基于電磁波的路基含水量試驗研究

贠子輝

（甘肅省甘南公路管理局，甘肅 甘南 747000）

0 引言

路基是公路承重的主體，它不僅承受由路面?zhèn)鬟f而來的行車荷載，而且還承受路面的自身重量，對填方和高填方路基而言，影響土體承載力的主要因素有土體的密實度、含水量等，所以在公路質(zhì)量的控制中對土質(zhì)密實度和含水量都有嚴(yán)格的要求。如果施工的路基土的含水量過大，路基的壓實度將達(dá)不到設(shè)計要求。對已建成的公路經(jīng)過一段時間的使用，降雨使地表水滲入或地下水位的升高等因素，造成路基含水率增加，從而降低路基穩(wěn)定性，公路的整體承載力受到影響，導(dǎo)致公路路面出現(xiàn)不均勻沉降，造成安全隱患。

目前，測定土壤含水量的方法很多，包括烘干法、電容法、電阻率成像法（ERI）、張力法、中子儀法、射線法、時域反射法（TDR）、核磁共振法（NMR）、計算機(jī)層析成像法（CT）、分離示蹤劑法（PT）、頻域分解法（FDD）及駐波比法（SWR）等。然而，這些傳統(tǒng)的小尺度測量土壤水含量的方法都屬于有損檢測，而且檢測效率低、成本高，都需點位取樣，獲取的資料覆蓋面積小、代表性不足。針對公路施工路段長、面積大、開工點多的特點，目前采用的人工有損點位檢測的方法已不能滿足實際需要，特別是對已建成的高速公路路基質(zhì)量的檢測，應(yīng)用現(xiàn)在的檢測方法難以實現(xiàn)。如何研究一套快速、高效、簡便的無損檢測方法適應(yīng)填土路基含水率的定量檢測，是亟待解決的難題，也是當(dāng)前探討的熱點問題之一。

根據(jù)路基土的特點，探尋應(yīng)用電磁波測試土基含水量的方法。電磁波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的電學(xué)參量介電常數(shù)與電磁波的傳播速度、相位、反射系數(shù)和吸收系數(shù)密切相關(guān)[1]。由于土體含水量對土體的介電常數(shù)影響極大，研究土體介電常數(shù)與含水量之間的關(guān)系，可快速測定土體的含水量[2]。

1 電磁波測試路基含水量原理與方法

1.1 電磁波測試土體含水率基本理論

土體是一種復(fù)雜的混合體，分為固、液、氣三相，介電性質(zhì)決定于土壤各組分的介電性質(zhì)、含量及其相互作用，由于在一定的頻率域內(nèi)，自由水的介電常數(shù)等于80.36（20℃）[3]，空氣的介電常數(shù)為1，而大多數(shù)土體固相的介電常數(shù)在3～7之間，因此，在非飽和土壤中，土體含水量是土體介電常數(shù)的主要影響因素，土體介電常數(shù)的變化能很好地反映土壤含水量的變化。自1965年Looynega提出具有物理基礎(chǔ)的土壤介電常數(shù)的混和介質(zhì)模型以來，眾多研究者對θ～ε關(guān)系模型展開大量研究，Alharath[4]公式和Ferre[5]公式僅適用于細(xì)沙和粉沙性土，而Topp[6]做了進(jìn)一步的研究得到Topp公式：

式中：ε為介電常數(shù)；θ為體積含水量。

只需土體的介電常數(shù)一個參數(shù)就可以確定土壤含水量的優(yōu)勢，以及最初認(rèn)為的相對獨(dú)立于土壤質(zhì)地、容重、溫度、溶液含鹽量及土壤濕潤歷史的普遍適用性，使其成為應(yīng)用最廣泛的通用公式，但隨后的諸多研究表明，Topp公式在不同類型土壤特別是黏性土壤和低容重高有機(jī)質(zhì)土壤上的應(yīng)用依然存在較大的誤差，必須根據(jù)具體情況對土壤含水量進(jìn)行校正。Roth等曾對公式進(jìn)行了修正，但其適應(yīng)性并未得到提高。Herkelrath等研究認(rèn)為在一定的含水量范圍內(nèi)土體含水量與介電常數(shù)的平方根呈線性相關(guān)關(guān)系，并提出以下通用關(guān)系式：

式中：a、b為校正參數(shù)；θ為體積含水量

Jacobsen[7]等的驗證結(jié)果表明，Herkelrath公式可以獲取較高的體積含水量測定精度，但針對不同土體必須首先準(zhǔn)確確定其校正參數(shù)。隨著理論研究的進(jìn)一步深入，Looyenga和Dasberglen等人分別根據(jù)土壤的特點，提出了不同形式的混合模式的土壤介電常數(shù)與含水量的計算公式，但是這些公式參數(shù)較多，難以在實際中應(yīng)用和推廣。

上述公式中的土體含水量都是體積含水量，在實際施工中不實用，也不適應(yīng)本地路基填土土體的類型。見于此類問題，針對公路路基的填土的土體情況，選取一種土，在實驗室采用先制作目標(biāo)含水率的試件進(jìn)行雷達(dá)測試，再進(jìn)行試件含水率與壓實度實測，目的是尋求土壤含水率和介電常數(shù)的關(guān)系及測試方法，便于在探地雷達(dá)的無損檢測中應(yīng)用。

1.2 電磁波測試路基含水率方法

電磁波在土中的傳播速度為：

式中：c=0.3 m/ns為真空中電磁波的傳播速度；εr為土的相對介電常數(shù)。

根據(jù)電磁波發(fā)射至反射波返回的時間差△t、反射界面距表面的深度d及發(fā)射天線和接收天線之間距離x，便可計算出雷達(dá)波在土中的傳播速度為：

