地質(zhì)雷達在城市道路病害探測中的應(yīng)用

薛海陽，袁建議*，高 皋，吳長軍，周 逸，程建華,吳振華

(1三峽大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石435003；3大冶市市政工程公司,湖北 大冶435100)

地質(zhì)雷達在城市道路病害探測中的應(yīng)用

薛海陽1,2，袁建議1,2*，高 皋1,2，吳長軍3，周 逸1,2，程建華2,吳振華2

(1三峽大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石435003；3大冶市市政工程公司,湖北 大冶435100)

為了全面評價大冶市城區(qū)在役道路的安全可靠性現(xiàn)狀，運用地質(zhì)雷達對大冶市城區(qū)道路進行抽樣探測和數(shù)據(jù)采集，對采集到的數(shù)據(jù)樣本進行了分析,同時將雷達探測結(jié)果與實際路況進行了比較。檢測結(jié)果表明：大冶金湖大道路段病害較多，道路病害總長度為179.9 m，占總測線長度的4.08%；青龍路道路病害長度為122.85 m,占總測線長度的1.4%。檢測結(jié)果對城區(qū)道路安全、管養(yǎng)和維護具有一定的參考價值。

城市道路；病害；地質(zhì)雷達；可靠性；病害原因

伴隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大冶市城區(qū)道路建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是近年來武黃城際的開通、不斷擴建和新建大冶城區(qū)道路，對城市發(fā)展起了很大的推動作用。但無論是水泥混凝土還是瀝青路面，在通車運營一段時間之后，很多路段陸續(xù)出現(xiàn)路基沉陷、破碎、脫空等各種路面病害。導(dǎo)致道路病害的因素很多[1-2]，若對這些道路病害不進行處治，必然加劇道路的破壞進程，嚴(yán)重影響車輛行駛的安全性與舒適性，降低道路的使用壽命，甚至造成不可估量的后果[3]。因此，為了使道路正常工作，對于道路出現(xiàn)的常見病害問題必須采取有效措施，保證道路能夠正常使用，使路基處于良好的工作狀態(tài)。

地質(zhì)雷達是一種地球物理勘探方法，其運用超高頻脈沖電磁波來探測地下介質(zhì)分布，可以分辨地下10 m至1 m尺度的介質(zhì)分布，它作為無損檢測的一項新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等特點[4-7]，早在20世紀(jì)80年代后期，歐美國家就將雷達技術(shù)應(yīng)用于公路無損檢測，近年來國外多運用地質(zhì)雷達進行工程地質(zhì)評估、地質(zhì)災(zāi)害探測等研究。我國于20世紀(jì)90年代也開始了地質(zhì)雷達在公路工程、地質(zhì)工程、隧道工程等領(lǐng)域的應(yīng)用與研究，研究結(jié)果顯示檢測結(jié)果具有實踐應(yīng)用意義，能夠滿足工程實踐精度要求，因此在多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文應(yīng)用IDS公司生產(chǎn)的 RIS-K2型地質(zhì)雷達對2段城市道路進行病害探測，介紹了數(shù)據(jù)采集過程，對探測結(jié)果進行了分析。

1 概況

本次探測道路為大冶市金湖大道及青龍路局部路段。金湖大道于“十二五”期間按2級公路標(biāo)準(zhǔn)改建完成，設(shè)計速度為60 km/h，雙向四車道，道路采用瀝青混凝土路面，全長5.5 km。近年來，伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及武黃城際的建成，城鄉(xiāng)一體化快速推進，金湖大道車流量日益增長，車流穿越城鎮(zhèn)村莊密集帶，導(dǎo)致道路出現(xiàn)嚴(yán)重的街道化現(xiàn)象，交通干擾頻繁，且車輛擁堵時常發(fā)生，產(chǎn)生了不同程度的道路破壞。青龍路路段起于106國道新橋止于金井路，全長2.1 km，道路采用瀝青混凝土路面，雙向四車道，設(shè)計時速為40 km/h。鑒于當(dāng)前道路的服役時間較長，同時路面表征了局部損壞，現(xiàn)運用地質(zhì)雷達對路段存在的病害進行地質(zhì)雷達探測。

