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文章学习

公路改造项目地质雷达法路基浅层病灾检测分析

时间:2024/4/23 8:40:20   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:29   评论:0
内容摘要:王君刚(福建五缘路桥建设有限公司厦门分公司,福建 厦门 730010)摘要 随我国基建大规模扩张,道路运营过程中的路基病灾会恶化交通状况。地质雷达法作为无损检测方式,精度高、效率快,在路基浅层病灾检测中具有优势。文章结合地质雷达在实际检测项目的应用,对该路段的浅层病灾进...
王君刚
(福建五缘路桥建设有限公司厦门分公司,福建 厦门 730010)
摘要 随我国基建大规模扩张,道路运营过程中的路基病灾会恶化交通状况。地质雷达法作为无损检测方式,精度高、效率快,在路基浅层病灾检测中具有优势。文章结合地质雷达在实际检测项目的应用,对该路段的浅层病灾进行雷达图像分析,结果证明地质雷达对路基浅层病灾的检测准确有效,在实际的工程应用中有效可行。
关键词 地质雷达;路基病害;道路检测;道路工程
中图分类号 U418.6  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)03-0124-03
0 引言
为保证道路建设质量和道路的通行能力,需要对道路工程病灾进行有效及时的预防和治理。治理与修复路基浅层病灾需要准确检测出目标处的空间位置。相较于传统的检测方法,地质雷达连续无损,对路面的施工和运营影响较小,精度高、效率快、结果直观,但检测结果也容易受到来自空中及地下干扰源的影响[1-5]。为验证地质雷达法在浅层病灾检测中的特点,该文通过改造公路可疑路段的地质雷达实际工程应用进行探讨总结,对该路段的浅层病灾进行雷达图像分析,提供地质雷达法的工程应用参考依据,并为该路段修复项目的推进提供依据,同时验证了地质雷达对道路浅层病灾检测的准确性和有效性,为相关项目提供借鉴。
1 试验路况
柳州市融安县泗顶镇附近普通国省干线公路修复段为三级公路,与G209线相接,需改造修复路线全长4.850 km,路基宽度7.5 m,为沥青混凝土路面。该路段自通车以来,随着地区经济的迅速发展,交通量快速增长,受雨水、洪涝等自然灾害的侵蚀,原面层表面出现严重路面龟裂、车辙、坑槽、横向裂缝、纵向裂缝、块裂、沉陷等病灾。选取该路段出现沉降、下陷等可疑路段进行地质雷达检测试验,以掌握沉降、下陷段路基浅层质量状况,为后续改造提供参考依据。
2 地质雷达检测原理
地质雷达是基于高频率电磁波特性的地质检测方法,雷达的发射部分将宽频带短脉冲的电磁波发送至地下,遇到了地下的不连续体界面或目标体后,电磁波被反射并被雷达的接收部分接收,接收的反射电磁波通过一系列信号处理和分析后可以获取电磁波经历介质的相关信息。雷达成像原理如图1所示。
从反射波的连续性特点看,电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的反射界面时,波幅会骤然增加,同相轴明显,之后恢复正常变化规律。反之,若目标体中存在有许多杂乱无章的界面,雷达接收到这些界面的反射回波信号时波幅小、波形杂乱无章,同相轴将很不连续。
如果介质的介电常数ε是已知的话,根据以下式(1):
(1)
式中,C——电磁波在真空中的传播速度(km/s);V——电磁波在介质中的传播速度(km/s)。根据记录的从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时,可以精确求得目标体的位置和深度。通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射波,经过数据处理,可以得到探测路基的雷达剖面图,进行分析及评价,进而探测缺陷位置和分布。
3 现场检测影响因素
地质雷达对路基浅层检测是否准确,关系到能否有效修复路基浅层病灾,地质雷达的准确性受设备、环境、人为等诸多因素影响,清晰认知这些相关因素,并做好相应的措施是提升检测精确度的关键。
地质雷达的采集参数是影响检测结果准确性的关键因素,其主要包含天线中心频率、时窗、数据采样频率等。天线中心频率需要兼顾实际场地、检测目标尺寸和天线尺寸等因素进行选择,在其他因素不变的情况下能有效检测。通常地质雷达探测深度随天线中心频率的提高而降低,图像分辨率则随天线中心频率的提高而增加,如果探测深度小于目标深度,需要适当降低天线中心频率以获得适当的探测深度;时窗参数与探测深度和探测介质介电常数相关,时窗应留出余量以获得地层介质变化导致的更深的地下有效信息;数据采样频率是记录采样点时间的间隔,其频率至少要高于反射波最高频率两倍,避免数据失真。
检测人员需要对检测环境具有正确的认知以获得准确的检测数据,在检测前,根据检测内容和地下介质选取相应的采集参数。在检测时注意环境变化,如出现管道、埋线、人行天桥、路灯、电杆等道路检测时常见的外部干扰,或是检测路面的变化或凹凸不平引起的偏移等,均会影响最终的数据结果,排除相关干扰是获得准确检测结果的重要步骤。
此外,测量人员的操作误差、设备的磨损、线缆可能的不当连接也会引起检测结果的误差,在检测前应做好相关准备以避免这些误差导致的影响。
该次检测试验的地质雷达为拖地式,发射天线与接收天线合并,为有效探测足够深度的路基浅层病灾,雷达中心频率选用100 MHz+200 MHz的双频率雷达,两者分别采样时为640 ns/140 ns,采样点数取1 024点/道,扫描速度取32道/s,采样间隔取3 cm。
4 典型检测图谱分析
根据不同浅层病灾体引起的介质变化,分析其对电磁波传导与反射的规律,结合实际工程情况,可以识别地质雷达图像所反映的浅层病灾。结合地质资料、道路情况、市政信息等实际情况,通过地质雷达图像反映的信息辨认实际病灾情况是地质雷达检测的重要环节。受篇幅限制,对该路段部分明显典型病灾处进行解释分析。
该路段K1467+151~155.5处出现典型的土体疏松,如图2所示,为该段的雷达剖面图。如图所见,路面底部位置发生明显介质变化,出现同入射波相同极性的反射波振幅增强。随深度增加,图像呈现为明显杂乱的强反射波,频率明显高于背景场,图像的层状同向信号发生明显的交错,这是由于松散体内部存在较大密实度较低,介质内部不均匀,电磁波空隙中反射,在图像中呈现错乱的强反射波,随着深度的增加,信号衰弱,并在病灾体的底部处,反射波极性与入射波相反。


