摘要：随着国家对道路交通等基础设施建设的投入加大,近几年我国道路建设规模和速度都达到世界第一。我国高等级公路建设突飞猛进,高速公路的通车里程已跃居世界第二,城市道路建设也日新月异。然而由于道路建设工期安排不合理、施工质量欠佳、道路沿线地质条件复杂、公路选线不合理等多种原因,道路路面或路基发生病害的路段也大范围产生,因此道路路基质量检测越来越受到建设方、监理方和设计人员的重视。
关键词：探地雷达；检测道路；路基病害；应用分析
1引言
探测道路路基病害的方法主要是钻孔或开挖,即在路面上钻孔取芯进行探测,该法最大的优点是直观,但其缺点也很明显:①对路面具有一定的破坏性;②只能以点代面、检测精度较低,无法准确确定病害的形态和分布范围,不能全面评价路基质量;③检测速度慢,周期长,费时费力。而用探地雷达技术对道路路基病害进行探测则具备传统方法无法实现的优质高效的特点,如:①不破坏路面;②具有很高的分辨率,检测质量可靠;③快速移动、快速采样和实时显示等,工作效率高。
2探地雷达探测路基病害的原理
探地雷达又称地质雷达，工作原理是由发射天线向地下发射高频脉冲雷达波(电磁波，1MHz～1GHz)，其传播路径、电磁场强度和波形等传播特性随着通过介质的电性和几何形态的变化而变化。雷达主机对反射波进行适时接收，将采集到的信息数据处理后，形成雷达回波波形信息，再由技术人员根据波形的特征进行波幅、波长、波形及同相轴等分析，形成图像解释成果，以确定地下界面、地质体空间位置和结构特性等[1]。见图1.
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图1探地雷达的探测示意图
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图2土体疏松的雷达图像
目前道路路基病害探测常通过雷达测线剖面图和雷达单道波形图两种图像进行分析。雷达测线剖面图是由原始雷达测线剖面图进行数据处理后形成的“雷达测线位置－雷达波双程走时”图像，利用雷达波的同向性，根据波形特征的变化等规律进行病害图像识别。雷达单道波形图为测点的“时间－振幅(也表示雷达波能量的强弱)”图像，通过反射点的振幅、相位、波形、波长等特征，以及同相邻点的波形图分析比较，找出病害的深度范围[2]。
3探地雷达在检测道路路基工作方法和技术
探地雷达通过各种频率的天线向地下发射十几MHz～几千MHz的高频电磁波。根据要探测的对象和深度选择不同的天线或天线组合:如果探测深处目标体,通常使用频率较低的天线;如果需要探测浅处目标体,通常使用频率较高的天线,以获得很高的分辨率。理论研究表明,探地雷达的垂直分辨率可以达到λ/4(λ为电磁波在地层中传播的波长)。
例如,当地层电磁波速v=0.1m/ns(相对介电常数ε=9)时,400MHz天线的子波波长λ=0.25m,可分辨的最薄地层的厚度为0.06m,如果采用900MHz天线探测,则可分辨的最薄地层的厚度为3cm,所以我们不仅可以利用900MHz以上高频雷达天线来探测公路路面沥青层的厚度,而且也可以将低于100MHz的雷达天线来探测路基岩土层的结构、路基病害,进行公路路基质量的检测。
在道路路基病害检测中一般使用100～900MHz的屏蔽天线,但在探测埋深较大(大于20m)的溶洞或地下采空区时,则常常使用十几～几十MHz的棍状组合天线(MLF)。雷达测线布设一般沿公路路面进行,线距和点距要视工程性质和探测对象的几何形态而定。实际探测中根据现场测试信号质量,合理选择时窗、增益的大小和叠加次数,以消除各种电磁干扰,获得较好的测试效果。
4探地雷达在检测道路路基病害检测实际应用
4.1检测段公路路面结构设计情况及探测测线的布置