2 地質(zhì)雷達探測分析理論

地質(zhì)雷達由主機、天線和配套軟件等幾部分組成。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，探地雷達以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)其遇到不均勻體(界面)時會反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定。通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標(biāo)物的目的。天線工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 天線工作原理示意圖

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)地質(zhì)雷達記錄的電磁波傳播時間ΔT，即可據(jù)式(1)算出異常介質(zhì)的埋藏深度H：

H=V·T/2

(1)

式(1)中，V是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，其大小由式(2)表示：

(2)

式(2)中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108m/s；ε為相對介電常數(shù)，不同的介質(zhì)，其介電常數(shù)亦不同[8]，可以利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或測定獲得。

雷達波反射信號的振幅與反射系統(tǒng)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)R可表示為：

(3)

反射信號的強度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差越大，反射信號越強。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)雷達有效探測范圍一般在60 m之內(nèi)，道路需探測深度在2 m以內(nèi)。本次探測深度1.5～2 m。

檢測設(shè)備采用意大利IDS公司的RIS-K2型地質(zhì)雷達。根據(jù)項目實際需求選擇600 MHz中頻屏蔽天線，波長20 cm，有足夠的分辨率檢測深度2 m范圍內(nèi)的路基病害。采樣時窗設(shè)置為40 ns，探測深度在1.5～2 m范圍，滿足工程需求。

3.2數(shù)據(jù)分析

依據(jù)采集數(shù)據(jù)，對所有路段探測出的病害部位與路況正常部位進行分類對比。

1)無病害路段雷達截圖如圖2所示。從圖2中可看出電磁波傳輸正常，無異常強烈信號出現(xiàn)。根據(jù)地質(zhì)雷達信號傳輸原理判斷，各深度范圍介質(zhì)均勻分布，反映該路段路基結(jié)構(gòu)層次分明且連續(xù)、平行，因此無病害現(xiàn)象發(fā)生。

2)路基典型破碎段如圖3所示。從圖3中可以看出雷達圖形表現(xiàn)為較強信號波動且反射波呈錯斷狀，K677～K680段深度0.25 m～1 m范圍內(nèi)該現(xiàn)象較為嚴(yán)重，反映了路基結(jié)構(gòu)層次不分明，多處呈斷裂狀態(tài)，判斷為路基破碎路段。

3)路基典型沉降破壞段如圖4所示。從圖4中可以看出反射波被扭曲，反射界面起伏不平，K53～K61段路基結(jié)構(gòu)層與K65-K68正常段差異較大，路基結(jié)構(gòu)層整體呈下沉趨勢，經(jīng)判斷為路基不均勻沉降破壞。

4)路基典型脫空路段如圖5所示。從圖5中可以看出，K90.5～K93.0且深度0.5～1.0 m范圍雷達圖形顯示較為強烈，反射波連續(xù)性較差且反射能量較弱，在雷達圖形中反映出該處存在空洞現(xiàn)象，經(jīng)判斷為脫空。

圖2 無病害路段雷達截圖

圖3 路基典型破碎段

圖4 路基典型沉降破壞段

圖5 路基典型脫空路段

3.3探測結(jié)果

金湖大道檢測示意圖如圖6所示，青龍路檢測示意圖如圖7所示。

本次探測的測線布置：自南向北檢測，依次為①②③④號測線，每條測線長1.1 km，共計4.4 km。設(shè)定雷達檢測一次長度為1 km。每條測線分為2段數(shù)據(jù)，例如1-1:0～1 000 m，其中，編號中第1位阿拉伯?dāng)?shù)字表示測線，第2位阿拉伯?dāng)?shù)字表示分段。

