孫文浩

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

0 引 言

目前我國處于運(yùn)營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)營期間，對路基可能出現(xiàn)的病害展開動態(tài)的、全面的檢測[2]，同時如何準(zhǔn)確判斷路基可能出現(xiàn)的病害，選擇經(jīng)濟(jì)可行的病害檢測技術(shù)也成為國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的公路路基病害檢測方法主要是鉆孔取芯法等，該法是隨機(jī)選點(diǎn)、鉆孔取樣，并開展室內(nèi)試驗(yàn)來獲取巖土體的各項(xiàng)物理力學(xué)，但其對施工干擾小、效率低、偶然性大、代表性差。隨著科技水平的日益成熟，無損檢測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在公路路基病害檢測中，可仍需進(jìn)一步完善，故探討無損檢測方法在路基病害檢測中的應(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 工程簡介

某一級公路工程全線28.8km，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，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段路基為研究對象展開路基病害及無損檢測分析。筆者根據(jù)地勘鉆探報告、現(xiàn)場荷載試驗(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)見表1。

表1 該一級公路主要工程技術(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。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。路基坍塌相對于一般病害而言，有快速性、突變性等特點(diǎn)，對行車安全危害較大。同時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、人工開挖及爆破等。

2 地質(zhì)雷達(dá)在路基塌方檢測中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)雷達(dá)路基探測基本原理

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)一般包括一個發(fā)射天線，一個接收天線，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(如地層與病害的界面處)，電磁波會發(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，其波幅、波速等會隨著介質(zhì)介電常數(shù)或電導(dǎo)率的變化而變化。與此同時，在電磁波的時域曲線上能夠得到發(fā)射波和反射波的運(yùn)行時間(雙程走時)，取高頻電磁波雙程走時的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)路基探測基本原理

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測頻率選擇及測線布置

2.2.1 天線頻率選擇

相關(guān)學(xué)者研究表明[4]，頻率為100MHz的天線探測深度有8～14m，頻率為300MHz的天線探測深度僅僅2～3m。上述現(xiàn)象表明，地質(zhì)雷達(dá)天線的工作頻率越高，波長越小，探測距離越近，分辨率越高。此外，地質(zhì)雷達(dá)的探測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的天線來探測路基塌方病害。

2.2.2 測線布置

由于該段路基通車運(yùn)營，在布設(shè)測點(diǎn)時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。為了探測處路基邊坡坍塌對路基的影響寬度、路面下巖層破碎等，在ZK2+330附近的車道外測每隔3布設(shè)一個測點(diǎn)，共布置10個測點(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等軟件來處理。在分析脈沖波形圖之前，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，還必須通過調(diào)整增益的方式來抑制雜波出現(xiàn)，并使用專業(yè)的濾波工具對探測數(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中的應(yīng)用

3.1 高密度電阻率法探測基本原理

高密度電阻率法是在地下被探測體與周圍介質(zhì)之間的電性存在差異性的基礎(chǔ)上來建立直流電場，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，最終查明可能存在的路基病害。使用高密度電阻率法來檢測路基滑坡厚度時要遵循以下幾項(xiàng)原則：第一，測量點(diǎn)距必須按照所探測滑坡的范圍來確定；第二，在觀測裝置沿測線移動過程中，每次移動的距離應(yīng)當(dāng)在勘探范圍內(nèi)是連續(xù)的；第三，數(shù)據(jù)測量時應(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 探測設(shè)備選型

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

圖2 高密度電阻率測量系統(tǒng)面板

3.2.2 探測方案

在探測設(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、滑移范圍等來確定高密度電阻率法檢測技術(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，其檢測步驟如下：高密度電阻率測量系統(tǒng)調(diào)教歸零→確定檢測斷面→布置測線(應(yīng)采用多電極排列檢測同一測線)→檢測路基滑坡厚度和滑移范圍→數(shù)據(jù)處理→結(jié)合鉆孔取芯法對比分析。

4 結(jié)論

本位依托某一級公路項(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中的應(yīng)用，主要得到了以下幾個方面的結(jié)論：

(1)無損檢測技術(shù)具有對施工干擾小、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中應(yīng)用。

(2)路基常見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，波長越小，探測距離越近，分辨率越高，而高密度電阻率法是在地下被探測體與周圍介質(zhì)之間的電性存在差異性的基礎(chǔ)上來建立直流電場來檢測可能存在的路基病害。