林有貴　周德存　易強(qiáng)　農(nóng)彬藝

摘要：文章以科研項(xiàng)目路面基層注漿加固試驗(yàn)路為依托，采用3種無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)注漿加固前后的基層進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，并取芯驗(yàn)證。結(jié)果表明：注漿前后，2D地質(zhì)雷達(dá)同軸圖像、高頻彈性波反射波法的主頻幅值和瞬態(tài)面波法的剪切波速度等的變化明顯，其中地質(zhì)雷達(dá)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面注漿加固效果的定性描述，后兩者可作為半定量評(píng)價(jià)，而瞬態(tài)面波法的剪切波波速對(duì)路面結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況變化更敏感。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè);路面基層;注漿加固;質(zhì)量評(píng)價(jià)

0 引言

注漿是處治半剛性基層松散、脫空等病害的常用措施。探測(cè)注漿前后路面基層結(jié)構(gòu)的變化，真實(shí)客觀地評(píng)價(jià)注漿加固效果，對(duì)完善路面注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有重要意義。

鉆芯是路面結(jié)構(gòu)層病害檢測(cè)的傳統(tǒng)手段，但是具有隨機(jī)性和代表性不足等局限性，而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于路面隱性病害探測(cè)受到越來(lái)越多的關(guān)注。一些科研機(jī)構(gòu)先后利用探地雷達(dá)檢測(cè)路面基層病害，建立異常雷達(dá)圖像定性圖譜與路面結(jié)構(gòu)層可能存在的缺陷間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)傳統(tǒng)的方法進(jìn)行驗(yàn)證[1-2]。尹梓安對(duì)彈性波在路面材料中的傳播特性進(jìn)行模擬，基于模擬結(jié)果對(duì)路面壓實(shí)度、裂縫和厚度進(jìn)行分析，論證了彈性波在路面質(zhì)量檢測(cè)中的可能性[3]。呂守航分析不同脫空狀態(tài)下彈性波的傳播規(guī)律及面波頻散曲線特征、確定路面基層脫空范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面基層脫空的定性識(shí)別和定量評(píng)價(jià)[4]。1983年美國(guó)Texas大學(xué)S Nazarian等[5]提出的Spectral Analysis of Surface Wave Method 簡(jiǎn)稱SASW方法即瞬態(tài)面波法，用于確定土層和路面彈性模量。我國(guó)于20世紀(jì)80年代中期引入日本VIC公司研發(fā)的GR810穩(wěn)態(tài)面波勘探機(jī)，隨后瞬態(tài)面波檢測(cè)方法在我國(guó)得到快速發(fā)展[6]。1996年劉云禎[7]系統(tǒng)地闡述瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。李杰生[8]采用多道瞬態(tài)面波測(cè)試路基的頻散特性，通過(guò)反演路基的面波頻散特性來(lái)評(píng)價(jià)路基的力學(xué)性能。張獻(xiàn)民[9]根據(jù)路基加固處理前后，瞬態(tài)面波剪切波速的變化，反演路基剪切波速值，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基加固效果的評(píng)價(jià)。吳得勝等[10]利用瞬態(tài)面波法評(píng)價(jià)滬昆鐵路貴州段巖溶路基注漿加固效果。任新紅[11]研究南廣鐵路典型地質(zhì)斷面注漿前后瑞雷波波速傳播特征、地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特征及頻散曲線變化特征，對(duì)瞬態(tài)面波法注漿效果檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。可見(jiàn)目前高頻彈性波法、瞬態(tài)面波法僅用于探測(cè)路基缺陷，且適用于探測(cè)缺陷尺寸較大的路基，尚未用于小尺寸缺陷或小尺寸嵌入物的路面檢測(cè)。