利用干燥箱和電子秤可以得到土體試塊的含水率，從而建立雷達(dá)波在土中的傳播速度與含水率的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)電磁波測試土體含水率的目的。

1.3 試驗裝置選擇

室內(nèi)試驗成型試件時利用現(xiàn)有瀝青混凝土車轍板成型設(shè)備（車轍成型機(jī)和壓力機(jī)），定制試件模具尺寸長×寬×高為：30 cm×30 cm×10 cm。在進(jìn)行試驗時，試件表面與電磁波發(fā)射天線距離為20 cm，電磁波測試采用空氣耦合天線，頻率為2 000 MHz，測試深度0.8 m，掃描分辨率0.02 m，脈沖頻率400 kHz，掃描速率850掃/s。

1.4 電磁波影響因素

前期試驗中，對自然堆積土和壓實后的土進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)壓實度對介電常數(shù)有一定的影響，所以試驗中所用試件壓實度以最佳含水率時的最大干密度為目標(biāo)。使用《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）中的T0131-2007擊實法確定最大干密度，最佳含水率試驗數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 土最佳含水率試驗

根據(jù)擊實試驗得到該土的最佳含水率為：14.6%，最大干密度1.69 g/cm3。在最佳含水率±4%含水率范圍間隔1%制作試件，所以制作試件的目標(biāo)含水率定為：10%，11%，12%，13%，14%，15%，16%，17%，18%等不同含水率試件。

2 試件制備及試驗過程

試件由過2 mm篩的粉土通過壓制而成，根據(jù)土密度計算需用土量，每塊試件用干土大約14 kg，向土中加入適量的水進(jìn)行拌合，分別制作含水率為 10%，11%，12%，13%，14%，15%，16%，17%，18%的土悶12 h。

首先成型試件，在試模中鋪一張塑料紙，使底面及側(cè)面均被塑料紙隔離（見圖2）；其次將配好的土用小鏟加拌和后均勻地沿試模由邊至中間順序轉(zhuǎn)圈裝入試模，并在裝入過程中由四周向中間的順序進(jìn)行錘擊，務(wù)必使試件四個角及邊緣處密實；在土加滿試件后，使試件中間隆起高出模具5 cm。

將模具放入車轍成型機(jī)上按瀝青混凝土車轍板成型方法碾壓該試件。先在一個方向碾壓10個往返；卸載；再抬起碾壓輪，將試件調(diào)轉(zhuǎn)方向；再加相同荷載碾壓10個往返。接著將試模取出，用刮板將高出試件的土刮下，使頂面與模具齊平。如果有不足處用同一試件上刮下的土補(bǔ)齊。再用一塊比試件尺寸稍小的鋼板蓋在試件上，放置在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓成型。加壓速率5 mm/min，加至200 kN后靜壓40 s。通過該種方法成型的試件基本達(dá)到壓實度要求。

圖2 成型后的試驗試件

在試驗中電磁波天線距試件表面20 cm（見圖3），電磁波測試后，分別對11個試件進(jìn)行含水率和壓實度測試。

圖3 電磁波測試位置圖

3 試驗結(jié)果分析

在該試驗中分別用幅值法和厚度法進(jìn)行測試，結(jié)果表明由于天線擴(kuò)散角較大，試件尺寸小于擴(kuò)散覆蓋范圍，反射電磁波信號的數(shù)量存在差異，因此在檢測過程中被測物體與天線間的距離對幅值具有一定的影響，距離遠(yuǎn)幅值會相應(yīng)變小，所以當(dāng)天線產(chǎn)生顛簸震動時幅值會發(fā)生相應(yīng)的變化，數(shù)據(jù)分析會產(chǎn)生偏差，所以數(shù)據(jù)分析時使用了介電常數(shù)進(jìn)行分析。

電磁波測試后分別取11個試件的土樣，使用烘干法對試件含水率進(jìn)行檢測，并用環(huán)刀法對試件的壓實度進(jìn)行檢測。在數(shù)據(jù)處理過程中均以實測含水率下的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，經(jīng)過試驗測得11個試件的壓實度均大于93%（符合路基土壓實度二級及以下公路要求）詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

通過該數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)該土體中介電常數(shù)伴隨含水率的升高而升高（見圖4），介電常數(shù)與含水率的回歸公式如下：

表1 實測試件含水率、壓實度及介電常數(shù)

式中：ε為介電常數(shù)；ω為含水率。

圖4 土體含水率與介電常數(shù)關(guān)系

試驗結(jié)果證明本文基于電磁波進(jìn)行土體不同含水率的測試方法可行，通過該方法可以分別對道路上的不同深度、不同部位路基進(jìn)行含水率測試，測試結(jié)果為路基強(qiáng)度評價和養(yǎng)護(hù)提供重要依據(jù)。

4 結(jié)語

通過本文試驗研究，主要得到如下主要結(jié)論：

（1）路基含水率不同將導(dǎo)致其介電常數(shù)產(chǎn)生顯著差異，可以通過檢測到的介電常數(shù)變化反映路基含水率的不同。

（2）路基含水率愈大，則其介電常數(shù)也愈大，兩者表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

（3）由于道路通車后不但路基含水率會發(fā)生變化，壓實度、密度等亦將變化，因此可采用本文研究方法進(jìn)行不同壓實程度、密度等路基土參數(shù)與電磁波檢測結(jié)果間的關(guān)系研究。