三维探地雷达技术在沉陷成因探测及处治效果评价中的应用

潘 贵, 侯忠非

(1.河南越秀兰尉高速公路有限公司, 河南 开封 475000; 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 西安 710000)

道路施工完成后,由于路基填料松散、路基富水、边坡滑动等原因,均可造成道路表面发生下沉,提前探明路基下沉的原因,对症下药,对确定科学、合理的路基处治方案具有重大意义[1-4]。路基处治施工完成后,探明路基内部状况,可确保路基处治质量。

探地雷达检测技术是道路无损检测具有代表性的主要技术之一,可快速检验道路结构内部状况,相比传统的钻芯检测工作,具有无损、检测效率高等技术优势[5-8]。在不同机制的雷达中,二维探地雷达一次检测采集一个纵断面的数据,只能对内部状况作出定性分析且容易误判。三维探地雷达具有全覆盖、判断准确率高、可定量分析的优势[9-11]。

李军[12]在高速公路改扩建中使用三维探地雷达进行道路病害扫描,结果证实三维探地雷达可很好地对道路内部不同深度的裂缝病害进行检测。王钊栋等[13]使用三维探地雷达对道路内部病害进行扫描,结果表明三维探地雷达能够及时发现路面内部隐蔽病害,为道路养护提供依据。众多研究已表明,三维探地雷达能很好地对道路内部病害进行探测,对道路养护时机及道路灾害预警提供有利的支撑[14-15]。

目前,尚缺乏基于三维探地雷达探测沉陷成因及沉陷处治效果评价方面的研究。本文通过选取两段路表下沉的检测路段,采用三维探地雷达全断面覆盖检测其下沉区域,获取下沉区域内部结构状况,分析下沉形成原因,提出针对性处治措施,在处治施工完成后,采用三维探地雷达进行复检。

1 三维探地雷达沉陷成因探测

道路沉陷往往由于路基填料松散、路基富水、边坡滑动等。三维探地雷达能很好地对道路结构内部路基填料松散及路基富水等病害进行探查。处治前后对道路内部病害及目标物的检测结果见表1。

对于路面下沉严重路段,平整度差,需加铺结构层调平路面,以改善平整度。在施工完成后,可采用三维探地雷达检测评价加铺结构层厚度。在三维探地雷达检测中可通过式(1)得出检测的道路结构厚度。

表1 道路内部目标物检测结果

(1)

式中:t为传播时间;c为真空中光速;εr为道路内部不同结构层的介电常数。

1.1 三维探地雷达检测基本原理

三维探地雷达的基本探测原理是向地下发送脉冲形式的高频电磁波,电磁波在地下介质传播过程中,遇到存在电性差异的地下目标体,如空洞、路面结构层层间界面等时,电磁波便发生反射。反射系数和反射信号电平计算公式为

(2)

Er1=EiΓ1,2

(3)

式中:Γ1,2为界面反射系数;εr1为电磁波入射侧相对介电常数;εr2为电磁波出射侧相对介电常数;Er1为反射信号电平;Ei为入射信号电平。由式(2)可知,反射系数的正负及大小由脱空界面两边物质的相对介电常数大小决定。界面两边相对介电常数差异越大,反射系数越大,反射信号越强。

三维探地雷达天线接收到反射的电磁波后,将采集到的频域数据传输入雷达主机中,并通过逆离散傅里叶变换对信号进行转换,公式为

d(t)=IDFT{D(f)}=ΓBsinc[B(t-τ)]e[j2πfc(t-τ)]

(4)

式中:Γ为反射系数;B为天线带宽;fc为信号频率;τ为在介质中传播产生的延时;d(t)为时域信号;D(f)为频域信号;t为时间;f为时间域。

对数据进行处理、分析后,将电信号转换为三维数据矩阵,并进行绘制,使路面结构内部情况通过雷达图像进行可视化展示,以获得道路内部结构相关状况。

1.2 脱空及浆液分布检测原理

脱空及浆液均与道路建筑材料相对介电常数存在明显差异。脱空内部一般为空气,相对介电常数为1,浆液刚施工完时含水量较高,相对介电常数较大(>30),电磁波较难穿透,道路材料相对介电常数一般介于3～10。三维探地雷达发射的电磁波在脱空-道路材料,浆液-道路材料界面处会发生反射,雷达波传播模型如图1所示。

T为发射天线;R为接收天线图1 脱空及注浆填充物检测雷达波传播示意图

脱空及注浆区域雷达图像均表现为强烈的反射信号。然而,刚施工完的浆液相对介电常数较大(>30),电磁波较难穿透,浆液信号下方存在较多的多次反射波;脱空区域由于介电常数较小,电磁波易穿透,信号下方无多次反射波,如图2、图3所示。