目前瀝青路面基層注漿加固施工驗(yàn)收時(shí)，一般采用取芯法觀察其完整性，檢測(cè)彎沉評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升情況[12-13]。雖然鉆芯法直觀，但數(shù)量終究有限且損害路面結(jié)構(gòu)，而彎沉檢測(cè)也屬于間接評(píng)價(jià)，因此基層注漿施工驗(yàn)收急需可連續(xù)檢測(cè)或可實(shí)施大量測(cè)點(diǎn)的無(wú)損檢測(cè)法。本研究以在役瀝青路面基層地聚合物注漿科研項(xiàng)目的試驗(yàn)路工程為依托，采用2D地質(zhì)雷達(dá)、極小偏移距高頻彈性波反射波法、瞬態(tài)面波法等3種無(wú)損檢測(cè)方法，進(jìn)行注漿前后檢測(cè)，對(duì)比檢測(cè)參數(shù)變化來(lái)評(píng)價(jià)注漿效果，并通過(guò)鉆芯、落錘式彎沉儀等常規(guī)檢測(cè)方法，分析驗(yàn)證3種無(wú)損檢測(cè)方法評(píng)價(jià)注漿處治效果的適用性。作為對(duì)比，同時(shí)檢測(cè)了與注漿段相鄰的未注漿段。本研究成果豐富了基層病害及注漿加固質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)路概況

基層注漿加固試驗(yàn)路位于廣西百色至羅村口高速公路下行線K800～K801（2019年3月后，樁號(hào)改為K805～K806），長(zhǎng)1 000 m，路面結(jié)構(gòu)為15 cm瀝青混凝土+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm低劑量水泥（2%）級(jí)配碎石底基層+土基，其中，水穩(wěn)碎石基層分2層施工。試驗(yàn)路實(shí)施情況詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14-15]。該高速公路于2006年1月建成通車，基層注漿試驗(yàn)路施工期為2018-11-27至2019-01-07。注漿目的是固結(jié)松散碎石和填充層底脫空。僅進(jìn)行行車道注漿，注漿孔縱向間距為1.2 m，橫向分別在左右輪跡帶、輪跡帶中間鉆孔3個(gè)?；鶎幼{施工前進(jìn)行鉆芯、FWD和病害調(diào)查檢測(cè)。19個(gè)鉆芯結(jié)果表明：大部分芯樣上下水穩(wěn)層層間、下水穩(wěn)層與級(jí)配碎石層層間存在松散夾層，F(xiàn)WD荷載中心彎沉較大，2016年10月罩面前原路面主要病害為橫向裂縫。注漿孔直徑為3.8 cm，深65 cm，水鉆，注漿孔進(jìn)入級(jí)配碎石底基層10 cm。注漿前FWD荷載中心代表彎沉為17.6（0.01 mm），注漿8 d后為7.7（0.01 mm），代表彎沉降低為注漿前的0.44倍。注漿后鉆芯發(fā)現(xiàn)松散碎石得以固結(jié)、層間脫空得以填充，基層整體密實(shí)度大幅提高[14-15]。注漿后漿體在有松散夾層的上下水穩(wěn)層之間凝結(jié)形成水泥石，上下水穩(wěn)層之間通過(guò)凝結(jié)的水泥石粘結(jié)成為一個(gè)整體，松散夾層得到有效固結(jié)，路面強(qiáng)度得到顯著提高。

2 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在介電常數(shù)存在差異的兩種介質(zhì)界面上將會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。反射和透射現(xiàn)象符合反射定律和透射定律[16]，反射波和透射波能量的大小取決于反射系數(shù)

當(dāng)電磁波傳播到介電常數(shù)存在差異的兩個(gè)界面上時(shí)，其反射回來(lái)的電磁波能量、相位將會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)中存在不密實(shí)、局部脫空等缺陷時(shí)，該區(qū)域與周圍介質(zhì)會(huì)存在明顯的介電常數(shù)差異，這為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)提供了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

采用自有的二維Mala地質(zhì)雷達(dá)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。注漿前后，分別使用800 MHz、1 200 MH雷達(dá)天線頻率開(kāi)展檢測(cè)。圖1為注漿前后800 MHz天線雷達(dá)檢測(cè)時(shí)間剖面對(duì)比圖。