图2 K1467+151~155.5处土体疏松雷达剖面图

该路段K1469+032~038处为附近采石场加宽铺设的混凝土路面,该处存在典型的路面脱空,如图3所示,为该段的雷达剖面图。如图所见,由于路面底部脱空,介质发生变化,且路面脱空底面稍呈凹凸不平状,在雷达图像上呈现具有一定程度弯曲起伏的强振幅层状信号,随着深度增加,在脱空空洞内部填充物为通常的空气情况下,与疏松体类似,脱空空洞引发的介质变化更为剧烈,反射波在空洞底部极性与入射波相反,且由于空洞的界面边缘处引发反射波多次叠加,使空洞内部信号振幅与频率高于背景波,其多次波明显,且在空洞的界面诱发绕射现象。


图3 K1469+032~038处路面脱空雷达剖面图

该路段K1466+705~709为下坡坡底,存在典型的富水体,该部位土体含水率较高,如图4所示,为该段的雷达剖面图。如图所见,富水体位置顶部由于介质变化,振幅明显增强,由于水的相对介电系数较土体高,其顶面反射波与入射波极性相反,较背景波相比频率更低。富水体的电磁波反射能力较强,随深度增加,电磁波信号相较背景波急剧衰弱,携带的有效信息减少,在信号补偿后的雷达图像上呈现为极规律、无实际意义的强振幅的层状波形。


图4 K1466+705~709处富水体雷达剖面图

该路段K1468+373~377处路面以下存在典型孤石,如图5所示,为该段的雷达剖面图。如图所见,该段路面埋深约2.2 m处出现明显的电磁波振幅增强,同向层状反射波连续,变化平缓,这是由于介质出现了明显变化,孤石界面所在位置电磁波剧烈反射,下方反射波强度明显变弱。孤石本身并非典型的地质灾害,但可能会与地下水共同影响路基质量,其在雷达图谱的特征较不突出,需要结合其他检测手段进行确定。


图5 K1468+373~1468+377处孤石雷达剖面图

该路段K1468+491~523处存在典型的路基沉降变形,如图6所示,为该段的雷达剖面图。如图所见,该段路面在较长的测线跨度存在明显的连续同向层状信号,整体有向下弯曲起伏的趋势,该处的介质界面存在下沉的变形差。路基的沉降变形常伴随深度在雷达检测范围以外的诱因,必须结合实际的工程情况与其他的检测手段进行具体分析。


图6 路基下沉

5 结语
综上所述,基于地质雷达在实际工程项目的应用分析,分析了各典型路基浅层病灾的雷达图像特征和图像生成原理。地质雷达法在检测准确性和检测速率上具有优势,识别病灾位置与规模,为后续改造及修复施工提供依据与指导。同时通过地质雷达对病灾进行解读,需要紧密联系工程实际,结合专业经验对病灾进行更浅层次的分析。

参考文献
[1]刘亚荣. 无损检测技术在路面诊断中的应用分析[J]. 交通科技与管理, 2023(12): 102-104. 
[2]郭士礼, 许磊, 李修忠. 探地雷达在公路路面变形沉降检测中的应用[J]. 地球物理学进展, 2018(3): 1213-1217. 
[3]丁亮, 韩波, 刘润泽. 混凝土结构缺陷检测的探地雷达资料波场反演方法[J]. 地球物理学进展, 2012(1): 376-385. 
[4]林学丽. 沥青混凝土路面检测技术及其工程应用[J]. 交通科技与管理, 2023(9): 99-101. 
[5]姚显春, 闫茂, 吕高, 等. 地质雷达探测地下管线分类判别方法研究[J]. 地球物理学进展, 2018(4): 1740-1747. 

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