道舡程 ｇ ｎｇ 地质雷达在公路路基质量检测中的应用 郭晓华 （河北省交通规划设计院河北省道路结构与材料工程技术研究中心，河北石家庄０５００００） 摘要：高速公路的大规模建设带来了很多问题，公路路基病害频繁发生，缩短了公路工程使用寿命。地质雷达 在公路路基质量检验中的应用能够提高公路路基质量检测精度，是一种优秀的检测方法，因此以河北省某公路 路段的路基质量检测为例，对地质雷达在公路路基质量检测中的应用进行详细分析，以期为同行提供一定的参 考与借鉴。 关键词：地质雷达；公路路基；质量检测 中图分类号：Ｕ４１５．１ 文献标识码：Ｂ 公路结构主要有面层、基层、垫层、路基等 部分。公路路基在人类采矿活动以及不良地质构 造和施工不善的影响下，可能因为地基软弱、压 实度不够和承载力不足造成路基下沉、空洞、裂 缝，甚至可能出现失稳，公路路面在车辆载荷持 续作用下，会出现开裂、翻浆、沉陷等问题。 为防治或避免以上路基病害问题，需要做好 施工质量检验工作。地质雷达是近些年在工程检 测中应用比较广泛的物探方法，有着较高的精 度，不会对周边环境产生较大的影响，并且检测 工序比较简单，施工速度快，对检测路基填土不密 实、基层与路基脱空、地下洞穴等病害隐患的检测 比较灵敏，能够为病害防治提供有效的依据ｎ 。在 当前的公路路基检测工作中，很多施工单位仍然 采用传统的检测方法，如钻芯取样、挖坑等方 法，这些传统方法比较直观，但是会对公路结构 产生破坏，检查频率较低，代表性不高，地质雷 达则能够弥补传统检测手段的这些不足，提供更 准确直观的检测结果。 １地质雷达基本工作原理 地质雷达利用了电磁波，通过连续扫描不同 介质分界面，确定内部结构形态和位置。电磁波 发射天线发射宽频高频率电磁波，利用电磁波接 收天线获得目标内部发射出的电磁信号，高频电 磁波传播过程中随着通过介质的介电性质以及集 合形态变化，电磁场强度和波形也会发生变化， 收稿日期：２０１４．１２—０３ 文章编号：１６７３—８０９８（２０１５）０１－００５ｌ＿０３ 通过反射电磁波时域信号的采集处理和分析，能 够有效确定目标体空间位置以及结构状态ｒｚ 。 地质雷达在公路路基质量检测中的应用最常 见的是快速测损技术，利用雷达波折射反射原 理，实现路基损坏的快速检测。脉冲电磁波在界 面发生反射之后，时窗记录器记录反射时间比较 短，路基土质均匀，无异常的情况下入射波会继 续深入渗透，没有明显的反射现象，但是路基中 存在空洞异常体，就会产生反射。 ２雷达图像处理及成果解释 ２．１雷达图像处理 野外获得的雷达图像通常需要在室内进行处 理，经过编辑标记、调整水平比例、修正地形高 程、修正距离之后，消除水平系统噪声，经过增 益调整和颜色变化，通过有限脉冲响应滤波和无 限脉冲响应滤波（在数字滤波中最常用的是无线 脉冲响应滤波），能够更加直观地展示地质雷达检 测结果，并结合公路路基工程地质结构和施工特 点进行图像解释口 。 ２．２公路路基结构雷达特『生分析 非磁性物质的电磁波反射特性受介质介电常 数的影响。公路路基通常都为层状结构，在雷达 发射图像上也明显表现出层状的发射波特性，存 在结构层或者路基结构破坏时图像会出现扭曲和 变形，路基中的缺陷如空洞、脱空等也会产生明 显的反射信号，比较大的空洞往往在图像中表现 交通建设与管理：５１ ｇ№ 舡程 为洞穴型双曲线反射波组，也有一些空洞会形成 绕射波，地下水深入路基之后，路基的含水量明 显上升，所以层内的介电常数发生明显变化，并 会在雷达图形上表现出明显的高含水反射波特 征，如果路基基岩土中出现沉陷带，并和周边地 层发生错动，会形成断层或者裂缝，出现反射同 对地质雷达在公路路基质量 则中应用进行研究。 ４．１路段概况 该路段始建于２０世纪８０年代，投入使用一段 时间后，路段路基出现了较大面积的变形，根据 初步测量结果，路基最大沉陷接近４ｍ，沿坡向侧 向变形接近２ｍ，变形路段累计为１．５ｋｍ。每年雨季 到来之后，降雨加剧了路基的沉陷和变形，路基 两侧山地裂缝大量出现，在山坡方向存在明显的 滑移趋势，若不采取措施进行处理，会对公路的 运行安全将带来严重的不利影响 。 轴不连续现象，存在错位或者断开［４１。 ３雷达检测流程 ３．１数据采集 首先明确衬砌检测部位和测线数，通常情况 下检测位置主要有左右边墙、左右拱腰以及拱顶 ４．２地质雷达检测可行性分析 地质雷达探测有效性前提是待测介质有着明 的五条测线，为了对应检测雷达图像部位和路基 显的介电常数变化，根据反射系数公式，发现反 射系数大小和界面两侧介质相对介电常数的大小 有关，差异越大，反射系数也越大，在雷达上表 现出的差异也越明显。根据工程经验，路面混凝 土的相对介电常数为７，基层相对介电常数为１０～ 实际部位，要在衬砌上标注里程。应设置合理的 参数，检查天线贴壁情况是否良好，移动速度尽 量均匀平稳，降低数据层位识别和异常体辨别难 度，在数据采集之前需要进行多次试验，选择合 适的参数。 天线维持３￣５ｋｍ／ｈ的速度向前移动，天线经过 标准里程之后，技术人员操作打点器，输人数据， 采集数据之前仪器操作人员记录检测部位、起始里 １６，土层相对介电常数为２０，水为８１，空气为１， 公路路基质量检测遇到的集中介质相对介电常数 差异均满足地质雷达测量灵敏度需要，所以使用 地质雷达进行路基质量检验是可行的。 ４．３地质雷达测量 程，采集数据结束之后记录结束里程和文件号 。 ３．２数据处理 为了保证公路运行安全，笔者单位组织进行 了该路段的地质病害工程物探和工程地质调查工 作，对病害路段地质构造和病害原因进行了详细 调查分析 。在物探方面，采用了地质雷达检测技 术。选择ｌＯＯｍ、４００ｍ屏蔽天线和低频组合天线， 通过连续测量采样和低频组合天线多点多次叠 地质雷达数据主要用于压制随机干扰和非异 常体杂乱回波，增强有效信号，提高信噪比分辨 率。常见数据处理方法主要有水平滤波、垂直滤 波和褶积，在采用这些数据处理方法处理之前首 先需要切除记录首尾的废段，进行测量方向和零 点校正。数据处理要保证标记位置准确，信号不 失真，提高信噪比。 ３．３资料解释 数据处理结束之后进行资料解释，在掌握测 加，对路基下部深层结构构造进行测量，获得雷 达探测路基形态剖面。经过分析，发现公路路段 存在明显的下沉，下沉量在逐渐增加，路段内下 沉一回填一下沉一回填的过程反复十分清晰。 使用低频组和天线对经过煤矿采空区的路段 进行测量，获得采空区探测图像，发现２６ ４８ｍ深 度范围内存在杂乱明显的反射异常，推断路段为 上部垮塌煤层和岩层填充的煤矿采空区，采空区 以上和以下的地层均比较完整。 量路段的结构和介电常数基础上，按照已知到未 知和定性指导定量原则进行施工，根据相关资料 进行有效异常和干扰异常的鉴别。 雷达资料通过文件编辑、滤波、增益处理、 介质速度估计和厚度以及变形区分析之后，按照 公路里程、测量数据和已知介质介电常数，进行 采空区某段在２８～３６ｍ范围内存在松散的采空 目标体位置深度的推算。 ４公路路基质量检测工作实例 垮塌区，钻芯取样，岩芯不完整，是煤粉、黏土 和碎石混合体，不存在完整岩石结构，采空垮塌 区上部仍然保持了块状泥灰岩、粉砂岩和砂岩结 构。通过钻探，验证了地质雷达图像解释结果的 以河北省某省道的公路路基质量检测工作为例， ５２ ：交通建设与管理 道路工程 ｇ№酬ｎｇ 准确性， 采空区上下岩性在地质雷达上也有很好 的体现。 ４．４软弱路基段检测 该路段存在一定的软弱路基段，并且在不同 深度内铺设了各种地下管线。路面结构自上而下 主要有改性沥青混合料、密级配粗颗粒式沥青混 凝土、开级配粗颗粒式沥青混凝土和石灰粉煤灰 混合料等。路段内有着很多鱼塘和水坑水渠，建 成之后路面存在一定的开裂和下沉变形，经过调 ４．５．２误差分析 检验误差主要是反射图像质量不佳造成的， 双程走时 度数误差和速度定标误差检测使用毫米 计量，工作需要非常认真细致，才能够有效控制 误差。根据验证结果，发现路面厚度检测误差以 及基层厚度检测误差均控制在规范要求内，说明 本次检测是比较成功的。 ５结语 查分析发现，主要是因为路基下的回填土压实度 不够。通过试验，发现填土和天然土层之间的典 型差异可以用于进行地质雷达检测，能够比较清 晰地显示回填土的剖面形态以及分布情况。 通过对剖面回填管沟探测雷达图像分析，发 现图像能够十分直观地反映市政管线位置、深度 和分布形态，图像管沟路面沥青层、碎石垫层和 公路路基中存在的各种漏洞能够在地质雷达 图像中表现出非常明显的特征规律，将地质雷 达应用在公路路基质量检测中，能够快速发现 并圈定公路病害范围，并能够对公路病害的成 因进行分析，为公路病害的防治决策提供有效 的依据。 参考文献： ［１］李汝成，卢天宝．地质雷达在探测郑洛高速公路路基沉 人工填土以及天然土层分界均十分清晰，而且回 填土中间发生了下弯，说明回填土在服役期间发 生了明显沉降。图像中的沟槽内外发射界面明显 不连续，说明土壤孔隙比等差异很大。 ４．５误差分析 陷中的应用『Ｊ］．河南交通科技，２０１２，１７（６）：２０—２３． ［２］李修忠，常付生，陈亚莉．地质雷达在高速公路建设中 的应用『ｊｌ＿河南交通科技，２０１ １，１９（４）：２２－２６． ４．５．１检验精度 （１）垂直精度 【３】刘江平，陈超，许顺芳．垂直裂缝的波场特征及实例 ｆＪ１．工程地球物理学报，２００４，１（１）：５５－５９． 天线中心频率为９ ０００ＭＨｚ，水泥路面速度为 ｆ４］郭云开，王礼尧，赵建三，等．探地雷达在高等级公路 工程质量无损检测中的应用研究【Ｊ１＿华东公路，２００２ （１）：５５—５７． ０．１ｒｎ／ｎｓ，路面厚度分辨率为２．７ｃｍ，天线中心频率 为５００ＭＨｚ，路面厚度分辨率为５．０ｃｍ，随着天线 中心频率的上升，垂向分辨率越高。 （２）水平分辨率 天线中心频率为９００ＭＨｚ时探测深度达到ｌｍ， ｒ —ｒ ｒ— ［５］ 曾海，张东长．地质雷达在混凝土路面板脱空检测中的 应用探讨 公路交通技术，２００５（３）：７２—７４． ［６】曾昭发，刘四新，王者江，等．探地雷达方法原理及应 用【Ｍ】．北京：科学出版社，２００６． 此时水平分辨率为： ＝／ ‘ ＝／等￣２３ｃｍ，天线 句 中心频率为５００ＭＨｚ时仍按上式计算，水平分辨率 为３ｌｃｍ。 【７］徐卫亚，陈丹妮．岩体力学性质尺寸效应研究——现 状、进展及方向［Ｃ］／／中国青年学者岩土工程力学及其 应用会议论文．北京：科学出版社，１９９４：２５６—２６２． 交通建设与管理：５３
