地質(zhì)雷達(dá)在加筋土路基病害檢測中的應(yīng)用

宗志剛

（北京奧科瑞檢測技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 102488）

引言

加筋土歸屬于復(fù)合體系的范疇,由填土、帶狀拉緊以及支擋結(jié)構(gòu)三個部分構(gòu)成，該體系內(nèi)部的力之間為平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性較高，可以抵抗填土產(chǎn)生的側(cè)向壓力，從而使其在路基工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。在運(yùn)營中，隨著期限的增加，加筋土路基在自然環(huán)境、材質(zhì)老化、車輛載荷等因素的綜合作用和影響下，會產(chǎn)生沉降、變形及結(jié)構(gòu)損壞等問題[2]。因此，采取有效的檢測方法，對加筋土內(nèi)部病害進(jìn)行檢測是十分必要的。

路基病害檢測常用的方法有高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法等[3]。相對其它物探方法，地質(zhì)雷達(dá)法具有快速、高效、實(shí)時顯示等特點(diǎn)，是常用的檢測方法。石桂梅[4]等利用地質(zhì)雷達(dá)對加筋土路基進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)路基土層內(nèi)部的嚴(yán)重不均勻沉降區(qū)和筋帶出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲變形的情況。本研究分析了加筋土路基的破環(huán)形式，討論了實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)檢測的可行性，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證，為公路加筋土路基病害的檢測和評定工作提供一些借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

1 加筋土路基破壞形式及檢測方法

1.1 加筋土路基破壞的原因和形式

加筋土路基破壞的原因和形式有以下幾種[2，5]：

（1）拉筋的破壞、拉筋與土體間摩擦力不足，造成路基破壞。

（2）交通載荷超過了原設(shè)計(jì)路基承載能力。

（3）外部不穩(wěn)定造成支擋結(jié)構(gòu)破壞，包括：地基承載力低、沿基底抗滑穩(wěn)定性不足。

（4）施工質(zhì)量不高，尤其是初期填方不實(shí)。拉筋松弛、拉筋材料選材不當(dāng)也是造成加筋土路基破壞的重要原因。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測的物理?xiàng)l件

地質(zhì)雷達(dá)(簡稱GPR)方法是一種用于淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、工程結(jié)構(gòu)檢測的地球物理勘探技術(shù)。它通過發(fā)射高頻寬帶（1MHz-1GHz）電磁脈沖，以自激自收的形式，連續(xù)檢測地下介質(zhì)的分布規(guī)律（見圖1）。地質(zhì)雷達(dá)法具有設(shè)備輕便、操作簡單、效率高、精度高等特點(diǎn)，能夠以實(shí)時成像方式顯示結(jié)果，分析、判讀缺陷直觀方便，而被引用于工程勘測和檢測鄰域中[6]。它是近年來在環(huán)境、工程檢測中發(fā)展最快、應(yīng)用極廣的一種地球物理方法。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意

地質(zhì)雷達(dá)檢測的物理前提是目標(biāo)體與周圍介質(zhì)存在明顯的物性差異（介電性）。電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率σ 和介電常數(shù)。前者主要影響電磁波的穿透(檢測)深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的介質(zhì)分界面上，都會產(chǎn)生回波，反射強(qiáng)度取決于反射系數(shù)[7]。

（1）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：C 為電磁波在真空中的傳播速度（0.3 m/ns）；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

（2）反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的介質(zhì)界面時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

式中：r 為界面電磁波反射系數(shù)；ε1為第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。本研究中涉及到的介質(zhì)的介電常數(shù)見表1。

表1 介質(zhì)的電性特征

根據(jù)加筋土擋墻的破壞形式：

（1）當(dāng)拉筋松弛或破壞后，擋土墻體失去穩(wěn)定性，引起填土層水平位移變大，在填土層內(nèi)部形成裂縫或豎直沉降量過大，形成松散區(qū)。

（2）施工初期填方不實(shí)，在后期的載荷和重力作用下，填土不實(shí)區(qū)域產(chǎn)生沉降，引起土層的變形、沉降，形成松散區(qū)。

以上兩種情形，如果填土層沉降速度較快和范圍較大，可能會在路基層下方形成空洞和松散區(qū)，采用地質(zhì)雷達(dá)方法具備較好的地球物理前提[10-11]。根據(jù)表1，路基土層內(nèi)形成的空洞與周圍土層有明顯的電性差異。介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)越強(qiáng)，因此空洞在雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為反射波同相軸彎曲、變形，反射波的能量明顯增強(qiáng)。松散區(qū)相對周圍土層，具有密實(shí)度差、孔隙率高、含水狀態(tài)不同等特點(diǎn)，因此與周邊正常地層相比，介電常數(shù)存在一定的差異。同時，由于松散體內(nèi)部裂縫、孔隙排列無規(guī)律，電磁波在其內(nèi)部傳播和反射形態(tài)復(fù)雜，因此松散區(qū)域在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雜亂的強(qiáng)反射波[8]。土體松散程度越高，反射波的能量越大。