图2 脱空区域雷达图

图3 注浆区域雷达图像

1.3 富水区域检测原理

低含水量土壤在不同频率电磁波下,相对导电率基本表现为常数;高含水量土壤相对导电率随电磁波频率增加而增加,如图4所示。

图4 相对导电率

因此,携带信号的电磁波在高含水量土壤中传播时,受导电率变化影响,各个频率分量的电磁波以不同速度传播,经过一段距离后,它们相互之间的相位发生变化,从而导致信号失真,出现色散效应。

2 检测方案

本次检测采用由GeoscopeTMMKIV雷达主机、DXG系列多通道地面耦合天线阵组成的三维探地雷达系统。采样间距为2.5 cm,时窗设置为50 ns,驻波时间设置为3 μs。在此设置参数下,探地雷达允许最大移动速度为8 km/h,探测深度约2.5 m(与介质电介质特性有关),采样横向间距为0.071 m,行车方向间距0.025 m,竖向间距约为0.004 m(与介质电介质特性相关),这些密集的点构成三维点阵,形成较为清晰的三维雷达图像(图5、图6)。

三维探地雷达系统每次检测单道检测宽度为1.5 m,三维探地雷达现场检测方式为将现场路面划分为若干1.5 m宽的检测车道,依次检测,并记录好检测顺序。检测完成后,对各道雷达图像按检测顺序进行拼接,形成整幅路面完整的雷达平面图。

图5 高含水量土壤雷达图像

图6 低含水量土壤雷达内部图像

3 现场检测及数据分析

3.1 各路段情况简介

对港珠澳口岸互通匝道处进行现场检测时发现存在两个区域路表下沉较严重,区域桩号分别为FK0+275和FK0+297。区域纵断面实测与设计高程差见表2。

两个桩号道路纵断面高程均低于设计高程3～18 cm,其中FK0+275桩号处沉陷面积约为15 m2,FK0+297桩号处沉陷面积约为36 m2。道路结构组成见表3。

表2 路表纵断面实测与设计高程差

表3 道路结构组成

为探明沉陷的原因,采取针对性处治措施,采用三维探地雷达对FK0+275和FK0+297区域进行全断面覆盖扫描,以获取内部结构状况。

3.2 FK0+275路段检测及数据分析

3.2.1 处治前检测分析及处治建议

FK0+275路段路幅总宽度为24.5 m,共检测了18道数据。FK0+275路段沉陷区域现场图及雷达水平剖面图像如图7～图9所示。

由FK0+275路段处治前雷达水平向剖面图像(深度0.202 m)(图8)可知:该区域距右边缘12 m范围内处存在面积约为15 m2的沉陷区域,沉陷高程差为3～18 cm;沉陷区域存在横向贯穿的裂缝。由处治前雷达纵剖面图(图9)可知:面层底部存在沉陷,最大高差为4 cm并且面层底部和基层底部均存在轻微脱空;基层以下部分无较强雷达反射信号,表明该段路基整体较均匀,不存在空洞且无积水。

图7 FK0+275路段路表沉陷区域现场

图8 FK0+275路段处治前沉陷区域雷达水平 向剖面图(深度0.202 m)

图9 FK0+275路段处治前沉陷区域雷达纵向剖面图

综上所述,初步推断该处沉陷脱空病害的成因是道路施工时该路段路基尚未完全稳定,加铺路面后,路基发生固结沉降,道路内部出现了脱空现象,随着车辆荷载的作用,路面出现下沉。为此,建议对该路段路基及路面进行局部注浆治理,填充路面内部空洞,加强路基的稳定性,防止路基进一步固结沉降,从而避免路面整体的破坏。

3.2.2 处治后检测分析及处治评价

在FK0+275沉陷区域范围内,在长、宽上均以0.5 m为间隔,注浆深度为1.5 m,布设注浆孔,进行注浆施工后,对处治后的FK0+275路段进行全断面覆盖的三维探地雷达检测。检测结果如图10～图12示。

图10 FK0+275路段处治后注浆区域 雷达水平向剖面图(深度0.202 m)

图11 FK0+275路段处治后注浆区域 雷达水平向剖面图(深度0.196 m)

图12 FK0+275路段处治后注浆区域雷达纵向剖面图

注浆处治后FK0+275区域雷达水平向剖面图表明面层底部的沉陷边缘的裂缝进一步发展扩展到右边缘。

由雷达纵向剖面图可以看出,FK0+275区域沥青层底面反射信号强烈,电磁波难以穿透,信号层厚度约为3 cm,表明该处层间空隙已被浆液填满,形成厚度约为3 cm的浆液填充层;基层及土基反射信号表明浆液在此区域分散分布,与原道路材料混合形成新的浆土混合物,增强原道路稳定性和承受荷载的能力,支撑顶部浆液填充层形成平整支撑面,防止面层继续下沉。