從圖1可見(jiàn)，注漿前：上基層底界面（深約35 cm），950～960 m段、983～990 m段雷達(dá)反射波同相軸紊亂、錯(cuò)斷、下沉，表明該深度附近存在松散、軟弱段等缺陷;964～970 m段、975～981 m段，界面雷達(dá)反射信號(hào)相對(duì)增強(qiáng)，反射波形畸變，表明界面處存在脫空或松散夾層。其余地段，層間雷達(dá)反射信號(hào)較均勻，層厚變化小，無(wú)脫空、不密實(shí)等缺陷跡象。上述檢測(cè)判斷結(jié)果與鉆芯檢查、內(nèi)窺鏡觀察注漿孔結(jié)果相吻合。

注漿后：920～1 000 m注漿段，形成較明顯的漿液固結(jié)密實(shí)層，該密實(shí)層與其兩邊介質(zhì)介電常數(shù)差異大，反射系數(shù)增大，雷達(dá)反射波參量增強(qiáng)，透射波能量減少。因此，注漿后在上基層底界面（深約35 cm）產(chǎn)生的雷達(dá)反射波信號(hào)增強(qiáng)，反射波同相軸連續(xù)，該界面以下接收到的反射信號(hào)減弱。雷達(dá)剖面圖上表現(xiàn)，注漿后上基層底界面附近雷達(dá)反射波同相軸變得更明顯，該界面以下觀測(cè)到反射信號(hào)減弱，下基層底界面反射波同相軸信號(hào)不清晰，甚至在上基層底界面雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)反射區(qū)段無(wú)法觀測(cè)到下基層底界面的反射波信號(hào)。

3 極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測(cè)

3.1 基本原理

彈性波垂直反射法是反射法中的一種特殊形式，它以極小偏移距（發(fā)射與接收間的距離趨于零）的方式在物體表面激發(fā)彈性波脈沖信號(hào)，彈性波在傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到介質(zhì)分層界面、脫空、松散層等引起波阻抗的變化時(shí)，將產(chǎn)生反射信號(hào)被接收換能器接收，根據(jù)反射信息中的相位、振幅、頻率等變化特征進(jìn)行綜合分析，即可進(jìn)行相應(yīng)的推斷解釋。

在路面上點(diǎn)源瞬態(tài)激振產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)中，包含R波、P波、S波，這些彈性波在路面介質(zhì)中傳播時(shí)，傳感器接收到的信號(hào)波形是由直達(dá)波、反射波疊加而成的。當(dāng)路面內(nèi)部出現(xiàn)松散和脫空現(xiàn)象時(shí)，在表面激振時(shí)，接收到的彈性波信號(hào)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。圖2、圖3分別是無(wú)缺陷路面、含脫空松散等缺陷路面的傳感器接收的時(shí)域信號(hào)及其頻譜圖。分析顯示，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷時(shí)，接收的振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)高頻特性，頻幅較大（圖2主頻1 466 Hz）;當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層存在脫空、松散現(xiàn)象時(shí)，接收的振動(dòng)信號(hào)將呈現(xiàn)相對(duì)低頻特性，且頻幅較?。▓D3主頻977 Hz），衰減相對(duì)較慢。脫空松散缺陷路面經(jīng)注漿處理后，路基結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度提高，接收的振動(dòng)信號(hào)將趨于高頻特性，頻幅增大。

3.2 結(jié)果分析

極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m，人工錘擊路面得到彈性波?，F(xiàn)場(chǎng)分別采集振動(dòng)信號(hào)讀取的主頻，注漿前后主頻率變化曲線見(jiàn)圖4。從主頻變化曲線圖可見(jiàn)：

（1）注漿前，采集振動(dòng)信號(hào)主頻的變化曲線在950～960 m段、964～970 m段、975～981 m段、983～990 m等4段，主頻率為1 000 Hz左右，呈相對(duì)低頻特征，而920～950 m段主頻率較高，為1 300 Hz左右，表明前4段的基層缺陷比920～950 m段嚴(yán)重。施工鉆孔的內(nèi)窺鏡觀察表明，前4段松散、空隙大，注漿后鉆芯發(fā)現(xiàn)該4段的漿液結(jié)石層較厚，驗(yàn)證了這一論斷。

