地质雷达在加筋土路基病害检测中的应用

宗志刚

（北京奥科瑞检测技术开发有限公司，北京 102488）

引言

加筋土归属于复合体系的范畴,由填土、带状拉紧以及支挡结构三个部分构成，该体系内部的力之间为平衡状态，结构内部稳定性较高，可以抵抗填土产生的侧向压力，从而使其在路基工程中得到广泛应用[1]。在运营中，随着期限的增加，加筋土路基在自然环境、材质老化、车辆载荷等因素的综合作用和影响下，会产生沉降、变形及结构损坏等问题[2]。因此，采取有效的检测方法，对加筋土内部病害进行检测是十分必要的。

路基病害检测常用的方法有高密度电法、地质雷达法、地震映像法等[3]。相对其它物探方法，地质雷达法具有快速、高效、实时显示等特点，是常用的检测方法。石桂梅[4]等利用地质雷达对加筋土路基进行检测，发现路基土层内部的严重不均匀沉降区和筋带出现严重弯曲变形的情况。本研究分析了加筋土路基的破环形式，讨论了实施地质雷达检测的可行性，并通过工程实例验证，为公路加筋土路基病害的检测和评定工作提供一些借鉴和经验。

1 加筋土路基破坏形式及检测方法

1.1 加筋土路基破坏的原因和形式

加筋土路基破坏的原因和形式有以下几种[2，5]：

（1）拉筋的破坏、拉筋与土体间摩擦力不足，造成路基破坏。

（2）交通载荷超过了原设计路基承载能力。

（3）外部不稳定造成支挡结构破坏，包括：地基承载力低、沿基底抗滑稳定性不足。

（4）施工质量不高，尤其是初期填方不实。拉筋松弛、拉筋材料选材不当也是造成加筋土路基破坏的重要原因。

1.2 地质雷达检测的物理条件

地质雷达(简称GPR)方法是一种用于浅层地质结构、工程结构检测的地球物理勘探技术。它通过发射高频宽带（1MHz-1GHz）电磁脉冲，以自激自收的形式，连续检测地下介质的分布规律（见图1）。地质雷达法具有设备轻便、操作简单、效率高、精度高等特点，能够以实时成像方式显示结果，分析、判读缺陷直观方便，而被引用于工程勘测和检测邻域中[6]。它是近年来在环境、工程检测中发展最快、应用极广的一种地球物理方法。

图1 地质雷达工作原理示意

地质雷达检测的物理前提是目标体与周围介质存在明显的物性差异（介电性）。电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率σ 和介电常数。前者主要影响电磁波的穿透(检测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的介质分界面上，都会产生回波，反射强度取决于反射系数[7]。

（1）电磁波在介质中的传播速度

式中：C 为电磁波在真空中的传播速度（0.3 m/ns）；εr为介质的相对介电常数；μr为介质的相对磁导率（一般μr≈1）。

（2）反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的介质界面时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中：r 为界面电磁波反射系数；ε1为第一层介质的相对介电常数；ε2为第二层介质的相对介电常数。本研究中涉及到的介质的介电常数见表1。

表1 介质的电性特征

根据加筋土挡墙的破坏形式：

（1）当拉筋松弛或破坏后，挡土墙体失去稳定性，引起填土层水平位移变大，在填土层内部形成裂缝或竖直沉降量过大，形成松散区。

（2）施工初期填方不实，在后期的载荷和重力作用下，填土不实区域产生沉降，引起土层的变形、沉降，形成松散区。

以上两种情形，如果填土层沉降速度较快和范围较大，可能会在路基层下方形成空洞和松散区，采用地质雷达方法具备较好的地球物理前提[10-11]。根据表1，路基土层内形成的空洞与周围土层有明显的电性差异。介电常数差异越大，反射系数越强，因此空洞在雷达图像中表现为反射波同相轴弯曲、变形，反射波的能量明显增强。松散区相对周围土层，具有密实度差、孔隙率高、含水状态不同等特点，因此与周边正常地层相比，介电常数存在一定的差异。同时，由于松散体内部裂缝、孔隙排列无规律，电磁波在其内部传播和反射形态复杂，因此松散区域在雷达图像上表现为杂乱的强反射波[8]。土体松散程度越高，反射波的能量越大。

2 工程实例

某高速公路线路穿行于太行山脉与燕山山脉邻接处，处于高岭重丘区，地形地貌复杂，多处建造有加筋土路基。结构为包裹式土工格栅加筋土挡墙，通过加筋提高土体的强度和整体性，发挥支挡作用。同时在墙面种植灌木、草本等植物，形成绿化的立体生态支挡系统[9]。

实验检测工作在上行线路K77+550-K77+650 段和K83+800-K83+920 段加筋土路基进行，路基宽度约12 m，高度2～11 m。检测工作采用瑞典产MALA ProEx 地质雷达进行，为了发挥地质雷达高频天线检测分辨率高，而低频天线检测深度大的特点，检测选用250 MHz 天线和100 MHz 天线配合进行，以取得最佳的测深度及分辨率。采集参数见表2。

表2 雷达采集参数表

对数据进行处理，根据数据剖面对加筋土路基内病害进行分析。图2 为K77+550-K77+650 段数据剖面，图3 为K83+800-K83+920 段数据剖面。

图2 K77+550-K77+650 雷达数据剖面图

图3 K83+800-K83+920 雷达数据剖面图

在图2 中，K77+550-K77+560 为高架桥架空区，K77+560-K77+650 段为加筋土路基段。深度约1.0 m范围为道路结构层底界面的反射波同相轴，K77+580-K77+650 段同相轴较连续，无明显的弯曲变形和错位现象， 说明路基土层结构完好。K77+560-K77+580 段，雷达波同相轴向下弯曲变形，同时反射波振幅明显增大，这是路基土层下沉与路面结构层之间产生分离，土层密实度差、孔隙率高形成的典型特征，判断由于填土不实，在载荷和重力作用下，引起土层不均匀沉降，形成严重的松散区。

在图3 中，K83+800-K83+850 段雷达反射波能量较均匀、同相轴较连续，表明路基土层状况良好。K83+850-K83+890 段雷达反射波能量变强，同相轴不连续，波形杂乱、不规则，这是土层松散区的典型特征，结合现场调查情况，病害区挡墙局部存在较大的弧形外鼓和整体外倾的病害，判断由于土层内筋带出现较严重的松弛和变形，挡土墙体稳定性破坏后，造成填土层水平位移变大，在土层内部形成松散区。

3 结论

通过本研究加筋土路基的地质雷达检测工作，可获得以下结论：

地质雷达法具有设备轻便、操作简单、工作效率高、成果直观等优点。检测工作不影响道路的正常通行，对路基无破坏作用，是路基病害检测的首选技术方法。

应用地质雷达对加筋土路基病害进行检测有较好的效果，拉筋松弛、弯曲后，引起的路基土层沉陷，或者挡土墙体稳定性破坏后，引起土层水平位移变大，在填土层内部形的松散区，在雷达数据剖面中均有明显的表现特征。

根据雷达反射波形态、幅值等特征分析判断路基病害的成因，土层内拉筋的状态，能够为道路设施的维护、管理提供数据支持，对保障道路的安全运行有着重要的意义。