路面基层注浆加固质量评价的无损检测方法应用研究

林有贵　周德存　易强　农彬艺

摘要：文章以科研项目路面基层注浆加固试验路为依托，采用3种无损检测手段对注浆加固前后的基层进行检测评价，并取芯验证。结果表明：注浆前后，2D地质雷达同轴图像、高频弹性波反射波法的主频幅值和瞬态面波法的剪切波速度等的变化明显，其中地质雷达法可以实现对路面注浆加固效果的定性描述，后两者可作为半定量评价，而瞬态面波法的剪切波波速对路面结构技术状况变化更敏感。

关键词：无损检测;路面基层;注浆加固;质量评价

0 引言

注浆是处治半刚性基层松散、脱空等病害的常用措施。探測注浆前后路面基层结构的变化，真实客观地评价注浆加固效果，对完善路面注浆补强技术具有重要意义。

钻芯是路面结构层病害检测的传统手段，但是具有随机性和代表性不足等局限性，而无损检测技术应用于路面隐性病害探测受到越来越多的关注。一些科研机构先后利用探地雷达检测路面基层病害，建立异常雷达图像定性图谱与路面结构层可能存在的缺陷间的对应关系，并通过传统的方法进行验证[1-2]。尹梓安对弹性波在路面材料中的传播特性进行模拟，基于模拟结果对路面压实度、裂缝和厚度进行分析，论证了弹性波在路面质量检测中的可能性[3]。吕守航分析不同脱空状态下弹性波的传播规律及面波频散曲线特征、确定路面基层脱空范围，实现了对路面基层脱空的定性识别和定量评价[4]。1983年美国Texas大学S Nazarian等[5]提出的Spectral Analysis of Surface Wave Method 简称SASW方法即瞬态面波法，用于确定土层和路面弹性模量。我国于20世纪80年代中期引入日本VIC公司研发的GR810稳态面波勘探机，随后瞬态面波检测方法在我国得到快速发展[6]。1996年刘云祯[7]系统地阐述瞬态面波法的数据采集处理系统。李杰生[8]采用多道瞬态面波测试路基的频散特性，通过反演路基的面波频散特性来评价路基的力学性能。张献民[9]根据路基加固处理前后，瞬态面波剪切波速的变化，反演路基剪切波速值，实现对路基加固效果的评价。吴得胜等[10]利用瞬态面波法评价沪昆铁路贵州段岩溶路基注浆加固效果。任新红[11]研究南广铁路典型地质断面注浆前后瑞雷波波速传播特征、地表质点振动特征及频散曲线变化特征，对瞬态面波法注浆效果检测标准进行了分析。可见目前高频弹性波法、瞬态面波法仅用于探测路基缺陷，且适用于探测缺陷尺寸较大的路基，尚未用于小尺寸缺陷或小尺寸嵌入物的路面检测。

目前沥青路面基层注浆加固施工验收时，一般采用取芯法观察其完整性，检测弯沉评价结构强度提升情况[12-13]。虽然钻芯法直观，但数量终究有限且损害路面结构，而弯沉检测也属于间接评价，因此基层注浆施工验收急需可连续检测或可实施大量测点的无损检测法。本研究以在役沥青路面基层地聚合物注浆科研项目的试验路工程为依托，采用2D地质雷达、极小偏移距高频弹性波反射波法、瞬态面波法等3种无损检测方法，进行注浆前后检测，对比检测参数变化来评价注浆效果，并通过钻芯、落锤式弯沉仪等常规检测方法，分析验证3种无损检测方法评价注浆处治效果的适用性。作为对比，同时检测了与注浆段相邻的未注浆段。本研究成果丰富了基层病害及注浆加固质量评价方法。

1 试验路概况

基层注浆加固试验路位于广西百色至罗村口高速公路下行线K800～K801（2019年3月后，桩号改为K805～K806），长1 000 m，路面结构为15 cm沥青混凝土+40 cm水泥稳定碎石基层+18 cm低剂量水泥（2%）级配碎石底基层+土基，其中，水稳碎石基层分2层施工。试验路实施情况详见文献[14-15]。该高速公路于2006年1月建成通车，基层注浆试验路施工期为2018-11-27至2019-01-07。注浆目的是固结松散碎石和填充层底脱空。仅进行行车道注浆，注浆孔纵向间距为1.2 m，横向分别在左右轮迹带、轮迹带中间钻孔3个。基层注浆施工前进行钻芯、FWD和病害调查检测。19个钻芯结果表明：大部分芯样上下水稳层层间、下水稳层与级配碎石层层间存在松散夹层，FWD荷载中心弯沉较大，2016年10月罩面前原路面主要病害为横向裂缝。注浆孔直径为3.8 cm，深65 cm，水钻，注浆孔进入级配碎石底基层10 cm。注浆前FWD荷载中心代表弯沉为17.6（0.01 mm），注浆8 d后为7.7（0.01 mm），代表弯沉降低为注浆前的0.44倍。注浆后钻芯发现松散碎石得以固结、层间脱空得以填充，基层整体密实度大幅提高[14-15]。注浆后浆体在有松散夹层的上下水稳层之间凝结形成水泥石，上下水稳层之间通过凝结的水泥石粘结成为一个整体，松散夹层得到有效固结，路面强度得到显著提高。

