率越高，而高密度电阻率法是在地下被探测体与周围介质之间的电性存在差异性的基础上来建立直流电场来检测可能存在的路基病害。