（2）注漿后，振動(dòng)信號(hào)主頻明顯提高，尤其是950～990 m段（存在嚴(yán)重松散、脫空缺陷段），注漿后主頻率顯著增大，主頻率達(dá)到1 200 Hz左右，而注漿前主頻率僅為1 000 Hz左右。表明該路段原存在的松散脫空缺陷得到有效固結(jié)填充，基層密實(shí)度顯著提高。

（3）1 000～1 020 m為未注漿路段，信號(hào)主頻基本沒(méi)有變化，這與實(shí)際情況相符合。

4 瞬態(tài)面波法檢測(cè)

瞬態(tài)面波法的物理前提是根據(jù)測(cè)量瑞雷波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異，確定各個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的介質(zhì)特性。路面瞬態(tài)激振信號(hào)中含有豐富的信息，通過(guò)處理檢波器采集的信號(hào)，可得到各測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，頻散曲線經(jīng)過(guò)擬合分析得瑞雷波波速（或轉(zhuǎn)換成剪切波波速）深度變化范圍。波速的變化趨勢(shì)和形狀反映路面結(jié)構(gòu)的密實(shí)狀態(tài)。

瞬態(tài)面波法檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)采集裝置排列4個(gè)檢波器，檢波器間距為0.5 m，用錘子敲擊地面產(chǎn)生的垂直脈沖信號(hào)作為震源，震源距第1個(gè)檢測(cè)波0.5 m。測(cè)線每間隔5 m采集一個(gè)面波點(diǎn)。經(jīng)對(duì)采集的面波點(diǎn)波列圖進(jìn)行處理和速度擬合分析，可得到各測(cè)點(diǎn)在深度0.3～0.6 m（包含了上下水穩(wěn)基層）范圍內(nèi)的剪切波速度，計(jì)算統(tǒng)計(jì)注漿前后各點(diǎn)的剪切波速，圖5為注漿前后剪切波速度變化曲線。從圖5可見(jiàn)：

（1）注漿前，920～950 m段的剪切波波速平均約為650 m/s，而950～1 000 m段僅約為45 m/s左右，表明后者基層存在更嚴(yán)重的松散脫空等缺陷，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)窺鏡觀測(cè)支持這一判斷。

（2）注漿后，全注漿段920～1 000 m的剪切波波速均顯著提高，平均提高21.0%，表明原存在的嚴(yán)重松散脫空等病害，經(jīng)注漿后松散碎石和脫空得以固結(jié)填充，基層密實(shí)性和均勻性得到顯著提高。這一判定與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯結(jié)果一致。

（3）1 000～1 020 m段長(zhǎng)20 m，未進(jìn)行基層注漿，2次瞬態(tài)面波法檢測(cè)的剪切波波速基本無(wú)變化。應(yīng)該指出，施工時(shí)在樁號(hào)1 000 m測(cè)點(diǎn)處鉆孔注漿，漿液會(huì)滲入樁號(hào)1 000～1 005 m段，從圖5可見(jiàn)該段注漿后該段波速也有提高，可見(jiàn)瞬態(tài)面波法檢測(cè)的剪切波速對(duì)基層密實(shí)狀況變化敏感。而高頻彈性波法在1 000～1 005 m段的主頻無(wú)變化（見(jiàn)圖4）。

可見(jiàn)，瞬態(tài)面波法檢測(cè)得到的判斷與檢測(cè)極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測(cè)的一致。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比以上3種無(wú)損檢測(cè)結(jié)果可知：在920～950 m段，注漿前后，極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測(cè)的主頻變化幅度小，而瞬態(tài)面波法檢測(cè)的剪切波波速變化顯著。施工時(shí)在樁號(hào)1 000 m測(cè)點(diǎn)處鉆孔注漿，漿液滲入1 000～1 005 m段，注漿前后，瞬態(tài)面波法的剪切波波速變化明顯，而極小偏移距高頻彈性波法檢測(cè)的主頻基本無(wú)變化?？梢?jiàn)，瞬態(tài)面波法的剪切波波速對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀況變化更敏感，更適合用于路面結(jié)構(gòu)層注漿前后檢測(cè)評(píng)價(jià)。