2 地质雷达法检测

地质雷达发射的电磁波在介电常数存在差异的两种介质界面上将会发生反射和透射现象。反射和透射现象符合反射定律和透射定律[16]，反射波和透射波能量的大小取决于反射系数

当电磁波传播到介电常数存在差异的两个界面上时，其反射回来的电磁波能量、相位将会发生改变。当路面结构中存在不密实、局部脱空等缺陷时，该区域与周围介质会存在明显的介电常数差异，这为地质雷达探测提供了良好的应用基础。

采用自有的二维Mala地质雷达仪进行现场地质雷达检测。注浆前后，分别使用800 MHz、1 200 MH雷达天线频率开展检测。图1为注浆前后800 MHz天线雷达检测时间剖面对比图。

从图1可见，注浆前：上基层底界面（深约35 cm），950～960 m段、983～990 m段雷达反射波同相轴紊乱、错断、下沉，表明该深度附近存在松散、软弱段等缺陷;964～970 m段、975～981 m段，界面雷达反射信号相对增强，反射波形畸变，表明界面处存在脱空或松散夹层。其余地段，层间雷达反射信号较均匀，层厚变化小，无脱空、不密实等缺陷迹象。上述检测判断结果与钻芯检查、内窥镜观察注浆孔结果相吻合。

注浆后：920～1 000 m注浆段，形成较明显的浆液固结密实层，该密实层与其两边介质介电常数差异大，反射系数增大，雷达反射波参量增强，透射波能量减少。因此，注浆后在上基层底界面（深约35 cm）产生的雷达反射波信号增强，反射波同相轴连续，该界面以下接收到的反射信号减弱。雷达剖面图上表现，注浆后上基层底界面附近雷达反射波同相轴变得更明显，该界面以下观测到反射信号减弱，下基层底界面反射波同相轴信号不清晰，甚至在上基层底界面雷达信号强反射区段无法观测到下基层底界面的反射波信号。

3 极小偏移距高频弹性波反射波法检测

3.1 基本原理

弹性波垂直反射法是反射法中的一种特殊形式，它以极小偏移距（发射与接收间的距离趋于零）的方式在物体表面激发弹性波脉冲信号，弹性波在传播过程中，当遇到介质分层界面、脱空、松散层等引起波阻抗的变化时，将产生反射信号被接收换能器接收，根据反射信息中的相位、振幅、频率等变化特征进行综合分析，即可进行相应的推断解释。

在路面上点源瞬态激振产生的振动信号中，包含R波、P波、S波，这些弹性波在路面介质中传播时，传感器接收到的信号波形是由直达波、反射波叠加而成的。当路面内部出现松散和脱空现象时，在表面激振时，接收到的弹性波信号出现异常现象。图2、图3分别是无缺陷路面、含脱空松散等缺陷路面的传感器接收的时域信号及其频谱图。分析显示，当路面结构无缺陷时，接收的振动信号呈现高频特性，频幅较大（图2主频1 466 Hz）;当路面结构层存在脱空、松散现象时，接收的振动信号将呈现相对低频特性，且频幅较小（图3主频977 Hz），衰减相对较慢。脱空松散缺陷路面经注浆处理后，路基结构层强度提高，接收的振动信号将趋于高频特性，频幅增大。

3.2 结果分析

极小偏移距高频弹性波反射波法检测现场测点间距为0.5 m，人工锤击路面得到弹性波。现场分别采集振动信号读取的主频，注浆前后主频率变化曲线见图4。从主频变化曲线图可见：

（1）注浆前，采集振动信号主频的变化曲线在950～960 m段、964～970 m段、975～981 m段、983～990 m等4段，主频率为1 000 Hz左右，呈相对低频特征，而920～950 m段主频率较高，为1 300 Hz左右，表明前4段的基层缺陷比920～950 m段严重。施工钻孔的内窥镜观察表明，前4段松散、空隙大，注浆后钻芯发现该4段的浆液结石层较厚，验证了这一论断。

