公路路基病害的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

孫文浩

(東營(yíng)市公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

0 引 言

目前我國(guó)處于運(yùn)營(yíng)期的公路工程由于受到設(shè)計(jì)理念或施工技術(shù)等方面的限制，再遭遇降雨、溫度變化等自然環(huán)境的影響可能存在滑坡、坍塌等[1]。為了提高公路工程的建設(shè)水平、加強(qiáng)公路服務(wù)水平、確保其功能滿足交通運(yùn)輸需要，應(yīng)當(dāng)在公路施工及運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)路基可能出現(xiàn)的病害展開(kāi)動(dòng)態(tài)的、全面的檢測(cè)[2]，同時(shí)如何準(zhǔn)確判斷路基可能出現(xiàn)的病害，選擇經(jīng)濟(jì)可行的病害檢測(cè)技術(shù)也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的公路路基病害檢測(cè)方法主要是鉆孔取芯法等，該法是隨機(jī)選點(diǎn)、鉆孔取樣，并開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)獲取巖土體的各項(xiàng)物理力學(xué)，但其對(duì)施工干擾小、效率低、偶然性大、代表性差。隨著科技水平的日益成熟，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在公路路基病害檢測(cè)中，可仍需進(jìn)一步完善，故探討無(wú)損檢測(cè)方法在路基病害檢測(cè)中的應(yīng)用可以為類似工程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 依托項(xiàng)目概況及病害分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

某一級(jí)公路工程全線28.8km，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，沿線出現(xiàn)大量邊坡。本文以ZK2+289～ZK2+535段路基為研究對(duì)象展開(kāi)路基病害及無(wú)損檢測(cè)分析。筆者根據(jù)地勘鉆探報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)等提供的數(shù)據(jù)，將該段路基邊坡土體共分為3層，其地基土為基巖，中間土層為中風(fēng)化砂巖，上層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，且層存在30cm厚的人工雜填土，其主要工程技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 該一級(jí)公路主要工程技術(shù)指標(biāo)

1.2 路基病害及原因

公路路基在土體自重、反復(fù)車輛荷載及不利自然環(huán)境等影響下，容易出現(xiàn)路基沉降，從而影響路基高程和邊坡坡度，并最終可能導(dǎo)致土體沉陷、坍塌或滑移，使得路基出現(xiàn)失穩(wěn)破壞穩(wěn)定性[3]。

1.2.1 路基沉陷

公路路基沉陷指的是路基表面豎向位移較大，使得地基土出現(xiàn)下沉并向兩側(cè)擠壓所引起的路基不均勻沉陷現(xiàn)象。出現(xiàn)這種病害的原因在于：

(1) 路基填料或壓實(shí)方法選取不當(dāng)。

(2) 路基分層壓實(shí)厚度不合理、不同填料混合壓實(shí)、含水量控制不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е侣坊鶋簩?shí)效果不佳，壓實(shí)度達(dá)不到規(guī)范要求。

(3) 公路路基施工期間排水設(shè)施處理不當(dāng)，出現(xiàn)積水現(xiàn)象。

1.2.2 滑坡

公路路基滑坡指的是路基邊坡巖土體在重力作用下，沿著某一軟弱帶整體向下滑動(dòng)。產(chǎn)生路基滑坡的原因分為內(nèi)在因素和外在因素兩大類，前者包括土體填料性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等，后者包括降雨、溫度變化、人類活動(dòng)等。

1.2.3 坍塌

公路路基坍塌指的是路塹邊坡在各種不利荷載作用下，巖土體發(fā)生崩塌并墜落的現(xiàn)象。路基坍塌相對(duì)于一般病害而言，有快速性、突變性等特點(diǎn)，對(duì)行車安全危害較大。同時(shí)形成公路路基坍塌的原因主要有坡度較大(55°以上)、降雨、地震、人工開(kāi)挖及爆破等。

2 地質(zhì)雷達(dá)在路基塌方檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)雷達(dá)路基探測(cè)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用超高頻脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播規(guī)律的一種廣譜電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)一般包括一個(gè)發(fā)射天線，一個(gè)接收天線，如圖1所示。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射出的高頻電磁波周圍巖土體或地層的介電常數(shù)或電導(dǎo)率差異性較大時(shí)(如地層與病害的界面處)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，反射回的電磁波進(jìn)而被接收天線接收。高頻電磁波在地層中傳播時(shí)，其波幅、波速等會(huì)隨著介質(zhì)介電常數(shù)或電導(dǎo)率的變化而變化。與此同時(shí)，在電磁波的時(shí)域曲線上能夠得到發(fā)射波和反射波的運(yùn)行時(shí)間(雙程走時(shí))，取高頻電磁波雙程走時(shí)的1/2和相應(yīng)介質(zhì)中電磁波傳播速度的乘積就能夠算出路基病害所處的空間位置。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)路基探測(cè)基本原理