2 工程實(shí)例

某高速公路線路穿行于太行山脈與燕山山脈鄰接處，處于高嶺重丘區(qū)，地形地貌復(fù)雜，多處建造有加筋土路基。結(jié)構(gòu)為包裹式土工格柵加筋土擋墻，通過加筋提高土體的強(qiáng)度和整體性，發(fā)揮支擋作用。同時在墻面種植灌木、草本等植物，形成綠化的立體生態(tài)支擋系統(tǒng)[9]。

實(shí)驗(yàn)檢測工作在上行線路K77+550-K77+650 段和K83+800-K83+920 段加筋土路基進(jìn)行，路基寬度約12 m，高度2～11 m。檢測工作采用瑞典產(chǎn)MALA ProEx 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行，為了發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)高頻天線檢測分辨率高，而低頻天線檢測深度大的特點(diǎn)，檢測選用250 MHz 天線和100 MHz 天線配合進(jìn)行，以取得最佳的測深度及分辨率。采集參數(shù)見表2。

表2 雷達(dá)采集參數(shù)表

對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)剖面對加筋土路基內(nèi)病害進(jìn)行分析。圖2 為K77+550-K77+650 段數(shù)據(jù)剖面，圖3 為K83+800-K83+920 段數(shù)據(jù)剖面。

圖2 K77+550-K77+650 雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面圖

圖3 K83+800-K83+920 雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面圖

在圖2 中，K77+550-K77+560 為高架橋架空區(qū)，K77+560-K77+650 段為加筋土路基段。深度約1.0 m范圍為道路結(jié)構(gòu)層底界面的反射波同相軸，K77+580-K77+650 段同相軸較連續(xù)，無明顯的彎曲變形和錯位現(xiàn)象， 說明路基土層結(jié)構(gòu)完好。K77+560-K77+580 段，雷達(dá)波同相軸向下彎曲變形，同時反射波振幅明顯增大，這是路基土層下沉與路面結(jié)構(gòu)層之間產(chǎn)生分離，土層密實(shí)度差、孔隙率高形成的典型特征，判斷由于填土不實(shí)，在載荷和重力作用下，引起土層不均勻沉降，形成嚴(yán)重的松散區(qū)。

在圖3 中，K83+800-K83+850 段雷達(dá)反射波能量較均勻、同相軸較連續(xù)，表明路基土層狀況良好。K83+850-K83+890 段雷達(dá)反射波能量變強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，波形雜亂、不規(guī)則，這是土層松散區(qū)的典型特征，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，病害區(qū)擋墻局部存在較大的弧形外鼓和整體外傾的病害，判斷由于土層內(nèi)筋帶出現(xiàn)較嚴(yán)重的松弛和變形，擋土墻體穩(wěn)定性破壞后，造成填土層水平位移變大，在土層內(nèi)部形成松散區(qū)。

3 結(jié)論

通過本研究加筋土路基的地質(zhì)雷達(dá)檢測工作，可獲得以下結(jié)論：

地質(zhì)雷達(dá)法具有設(shè)備輕便、操作簡單、工作效率高、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)。檢測工作不影響道路的正常通行，對路基無破壞作用，是路基病害檢測的首選技術(shù)方法。

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對加筋土路基病害進(jìn)行檢測有較好的效果，拉筋松弛、彎曲后，引起的路基土層沉陷，或者擋土墻體穩(wěn)定性破壞后，引起土層水平位移變大，在填土層內(nèi)部形的松散區(qū)，在雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面中均有明顯的表現(xiàn)特征。

根據(jù)雷達(dá)反射波形態(tài)、幅值等特征分析判斷路基病害的成因，土層內(nèi)拉筋的狀態(tài)，能夠?yàn)榈缆吩O(shè)施的維護(hù)、管理提供數(shù)據(jù)支持，對保障道路的安全運(yùn)行有著重要的意義。