從圖4、圖5還可看出，極小偏移距高頻彈性波法和瞬態(tài)面波法均判定：路段920～950 m的路面基層缺陷輕于路段950～1 000 m段?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔的內(nèi)窺鏡觀測(cè)結(jié)果支持這一判定。

2D地質(zhì)雷達(dá)法的圖像較難探測(cè)注漿前路面結(jié)構(gòu)層的松散、脫空等缺陷，需依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷。注漿前后地質(zhì)雷達(dá)的同軸圖像變化較明顯，顯示了注漿后的基層內(nèi)部密實(shí)度變化，可定性評(píng)價(jià)注漿效果，作為基層注漿加固驗(yàn)收的輔助方法。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合對(duì)比2D地質(zhì)雷達(dá)法、極小偏移距高頻彈性波法反射波法和瞬態(tài)面波法等3種無(wú)損方法檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)鉆芯驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）瞬態(tài)面波法檢測(cè)的剪切波波速對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀況變化敏感，可用于探測(cè)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部缺陷，通過(guò)對(duì)比各段的剪切波速可判定缺陷輕重程度，而通過(guò)對(duì)比注漿前后波速變化可半定量評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量，即該法可用于路面基層注漿效果檢測(cè)和路面缺陷探測(cè)。

（2）與瞬態(tài)面波法對(duì)比，極小偏移距高頻彈性波法反射波法檢測(cè)的主頻變化較不明顯，但也可通過(guò)比注漿前后主頻變化來(lái)半定量評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量。

（3）注漿前后2D地質(zhì)雷達(dá)法的同軸圖像變化明顯，可用于定性評(píng)價(jià)基層注漿質(zhì)量。注漿前的雷達(dá)圖像較難識(shí)別基層的松散、脫空等缺陷，而且較多依賴于經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳 忠.探地雷達(dá)技術(shù)在檢測(cè)路面內(nèi)部質(zhì)量中的應(yīng)用研究[J].中外公路，2017，37（2）：64-66.

[2]俞先江，馬圣昊，王 正，等.探地雷達(dá)技術(shù)在國(guó)省干線公路早期病害防治中的應(yīng)用[J].公路，2015，60（8）：255-259.

[3]尹梓安.彈性波反射技術(shù)在路面質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

[4]呂守航.基于彈性波法的道路下方脫空區(qū)探測(cè)方法研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2018.

[5]Nazarian S，Stokoe I I，Kenneth H，et al.Use of spectral analysis of surface waves method for determination of moduli and thicknesses of pavement systems[M].US：Transportation Research Record，1983.

[6]祁生文，孫進(jìn)忠，何 華.瑞雷波勘探的研究現(xiàn)狀及展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17（4）：630-635.

[7]劉云禎，王振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用實(shí)例[J].物探與化探，1996，20（1）：28-34.

[8]李杰生，錢(qián)春宇，廖紅建.多道瞬態(tài)面波法在鐵路路基測(cè)試中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003（S2）：611-615.

[9]張獻(xiàn)民，王建華.公路工程瞬態(tài)激振無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36（10）：105-110.

[10]吳德勝，何 宇，盧 松.瞬態(tài)面波法在巖溶路基注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑，2015（2）：89-91.

[11]任新紅.南廣鐵路巖溶路基注漿效果檢測(cè)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[12]DG/TJ 08-2240-2017，道路注漿加固技術(shù)規(guī)程[S].

[13]DB 41/T 1165-2015，道路非開(kāi)挖式地聚合物注漿加固處治技術(shù)規(guī)范[S].

[14]林有貴，栗 暉，易 強(qiáng)，等.在役瀝青路面基層地聚物注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究報(bào)告[R].廣西交投科技有限公司，2020.

[15]林有貴，栗 暉，易 強(qiáng)，等.在役瀝青路面基層地聚物注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究[J].中外公路，2020，40（2）：46-52.

[16]馮晉利.路面雷達(dá)在剛性路面脫空識(shí)別中的應(yīng)用研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2007.