王君剛

摘要 隨我國(guó)基建大規(guī)模擴(kuò)張，道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的路基病災(zāi)會(huì)惡化交通狀況。地質(zhì)雷達(dá)法作為無(wú)損檢測(cè)方式，精度高、效率快，在路基淺層病災(zāi)檢測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。文章結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際檢測(cè)項(xiàng)目的應(yīng)用，對(duì)該路段的淺層病災(zāi)進(jìn)行雷達(dá)圖像分析，結(jié)果證明地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路基淺層病災(zāi)的檢測(cè)準(zhǔn)確有效，在實(shí)際的工程應(yīng)用中有效可行。

關(guān)鍵詞 地質(zhì)雷達(dá)；路基病害；道路檢測(cè)；道路工程

中圖分類號(hào) U418.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）03-0124-03

0 引言

為保證道路建設(shè)質(zhì)量和道路的通行能力，需要對(duì)道路工程病災(zāi)進(jìn)行有效及時(shí)的預(yù)防和治理。治理與修復(fù)路基淺層病災(zāi)需要準(zhǔn)確檢測(cè)出目標(biāo)處的空間位置。相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)無(wú)損，對(duì)路面的施工和運(yùn)營(yíng)影響較小，精度高、效率快、結(jié)果直觀，但檢測(cè)結(jié)果也容易受到來(lái)自空中及地下干擾源的影響[1-5]。為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)法在淺層病災(zāi)檢測(cè)中的特點(diǎn)，該文通過(guò)改造公路可疑路段的地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行探討總結(jié)，對(duì)該路段的淺層病災(zāi)進(jìn)行雷達(dá)圖像分析，提供地質(zhì)雷達(dá)法的工程應(yīng)用參考依據(jù)，并為該路段修復(fù)項(xiàng)目的推進(jìn)提供依據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)對(duì)道路淺層病災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性，為相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒。

1 試驗(yàn)路況

柳州市融安縣泗頂鎮(zhèn)附近普通國(guó)省干線公路修復(fù)段為三級(jí)公路，與G209線相接，需改造修復(fù)路線全長(zhǎng)4.850 km，路基寬度7.5 m，為瀝青混凝土路面。該路段自通車以來(lái)，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量快速增長(zhǎng)，受雨水、洪澇等自然災(zāi)害的侵蝕，原面層表面出現(xiàn)嚴(yán)重路面龜裂、車轍、坑槽、橫向裂縫、縱向裂縫、塊裂、沉陷等病災(zāi)。選取該路段出現(xiàn)沉降、下陷等可疑路段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)，以掌握沉降、下陷段路基淺層質(zhì)量狀況，為后續(xù)改造提供參考依據(jù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是基于高頻率電磁波特性的地質(zhì)檢測(cè)方法，雷達(dá)的發(fā)射部分將寬頻帶短脈沖的電磁波發(fā)送至地下，遇到了地下的不連續(xù)體界面或目標(biāo)體后，電磁波被反射并被雷達(dá)的接收部分接收，接收的反射電磁波通過(guò)一系列信號(hào)處理和分析后可以獲取電磁波經(jīng)歷介質(zhì)的相關(guān)信息。雷達(dá)成像原理如圖1所示。

從反射波的連續(xù)性特點(diǎn)看，電磁波在正常衰減過(guò)程中因遇到較強(qiáng)的反射界面時(shí)，波幅會(huì)驟然增加，同相軸明顯，之后恢復(fù)正常變化規(guī)律。反之，若目標(biāo)體中存在有許多雜亂無(wú)章的界面，雷達(dá)接收到這些界面的反射回波信號(hào)時(shí)波幅小、波形雜亂無(wú)章，同相軸將很不連續(xù)。

如果介質(zhì)的介電常數(shù)ε是已知的話，根據(jù)以下式（1）：

式中，C——電磁波在真空中的傳播速度（km/s）；V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（km/s）。根據(jù)記錄的從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)，可以精確求得目標(biāo)體的位置和深度。通過(guò)步進(jìn)式或連續(xù)的探測(cè)可以得到一組雷達(dá)反射波，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以得到探測(cè)路基的雷達(dá)剖面圖，進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)，進(jìn)而探測(cè)缺陷位置和分布。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)影響因素

