王鹏旋

山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司

摘 要： 路基沉降会对公路结构产生不良影响，降低行车的舒适性，缩短公路使用寿命。鉴于此，采用地质雷达探测技术，分别从公路路基检测的模型构建及常见病害数值模拟两个方面展开分析，对基层换填、基层破坏及疏松病害等常见检测内容进行数值模拟。研究结果表明：地质雷达探测在公路路基沉降无损检测方面具有良好的适用性，能得出较为科学、准确的检测结果，可有效提高现有检测技术的精度和准确度。

关键词： 交通荷载;公路路基沉降;无损检测;

作者简介： 王鹏旋（1985-），男，山西阳城人，工程师，研究方向为高速公路养护。;

0 引言

地质雷达探测是一种操作便捷、精度可靠、适用性强且自动化水平高的无损检测技术，在浅层地质的勘察分析中具有广阔的应用前景，例如在基岩面、采空区、破碎带及地下掩埋物等探测中都能够较好地发挥作用[1]。尽管探地雷达在路基检测工作中已经取得了广泛的应用，但大多以图像的定性描述为主，在质量评价方面仍缺少量化管理，导致检测结果难以形成客观比对[2]。因此，对探地雷达法在路基检测中的量化研究就显得尤为迫切与必要，以促使该技术的进一步推广与完善。

1 地质雷达法检测流程

(1）数据采集

在采用地质雷达法进行检测时，应特别注重左右拱腰、拱顶5条测线以及左右边墙，这些对检测结果的准确性、合理性有着直接影响。此外，还应在衬砌位置标注里程，便于在检测位置、雷达图像之间建立对应关系。参数设定应遵循科学合理的原则，确保移动速度均匀、稳定。标定标准里程后，即可输入数据并开启打点器，天线速度保持3～5km/h匀速前进，记录好相应的里程、探测位置。

(2）数据处理

地质雷达法可以强化有效信号并压制杂乱的回波，减少外部干扰。在数据处理环节可通过零点校正切除不需要的片段。

(3）数据分析

基于介电常数以及对该路段结构的全面掌握，充分结合相关资料、指导原则开展施工，对干扰异常、有效异常做出准确识别。借助增益处理、滤波、文件编辑等基本处理方式即可初步推算得到目标的位置深度。

2 公路路基地质雷达探测模型建立

公路结构可分为面层、基层及路基。在不同的检测项目中，由于设计需求、地质条件的不同，各层厚度并非固定不变。一般而言，下面层设计厚度以8～30cm为宜，基层设计厚度以20～40cm为宜，路基设计厚度需要根据工程实际条件确定。目前，路面大多采用水泥混凝土及沥青混凝土两类材料。基层、路基则以水泥稳定粒料等材料为主。路基地质雷达探测模型如图1所示。

图1 路基地质雷达探测模型 *载下**原图

公路路基地质雷达探测模型的主要参数有：结构层层数、层厚及介电性质等，同时还应当涵盖病害数量、形状、尺寸等，这些参数影响着电磁波在结构中的传播状态及反射信号的基本特性[3]。

3 主要公路病害的正演数值模拟

3.1 基层换填正演数值模拟

公路在竣工投入使用后，受到车辆荷载的长期作用，基层不可避免地需要维护。由于换填前后的基层及面层有明显差异[4]，因此识别基层换填位置尤为重要。公路基层换填路段的主要设计参数见表1。

表1 换填部位介质参数 *载下**原图

基层换填的正演数值模拟结果显示：结构层各层接茬位置受到介电性质变化引起的异常信号较为明确。模拟结果表明，换填路段、原路段之间的材料性质差异越大，上述异常信号就越明显。这主要是由于换填路段的差异导致通过接茬位置的电磁波传播速度和衰减程度发生了突变。

3.2 基层破坏正演数值模拟

在公路基层中，若某一路段存在密实度不均匀、含水率过高的问题，那么受到上部荷载的长期作用就容易发生破坏，甚至可能引发面层病害[5]。假定破坏位置处基层的密实度较低，那么其介电常数大多较正常路段也偏低。设定其主要参数为：介电常数εr为7，电导率σr为0.03s/m。

通过基层破坏的正演数值模拟结果可知：基层破坏位置与正常路段存在显著的物性差异，且能够准确定位破坏位置的下界面；对于破坏严重的基层部位，其破坏边界的介电性质会发生突变，并会产生多次反射。

3.3 疏松病害正演数值模拟

路基疏松范围内的介电常数与附近正常区域存在差异，能够被地质雷达准确识别，以此来评价该区域的基层病害。在本研究中，基于公路常见疏松病害分别构建了两种模型，其中：根据不同程度的疏松病害建立了模型1，根据不同形状的疏松病害建立了模型2。

模型1：长度为3m，深度为0.75m，疏松病害主要集中在基层内，其基本参数如表2所示。模型1选用900MHz天线，天线间距、步长分别为10cm、0.02m，网格差分步长为0.005m，设定采集时窗为15ns。

表2 模型1病害介质参数 *载下**原图

根据疏松病害正演数值模拟结果可知：对于基层存在圆形疏松病害的雷达波动，其异常主要表现为绕射双曲线，其中双曲线的顶部位置分别为圆形疏松的顶部及底部，由此可推断得出病害的分布位置及范围。

同时，疏松病害与其附近的介电性质差异导致剖面图中异常反射较为明显，其介电性质差异越突出，反射越明显，即电性参数的不同使得反射波所体现的纵向时间延迟、振动幅值不同。对于疏松病害与附近介电性质较为接近的，其反射异常则比较微弱。