3.3 FK0+297区域检测及数据分析

3.3.1 处治前检测分析及处治建议

FK0+297区域与海相邻,路基为海堤,路幅总宽度约7 m,共检测4道数据。处治前沉陷现场情况、雷达图像如图13～图15所示。

图13 FK0+297路段路表沉陷现场

图14 FK0+297路段处治前沉陷区域 雷达水平向剖面图(0.212 m)

图15 FK0+297路段处治前沉陷区域雷达纵向剖面图

FK0+297路段处治前雷达纵向剖面图(图14)表明,面层下方区域雷达反射信号杂乱,呈现明显的色散效应特征,判定为路基内部含水量过高所致。雷达水平向剖面图像(图13)表明:FK0+297路段积水区域面积约为36 m2;区域边缘未发现开裂,路面内部损伤较少。

根据雷达图像分析结果和现场情况,初步推测沉陷原因为该邻海路段路基靠海侧封水措施不完善,导致海水逐步渗透进入路基内部,路堤填土含水量过高,施工完结后固结度较低,产生较大工后沉降。建议重新检修路堤封水设施,解决海水渗透问题;再加强路基排水,以及采取堆载预压法等加速路基固结沉降措施,待路基固结充分,经沉降观测,路基沉降稳定后,对原路面病害进行处治。由于工后沉降稳定后,路面下沉区域沉降高程及面积均过大,需在原路面上重新加铺沥青层调整平整度。

3.3.2 处治后检测分析及处治评价

根据处置前的检测结果,在FK0+297区域提出了一些建议,以重新检查、维修排水封水设施。当路基固结充分且沉降稳定后,可以对原路面病害进行治理,并重新加铺沥青层以调整平整度,覆盖范围为附近130 m的沉陷区域。在FK0+297路段的治理完成后,对沉陷区域前后150 m进行了三维探地雷达检测。由于沉陷区域主要分布在靠海一侧宽度为3 m的区域内,因此本次检测仅对靠海侧3 m宽区域进行检测,总共获得了2组数据。检测结果如图16～图19所示。

根据雷达水平剖面图(图16、图18、图19)显示,经过路基固结沉降后,原沉陷区域面积、程度和长度进一步扩大,同时在原沉陷区域附近出现多处新的沉陷区域。经统计,固结沉降后,沉陷区域路段总长度为110 m,总面积为276 m2,沉陷区域主要分布在靠海侧。而雷达纵向剖面图(图17)则表明,沉降区域最高点和最低点之间的高程差达到7 cm,路基和路面内部状况整体良好,没有出现脱空或裂缝等病害。此外,沉陷区域下方的强反射信号较少,表明含水率已大幅度下降。

为评价沉陷区域加铺层厚度分布情况,在处治后加铺段雷达纵向剖面图上绘出原路面地面线和加铺层地面线(图17),根据加铺前后地面线高程差,绘出加铺层厚度分布图,如图20所示,并将加铺层厚度分布关键指标统计于表4。

图16 FK0+297路段处治后原沉陷区域 雷达水平向剖面图(0.212 m)

图17 FK0+297路段处治后原沉陷区域雷达纵向剖面图

图18 FK0+297路段处治后加铺段沉陷区域雷达水平向剖面图(前60 m)

图19 FK0+297路段处治后加铺段沉陷区域雷达水平向剖面图(后60 m)

图20 FK0+297路段加铺区域加铺层厚度分布

表4 FK0+297路段加铺层厚度分布关键指标统计

对比加铺区域加铺层厚度分布图(图20)与加铺段沉陷区域雷达水平向剖面图表明,加铺区域较厚(>7.5 cm)区域分布范围与沉陷区域分布范围基本一致。

4 结论

对实际工程案例进行检测,通过对雷达图像解读,对比处置前后雷达图像,给出具体病害产生原因,能对道路内部病害进行转向处治,随着三维探地雷达的不断发展,道路内部病害将不再隐蔽。三维探地雷达系统作为一种新兴的无损检测手段,能实现对脱空沉陷病害位置、损伤程度、成因等病害关键信息的探测,根据探测结果提出针对性的处治方案,处治完成后,能对完成注浆位置、浆液分布区域、加铺厚度、加铺后路面内部健康状况等处治后路面内部关键信息的探测,在路面内部脱空沉陷探测、处治方案设计、处治效果评价等方面具有广阔且有价值的应用前景。