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路基淺層檢測(cè)是否準(zhǔn)確，關(guān)系到能否有效修復(fù)路基淺層病災(zāi)，地質(zhì)雷達(dá)的準(zhǔn)確性受設(shè)備、環(huán)境、人為等諸多因素影響，清晰認(rèn)知這些相關(guān)因素，并做好相應(yīng)的措施是提升檢測(cè)精確度的關(guān)鍵。

地質(zhì)雷達(dá)的采集參數(shù)是影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，其主要包含天線中心頻率、時(shí)窗、數(shù)據(jù)采樣頻率等。天線中心頻率需要兼顧實(shí)際場(chǎng)地、檢測(cè)目標(biāo)尺寸和天線尺寸等因素進(jìn)行選擇，在其他因素不變的情況下能有效檢測(cè)。通常地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度隨天線中心頻率的提高而降低，圖像分辨率則隨天線中心頻率的提高而增加，如果探測(cè)深度小于目標(biāo)深度，需要適當(dāng)降低天線中心頻率以獲得適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)深度；時(shí)窗參數(shù)與探測(cè)深度和探測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)相關(guān)，時(shí)窗應(yīng)留出余量以獲得地層介質(zhì)變化導(dǎo)致的更深的地下有效信息；數(shù)據(jù)采樣頻率是記錄采樣點(diǎn)時(shí)間的間隔，其頻率至少要高于反射波最高頻率兩倍，避免數(shù)據(jù)失真。

檢測(cè)人員需要對(duì)檢測(cè)環(huán)境具有正確的認(rèn)知以獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，在檢測(cè)前，根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容和地下介質(zhì)選取相應(yīng)的采集參數(shù)。在檢測(cè)時(shí)注意環(huán)境變化，如出現(xiàn)管道、埋線、人行天橋、路燈、電桿等道路檢測(cè)時(shí)常見(jiàn)的外部干擾，或是檢測(cè)路面的變化或凹凸不平引起的偏移等，均會(huì)影響最終的數(shù)據(jù)結(jié)果，排除相關(guān)干擾是獲得準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果的重要步驟。

此外，測(cè)量人員的操作誤差、設(shè)備的磨損、線纜可能的不當(dāng)連接也會(huì)引起檢測(cè)結(jié)果的誤差，在檢測(cè)前應(yīng)做好相關(guān)準(zhǔn)備以避免這些誤差導(dǎo)致的影響。

該次檢測(cè)試驗(yàn)的地質(zhì)雷達(dá)為拖地式，發(fā)射天線與接收天線合并，為有效探測(cè)足夠深度的路基淺層病災(zāi)，雷達(dá)中心頻率選用100 MHz+200 MHz的雙頻率雷達(dá)，兩者分別采樣時(shí)為640 ns/140 ns，采樣點(diǎn)數(shù)取1 024點(diǎn)/道，掃描速度取32道/s，采樣間隔取3 cm。

4 典型檢測(cè)圖譜分析

根據(jù)不同淺層病災(zāi)體引起的介質(zhì)變化，分析其對(duì)電磁波傳導(dǎo)與反射的規(guī)律，結(jié)合實(shí)際工程情況，可以識(shí)別地質(zhì)雷達(dá)圖像所反映的淺層病災(zāi)。結(jié)合地質(zhì)資料、道路情況、市政信息等實(shí)際情況，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)圖像反映的信息辨認(rèn)實(shí)際病災(zāi)情況是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)。受篇幅限制，對(duì)該路段部分明顯典型病災(zāi)處進(jìn)行解釋分析。

該路段K1467+151～155.5處出現(xiàn)典型的土體疏松，如圖2所示，為該段的雷達(dá)剖面圖。如圖所見(jiàn)，路面底部位置發(fā)生明顯介質(zhì)變化，出現(xiàn)同入射波相同極性的反射波振幅增強(qiáng)。隨深度增加，圖像呈現(xiàn)為明顯雜亂的強(qiáng)反射波，頻率明顯高于背景場(chǎng)，圖像的層狀同向信號(hào)發(fā)生明顯的交錯(cuò)，這是由于松散體內(nèi)部存在較大密實(shí)度較低，介質(zhì)內(nèi)部不均勻，電磁波空隙中反射，在圖像中呈現(xiàn)錯(cuò)亂的強(qiáng)反射波，隨著深度的增加，信號(hào)衰弱，并在病災(zāi)體的底部處，反射波極性與入射波相反。