模型2：长度为3m，深度为0.75m，疏松病害主要集中在基层内，病害形状不尽相同，但其介电常数、电导率一致。模型2的主要目的在于探究不同形状的病害对于雷达剖面图的影响，基本参数如表3所示。模型2选用900MHz天线，天线间距、步长分别为10cm,0.02m，网格差分步长为0.005m，采集时窗为15ns。

表3 模型2病害介质参数 *载下**原图

根据疏松病害正演数值模拟结果可知：不同几何形状病害的雷达剖面异常存在一定差异，对于基层存在矩形疏松病害的，其雷达剖面的异常主要表现为两侧绕射，且其绕射波产生叠加、干扰，进而产生复杂的反射异常；对于基层存在圆形疏松病害的，其雷达剖面的异常主要表现为顶部、底部分布的绕射双曲线；对于基层存在菱形疏松病害的，其雷达剖面的异常则主要表现为单条绕射曲线。特别地，若疏松病害分布范围较小，则疏松区内的介电常数一般较小且速度较快，受强绕射信号的影响，雷达剖面图中顶部显示较为清晰，而底部则不明显。

3.4 脱空病害正演数值模拟

(1）脱空病害正演模拟

脱空病害大多集中于面层、基层之间，且主要受上部车辆荷载循环作用，可能导致路面出现下陷、不均匀沉降等问题。模型1的长度和深度分别为3m和0.75m，考虑到面层厚度不大，因此选用900MHz天线，天线间距、步长分别为10cm、0.02m，网格差分步长为0.005m，采集时窗设为15ns。

脱空病害位置的材料电性与空气存在显著差异，且病害发生的位置较浅，此外脱空病害一般在正演剖面中表现比较明显，由此导致脱空位置的典型反射较为显著，易在脱空位置两侧产生绕射曲线。由脱空病害的正演数值模拟结果可知：即便面层的脱空量仅为1cm，剖面图上仍能较为清晰地显示出病害的分布，这也表明900MHz天线检测在脱空病害的数值模拟中具有良好的应用效果。若脱空量较小，则脱空位置顶部所产生反射轴的走时相差几乎可以忽略，所以就很难对垂直脱空量做出可靠判断，仅可基于剖面图顶部的反射异常现象来判断水平脱空。

(2）脱空充水病害正演模拟

实际脱空病害大多伴随着充水现象，其模型建立与前文所述相同，但需要对模型内部介质的电性参数进行重新定义。由脱空充水病害的正演数值模拟结果可知：充水脱空病害反射异常现象更为突出，在脱空位置的顶部产生强信号区域，而在下部则有明显的多次波。

(3）三角形脱空模型

实际的脱空病害中，垂向脱空量大多非均匀定值，且由边缘两侧向内逐渐呈增大的趋势，脱空模型设定与前述模型相同。由三角形脱空病害模型的正演数值模拟结果可知：其剖面图基本表现为脱空位置顶部强反射及两侧绕射波。

3.5 局部沉降病害正演数值模拟

考虑到路基、基层可能存在压实度不均匀，导致不同结构层出现局部沉降问题，为了探究沉降位置的剖面异常分布，设定该模型长度、深度分别为3m、0.75m，选用900MHz天线，天线间距、步长分别为10cm、0.02m，网格差分步长为0.005m，采集时窗设定为15ns。

由局部沉降病害的正演数值模拟结果可知：在不同结构层发生的局部沉降中，面层底部同向轴与厚度之间密切相关，且直达波走时同步出现改变。

由局部沉降病害正演数值模拟结果可知：对于不同程度的沉降病害，其反射异常往往存在一定差异。对于正常的路面沉降，主要表现为面层底部位置反射轴走时的改变、直达波强度变化。路面结构层若存在沉降异常，则剖面图中面层的顶部、底部位置将出现绕射。模拟结果证明，900MHz天线在面层探测中具有较好的应用效果，但难以准确反映基层底部的沉降，这主要是由于上部的异常反射信号强度过大导致底部信号比较微弱。

3.6 路基空洞正演数值模拟

路基空洞主要分布在路基位置，其分布范围一般较大，针对这一特点，建立路基空洞模型，如图2所示。设定空洞区域半径为40cm，其中填充空气作为介质，采用50OMHz天线对病害进行探测。由路基空洞的正演数值模拟结果可知：500MHz天线在路基空洞探测中具有较好的应用效果，剖面图能够比较清晰、准确地展现出空洞异常，在顶部、底部将出现绕射双曲线，比较容易判定空洞分布情况。

图2 路基空洞模型 *载下**原图

4 结语

本文基于常见路基病害，借助探地雷达技术及数值模拟分析方法，对公路路基各类病害的异常特征进行了分析，对地质雷达法在路基病害的探测与界定方面的应用进行了分析。结果表明，采用地质雷达探测技术，能够获得较为准确的公路路基病害检测结果，并得出较为客观、合理的性能评价结果，具有较为广阔的发展前景。

参考文献

[1] 石妍茹.高速公路改扩建路基填筑质量无损检测与沉降变形监测研究[D].济南：山东交通学院，2021.

[2] 竺传文.探究高速公路路基路面无损检测技术[J].中国标准化，2019(18):191-192.

[3] 韩伟.对高速公路路基路面无损检测技术的几点探讨[J].四川水泥，2019(3):114.

[4] 王天武，曹青霞.甘肃省红层泥岩地区公路路基沉降观测方案研究[J].中国建材科技，2018,27(2):111-112,115.

[5] 上官位，李春.探究瑞雷波法应用于高速公路路基工程质量无损检测试验[J].黑龙江交通科技，2015,38(12):59.

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