例如该段公路路基为填方路基，填方底部有0.8m片石垫层及0.2m碎石垫层处治。现在填方段存在多条纵向裂缝，为了探明是填方质量问题还是地下存在溶洞，在被检测路面里程为K0+210－420的这段公路路面上分别布置6条纵向连续测线(测线1－6)，路侧边布置一条纵向测线(测线7)，横向布置2条测线(测线8－9)。
4.2探地雷达天线及参数选
择在路面厚度检测过程中探地雷达天线选取时，既要考虑路面检测深度的要求，更要考虑路面检测精度的要求。在本次路面厚度检测中，由于要探测地下是否存在岩溶状况，故在选取探地雷达天线时，选用MALA公司生产的探地雷达系统100MHz低频屏蔽天线，采样时窗大小设为300ns，采用自动增益大小进行检测，来满足本次检测的目的。
4.3探地雷达工作过程、资料处理及检测结果
地质雷达检测是基于电磁波遇到不同反射界面时其反射振幅、频率和相位的变化来判断前方传播介质的变化。地质雷达所发射的电磁波在穿透它们时会产生不同频率、振幅、相位的反射波，研究它们的变化规律，并据此分析采集到的雷达图像在不同部位的频率、振幅、相位变化等情况，就可以判定回填土的密实程度等各种不同的实际情况。
5道路路基病害的雷达探测图像分析
5.1土体疏松的雷达图像分析
在因道路路基开挖而导致疏松的土体中，土体孔隙率高，且充满空气。由于空气的介电常数要比土颗粒的介电常数低，所以疏松土体的平均介电常数比正常土体低，这为探地雷达探测土体疏松创造了前提条件。
根据反射波的同相轴、波形、振幅和频率等特征可以在雷达测线剖面图或单道波形图上进行土体疏松的雷达图像解释。图2为典型的土体疏松的雷达测线剖面图，横轴为沿测线方向的位置，竖轴为地下深度，土体疏松区域位于图像左侧白色方框内。见图2.
分析图像可知土体疏松区域与周围正常土体的雷达图像相比存在明显差异，具体表现为反射波形较多且杂乱无章，同相轴表现为不连续、畸变、明显错位和缺失等特征。
5.2土体脱空的雷达图像分析
道路路基开挖引起土体脱空的充填物主要由空气或水组成，空气和水的介电常数与土颗粒的介电常数相差较大，为探地雷达探测土体脱空提供了前提条件。同理于土体疏松的图像解释，根据反射波组的同相轴、波形、振幅和频率等特征可以在雷达测线剖面图或单道波形图上进行土体脱空的雷达上解释。见图3。
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图4土体滑移的雷达图像
5.3土体滑移的雷达图像分析
土体发生滑移时，土层之间的内在联系受到破坏，滑动面上含水率增加、土层发生错动、土体的孔隙率增大等特征会导致土体介电常数发生很大变化，雷达探测时会形成一个电磁波反射界面，这为探地雷达探测土体滑移提供了前提条件。见图4.
6结语
综上所述，路基的各种病害在探地雷达图像中具有明显特征和规律。采用探地雷达技术对公路路基质量进行质量检测,不仅无须破坏公路路面、实现真正意义的“无损”检测,而且能够快速准确地圈定公路路基病害范围,查找出公路产生病害的根本原因,为公路病害的治理和修复提供依据。因此,探地雷达技术是进行公路路基质量检测的最理想的地球物理方法。
参考文献
[1]邵雁.SIＲ－10H探地雷达在建筑工程中的应用.矿业安全与环保，2001，(增刊):144－145.
[2]邓春为，徐宏武，邵雁.探地雷达在公路路面厚度检测中的应用.重庆交通学院学报，2005，5(24):39－41.
论文作者:曹怀兵
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/20
标签：路基论文; 病害论文; 天线论文; 图像论文; 路面论文; 波形论文; 道路论文; 《基层建设》2019年第31期论文;