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)頻率選擇及測(cè)線布置

2.2.1 天線頻率選擇

相關(guān)學(xué)者研究表明[4]，頻率為100MHz的天線探測(cè)深度有8～14m，頻率為300MHz的天線探測(cè)深度僅僅2～3m。上述現(xiàn)象表明，地質(zhì)雷達(dá)天線的工作頻率越高，波長(zhǎng)越小，探測(cè)距離越近，分辨率越高。此外，地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度還和地層的衰減系數(shù)、接收器靈敏度、發(fā)射器功率、增益大小等參數(shù)密切相關(guān)。該根據(jù)該公路項(xiàng)目路基的回填高度及可能塌方地段的實(shí)際情況，筆者選擇使用100MHz的天線來(lái)探測(cè)路基塌方病害。

2.2.2 測(cè)線布置

由于該段路基通車運(yùn)營(yíng)，在布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)要盡量沿著公路縱向。若必須布置在橫斷面，應(yīng)當(dāng)設(shè)置警示標(biāo)志，以免影響正常交通。本段路基出現(xiàn)的坍塌的部位在ZK2+330附近，坍塌后路基邊坡坡度增大，使得路面產(chǎn)生輕微裂紋。為了探測(cè)處路基邊坡坍塌對(duì)路基的影響寬度、路面下巖層破碎等，在ZK2+330附近的車道外測(cè)每隔3布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是分析脈沖波形圖，可以采用IDSP等軟件來(lái)處理。在分析脈沖波形圖之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，還必須通過(guò)調(diào)整增益的方式來(lái)抑制雜波出現(xiàn)，并使用專業(yè)的濾波工具對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)中的高頻波段突出顯示。

3 高密度電阻率法在路基滑坡厚度檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 高密度電阻率法探測(cè)基本原理

高密度電阻率法是在地下被探測(cè)體與周圍介質(zhì)之間的電性存在差異性的基礎(chǔ)上來(lái)建立直流電場(chǎng)，并按照預(yù)先布設(shè)的電極進(jìn)行掃描，得到地下一定范圍內(nèi)的空間電阻率變化趨勢(shì)，最終查明可能存在的路基病害。使用高密度電阻率法來(lái)檢測(cè)路基滑坡厚度時(shí)要遵循以下幾項(xiàng)原則：第一，測(cè)量點(diǎn)距必須按照所探測(cè)滑坡的范圍來(lái)確定；第二，在觀測(cè)裝置沿測(cè)線移動(dòng)過(guò)程中，每次移動(dòng)的距離應(yīng)當(dāng)在勘探范圍內(nèi)是連續(xù)的；第三，數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)應(yīng)當(dāng)采用正負(fù)交替的供電方式。

3.2 高密度電阻率法的應(yīng)用

3.2.1 探測(cè)設(shè)備選型

不同探測(cè)設(shè)備對(duì)地質(zhì)體的敏感程度各有差異，溫納四級(jí)分辨能力不佳，而偶極、微分分辨能力較高；同時(shí)如果地形起伏大，溫納四級(jí)影響不大。故筆者用高密度電阻率法探測(cè)路基滑坡厚度時(shí)采用的儀器是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示。該測(cè)量系統(tǒng)以數(shù)字直流激電儀為測(cè)控主機(jī)，并搭配了多路電極轉(zhuǎn)換器。

圖2 高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)面板

3.2.2 探測(cè)方案

在探測(cè)設(shè)備選型完成后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)路基滑坡體覆蓋層的幾何特征、滑移范圍等來(lái)確定高密度電阻率法檢測(cè)技術(shù)方案。筆者選擇ZK2+330里程附近的滑坡段進(jìn)行滑坡病害檢測(cè)，其檢測(cè)步驟如下：高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)調(diào)教歸零→確定檢測(cè)斷面→布置測(cè)線(應(yīng)采用多電極排列檢測(cè)同一測(cè)線)→檢測(cè)路基滑坡厚度和滑移范圍→數(shù)據(jù)處理→結(jié)合鉆孔取芯法對(duì)比分析。

4 結(jié)論

本位依托某一級(jí)公路項(xiàng)目的ZK2+289～ZK2+535段路基，深入研究了路基病害及成因、地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電阻率法在路基病害檢測(cè)中的應(yīng)用，主要得到了以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

(1)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有對(duì)施工干擾小、作業(yè)效率高、便利性好、高精度等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸在公路路基病害檢測(cè)中應(yīng)用。

(2)路基常見(jiàn)病害主要有路面沉陷、邊坡坍塌及滑坡等。

(3)地質(zhì)雷達(dá)路基探測(cè)基本原理是利用電磁波的傳播，且地質(zhì)雷達(dá)天線的工作頻率越高，波長(zhǎng)越小，探測(cè)距離越近，分辨率越高，而高密度電阻率法是在地下被探測(cè)體與周圍介質(zhì)之間的電性存在差異性的基礎(chǔ)上來(lái)建立直流電場(chǎng)來(lái)檢測(cè)可能存在的路基病害。