圖6 金湖大道檢測示意圖

圖7 青龍路檢測示意圖

金湖大道探測結(jié)果見表1；青龍路1，2號測線探測結(jié)果見表2；青龍路3,4號測線探測結(jié)果見表3。

表1 金湖大道探測結(jié)果

表2 青龍路1,2號測線探測結(jié)果

續(xù)表

表3 青龍路3,4號測線探測結(jié)果

3.4檢測數(shù)據(jù)與實際情況對比分析

路面面層破壞往往是路基、地基發(fā)生病害的外觀表現(xiàn)，通過地質(zhì)雷達電磁波反饋信息分析路基內(nèi)部病害的深度及范圍，以期為市政公司進行后期維護提供參考。

多條路段探測到路基發(fā)生病害處路面均有所反映，金湖大道①號測線K0+591.75至K0+602.21段破碎段如圖8所示，金湖大道③號測線K0+592.18至K0+594.6段破碎段如圖9所示，由圖8～9可知，路面均發(fā)生了沉降破壞與破碎，表明了地質(zhì)雷達探測病害類型、位置的可信性。

圖8 金湖大道①號測線破碎段

圖9 金湖大道③號測線破碎段

根據(jù)雷達探測結(jié)果，將雷達數(shù)據(jù)按照不同道路以及各道路不同測線所統(tǒng)計病害情況整理分別如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 金湖大道不同類型病害長度統(tǒng)計

圖11 金湖大道各測線病害長度統(tǒng)計

圖12 青龍路不同類型病害長度統(tǒng)計

圖13 青龍路各測線病害長度統(tǒng)計

通過對青龍路及金湖大道道路路面實況觀察以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1)金湖大道路面狀況破壞較明顯，在車流量較多的地方明顯有開裂、沉降現(xiàn)象發(fā)生，病害長度達179.95 m，占總測線長度的4.08%。

2)青龍路路面狀況良好，病害長度為122.85 m,占總測線長度的1.4%，無明顯破損現(xiàn)象且道路保養(yǎng)較好。

3)金湖大道1號、2號測線病害長度分別為57.08 m、75.5 m，占總測線長度的6.64%，7.13%，相比較于3號、4號測線病害長度11.27 m及26.25 m較長，說明道路破損大多發(fā)生于外車道。主要原因為金湖大道道路兩側(cè)路口較多，車流量較大，長時間受到反復(fù)荷載作用，路面損傷加劇。

4)青龍路1號、2號測線病害長度分別為27.8 m、32.5 m，破壞程度較為接近。3號、4號測線病害長度分別為43.95 m、18.5 m ,整體較為平均，內(nèi)車道破損稍嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查，青龍路位于湖堤路段，道路施工時路基填料CBR值未達到設(shè)計要求且路基壓實度不足，因此該測線內(nèi)道路病害發(fā)生較多。

5)金湖大道病害大多為沉降及破碎病害，青龍路道路病害大多為破碎和脫空不密實，分別占總測線長度的3.28%,3.75%。

3.5道路病害成因分析

結(jié)合大冶市城區(qū)道路運營實際情況，城區(qū)道路致害因素主要體現(xiàn)在以下3方面：

1)路基沉陷是由于路基在垂直方向上產(chǎn)生較大的沉落或不均勻下陷而造成的局部路段損壞[9]。由于金湖大道國道車流量大，為交通要道，道路路面在大量高速行駛車輛以及大噸位車輛的不斷作用下，超載顯現(xiàn)有增無減，導(dǎo)致路基沉陷。另外由于降雨量、溫差、積雪等原因也使路堤產(chǎn)生不均勻沉降。在施工中由于填料選擇不當(dāng)、填筑方法不對、壓實度不足也使路基產(chǎn)生了沉降。

2)由于施工時基層材料級配不合理，不耐沖刷，穩(wěn)定性與防凍性較差易形成脫空。另外在行車荷載的作用下，由于水泥混凝土路面基層材料的剛度遠小于水泥混凝土路面的剛度，基層和面層對彎沉變形的恢復(fù)能力不同，從而導(dǎo)致面板在荷載離開后恢復(fù)原狀，但基層殘留部分變形無法恢復(fù)，這樣就造成了基層與路面板的脫離，最終形成脫空。