該路段K1469+032～038處為附近采石場(chǎng)加寬鋪設(shè)的混凝土路面，該處存在典型的路面脫空，如圖3所示，為該段的雷達(dá)剖面圖。如圖所見(jiàn)，由于路面底部脫空，介質(zhì)發(fā)生變化，且路面脫空底面稍呈凹凸不平狀，在雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)具有一定程度彎曲起伏的強(qiáng)振幅層狀信號(hào)，隨著深度增加，在脫空空洞內(nèi)部填充物為通常的空氣情況下，與疏松體類似，脫空空洞引發(fā)的介質(zhì)變化更為劇烈，反射波在空洞底部極性與入射波相反，且由于空洞的界面邊緣處引發(fā)反射波多次疊加，使空洞內(nèi)部信號(hào)振幅與頻率高于背景波，其多次波明顯，且在空洞的界面誘發(fā)繞射現(xiàn)象。

該路段K1466+705～709為下坡坡底，存在典型的富水體，該部位土體含水率較高，如圖4所示，為該段的雷達(dá)剖面圖。如圖所見(jiàn)，富水體位置頂部由于介質(zhì)變化，振幅明顯增強(qiáng)，由于水的相對(duì)介電系數(shù)較土體高，其頂面反射波與入射波極性相反，較背景波相比頻率更低。富水體的電磁波反射能力較強(qiáng)，隨深度增加，電磁波信號(hào)相較背景波急劇衰弱，攜帶的有效信息減少，在信號(hào)補(bǔ)償后的雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)為極規(guī)律、無(wú)實(shí)際意義的強(qiáng)振幅的層狀波形。

該路段K1468+373～377處路面以下存在典型孤石，如圖5所示，為該段的雷達(dá)剖面圖。如圖所見(jiàn)，該段路面埋深約2.2 m處出現(xiàn)明顯的電磁波振幅增強(qiáng)，同向?qū)訝罘瓷洳ㄟB續(xù)，變化平緩，這是由于介質(zhì)出現(xiàn)了明顯變化，孤石界面所在位置電磁波劇烈反射，下方反射波強(qiáng)度明顯變?nèi)酢９率旧聿⒎堑湫偷牡刭|(zhì)災(zāi)害，但可能會(huì)與地下水共同影響路基質(zhì)量，其在雷達(dá)圖譜的特征較不突出，需要結(jié)合其他檢測(cè)手段進(jìn)行確定。

該路段K1468+491～523處存在典型的路基沉降變形，如圖6所示，為該段的雷達(dá)剖面圖。如圖所見(jiàn)，該段路面在較長(zhǎng)的測(cè)線跨度存在明顯的連續(xù)同向?qū)訝钚盘?hào)，整體有向下彎曲起伏的趨勢(shì)，該處的介質(zhì)界面存在下沉的變形差。路基的沉降變形常伴隨深度在雷達(dá)檢測(cè)范圍以外的誘因，必須結(jié)合實(shí)際的工程情況與其他的檢測(cè)手段進(jìn)行具體分析。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用分析，分析了各典型路基淺層病災(zāi)的雷達(dá)圖像特征和圖像生成原理。地質(zhì)雷達(dá)法在檢測(cè)準(zhǔn)確性和檢測(cè)速率上具有優(yōu)勢(shì)，識(shí)別病災(zāi)位置與規(guī)模，為后續(xù)改造及修復(fù)施工提供依據(jù)與指導(dǎo)。同時(shí)通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)病災(zāi)進(jìn)行解讀，需要緊密聯(lián)系工程實(shí)際，結(jié)合專業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)病災(zāi)進(jìn)行更淺層次的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]劉亞榮. 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在路面診斷中的應(yīng)用分析[J]. 交通科技與管理， 2023（12）： 102-104.

[2]郭士禮， 許磊， 李修忠. 探地雷達(dá)在公路路面變形沉降檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2018（3）： 1213-1217.

[3]丁亮， 韓波， 劉潤(rùn)澤. 混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的探地雷達(dá)資料波場(chǎng)反演方法[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2012（1）： 376-385.

[4]林學(xué)麗. 瀝青混凝土路面檢測(cè)技術(shù)及其工程應(yīng)用[J]. 交通科技與管理， 2023（9）： 99-101.

[5]姚顯春， 閆茂， 呂高， 等. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下管線分類判別方法研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2018（4）： 1740-1747.