（2）注浆后，振动信号主频明显提高，尤其是950～990 m段（存在严重松散、脱空缺陷段），注浆后主频率显著增大，主频率达到1 200 Hz左右，而注浆前主频率仅为1 000 Hz左右。表明该路段原存在的松散脱空缺陷得到有效固结填充，基层密实度显著提高。

（3）1 000～1 020 m为未注浆路段，信号主频基本没有变化，这与实际情况相符合。

4 瞬态面波法检测

瞬态面波法的物理前提是根据测量瑞雷波在不同介质中传播速度的差异，确定各个路面结构层的介质特性。路面瞬态激振信号中含有丰富的信息，通过处理检波器采集的信号，可得到各测点的频散曲线，频散曲线经过拟合分析得瑞雷波波速（或转换成剪切波波速）深度变化范围。波速的变化趋势和形状反映路面结构的密实状态。

瞬态面波法检测现场外业采集装置排列4个检波器，检波器间距为0.5 m，用锤子敲击地面产生的垂直脉冲信号作为震源，震源距第1个检测波0.5 m。测线每间隔5 m采集一个面波点。经对采集的面波点波列图进行处理和速度拟合分析，可得到各测点在深度0.3～0.6 m（包含了上下水稳基层）范围内的剪切波速度，计算统计注浆前后各点的剪切波速，图5为注浆前后剪切波速度变化曲线。从图5可见：

（1）注浆前，920～950 m段的剪切波波速平均约为650 m/s，而950～1 000 m段仅约为45 m/s左右，表明后者基层存在更严重的松散脱空等缺陷，现场钻孔内窥镜观测支持这一判断。

（2）注浆后，全注浆段920～1 000 m的剪切波波速均显著提高，平均提高21.0%，表明原存在的严重松散脱空等病害，经注浆后松散碎石和脱空得以固结填充，基层密实性和均匀性得到显著提高。这一判定与现场钻芯结果一致。

（3）1 000～1 020 m段长20 m，未进行基层注浆，2次瞬态面波法检测的剪切波波速基本无变化。应该指出，施工时在桩号1 000 m测点处钻孔注浆，浆液会渗入桩号1 000～1 005 m段，从图5可见该段注浆后该段波速也有提高，可见瞬态面波法检测的剪切波速对基层密实状况变化敏感。而高频弹性波法在1 000～1 005 m段的主频无变化（见图4）。

可见，瞬态面波法检测得到的判断与检测极小偏移距高频弹性波反射波法检测的一致。

5 结语

对比以上3种无损检测结果可知：在920～950 m段，注浆前后，极小偏移距高频弹性波反射波法检测的主频变化幅度小，而瞬态面波法检测的剪切波波速变化显著。施工时在桩号1 000 m测点处钻孔注浆，浆液渗入1 000～1 005 m段，注浆前后，瞬态面波法的剪切波波速变化明显，而极小偏移距高频弹性波法检测的主频基本无变化。可见，瞬态面波法的剪切波波速对路面结构层内部状况变化更敏感，更适合用于路面结构层注浆前后检测评价。

从图4、图5还可看出，极小偏移距高频弹性波法和瞬态面波法均判定：路段920～950 m的路面基層缺陷轻于路段950～1 000 m段。现场钻孔的内窥镜观测结果支持这一判定。

2D地质雷达法的图像较难探测注浆前路面结构层的松散、脱空等缺陷，需依赖于经验判断。注浆前后地质雷达的同轴图像变化较明显，显示了注浆后的基层内部密实度变化，可定性评价注浆效果，作为基层注浆加固验收的辅助方法。

6 结语

综合对比2D地质雷达法、极小偏移距高频弹性波法反射波法和瞬态面波法等3种无损方法检测结果，经钻芯验证，得出以下结论：

（1）瞬态面波法检测的剪切波波速对路面结构层内部状况变化敏感，可用于探测路面结构层内部缺陷，通过对比各段的剪切波速可判定缺陷轻重程度，而通过对比注浆前后波速变化可半定量评价注浆质量，即该法可用于路面基层注浆效果检测和路面缺陷探测。

（2）与瞬态面波法对比，极小偏移距高频弹性波法反射波法检测的主频变化较不明显，但也可通过比注浆前后主频变化来半定量评价注浆质量。

（3）注浆前后2D地质雷达法的同轴图像变化明显，可用于定性评价基层注浆质量。注浆前的雷达图像较难识别基层的松散、脱空等缺陷，而且较多依赖于经验。

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