3)由于初期施工壓實密度不夠、后期反復(fù)重荷載作用及惡劣天氣影響，造成路基破碎，形成空洞異常的雷達圖形。

4 結(jié)論

1)金湖大道道路破損路段大多為路基沉降及破碎，病害嚴(yán)重路段有大面積開裂現(xiàn)象，據(jù)現(xiàn)場觀察，該路段處于大冶一中大門處，交通擁擠現(xiàn)象頻繁，加之超載時有發(fā)生，因此路面破損較嚴(yán)重。

2)青龍路段路況良好，這與道路設(shè)計用途及道路使用情況有關(guān)，該路段交通流量相比國道較少且超載現(xiàn)象發(fā)生相對國道少，因此道路沉降破損現(xiàn)象較少。

3)地質(zhì)雷達作為一種先進的原位無損檢測設(shè)備，可以應(yīng)用于道路病害探測中，通過合理選用屏蔽天線、采集參數(shù)的合理設(shè)置以及正確的數(shù)據(jù)后處理操作，地質(zhì)雷達能快速、準(zhǔn)確地檢測出路面結(jié)構(gòu)的厚度、病害長度、深度，為后期制定處治措施提供參考依據(jù)。

[1] 李吉富，楊林，楊曉華.某城市道路路基開裂和塌陷成因分析及處理方法研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2016(7):16-17.

[2] 肖敏，沈小克，賈輝，等.第七屆全國巖土工程實錄交流會特邀報告—城市道路地下病害無損探測技術(shù)研究與應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2016,30(2)：55-62.

[3] 趙煒.淺談水泥混凝土路面病害原因及防控措施[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2013(7)：154-156.

[4] 康富中，齊法琳，賀少輝，等.地質(zhì)雷達在昆侖山隧道病害檢測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(S2)：3641-3646.

[5] 劉憲明.探地雷達技術(shù)在高速公路檢測方面的應(yīng)用研究[J].山東交通科技，2016(3):115-117.

[6] 俞先江，馬圣昊，王正，等.探地雷達技術(shù)在國省干線公路早期病害防治中的應(yīng)用[J].公路，2015(8)：255-259.

[7] 尤志鑫.探地雷達地下淺層砂體和管道探測技術(shù)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[8] 王林杰，袁建議，代寧，等.探地雷達在道路檢測中的干擾信號分析[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報，2017,33(1)：35-40.

[9] 萬德臣，王春生，武鶴.路基路面工程[M].北京：高等教育出版社，2005:27-28.

Application of Ground Penetrating Radar in Detecting Disease in Urban Road

XueHaiyang1,2,YuanJianyi1,2*,GaoGao1,2,WuChangjun3,ZhouYi1,2,ChengJianhua2,WuZhenhua2

(1School of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang Hubei 443000;2School of Civil Engineering and Architecture,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3Daye Municipal Engineering Company,Daye Hubei 435100)

In order to comprehensively evaluate the current safety and reliability of the existing urban roads in Daye,geological radar was used for sample testing and data collection.The collected data sample was analyzed.At the same time,a comparison between radar detection results and actual road conditions was executed.Results showed that there were many types of diseases in Jinhu Avenue and the damaged length of Jinhu Avenue was 179.9 m,accounting for 4.08% of the total length,while the damaged length of Qinglong Road was 122.85 m,about 1.4% of the total length.The test results have certain reference value for the safety,management and maintenance of urban road.

urban road;disease;ground penetrating radar;reliability;disease cause

2017-05-12

湖北理工學(xué)院優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新團隊項目(項目編號13xtz03)；湖北理工學(xué)院校級科研重點項目(項目編號14xjz01A)。

薛海陽，碩士生。

*通訊作者：袁建議，教授，博士，研究方向:道路工程及現(xiàn)代巖土工程技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.009

U418.3

A

2095-4565(2017)05-0040-07

(責(zé)任編輯吳鴻霞)