基于高密度電阻率測(cè)試的路基含水量評(píng)價(jià)方法

劉運(yùn)來(lái)，汪 魁，周軍平

(1.贛州高速公路有限責(zé)任公司，江西贛州343000;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

0 引言

路基作為高速公路的主體結(jié)構(gòu)部分，其壓實(shí)質(zhì)量的好壞不僅影響著路基變形和穩(wěn)定性，而且對(duì)路面的使用性能和使用壽命產(chǎn)生顯著的影響。因此，隨著高速公路的大力建設(shè)，對(duì)公路路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為高速公路施工質(zhì)量控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。

一般含土質(zhì)填料的路基，在壓實(shí)過(guò)程中為了使填料的干密度接近其最大干密度，需要控制填料的含水量。因?yàn)樗谕令w粒間起著潤(rùn)滑作用，減少了土顆粒間的摩阻力，從而在相同的擊實(shí)功的條件下，均勻的加入一定量水的填料能夠易于壓實(shí)。但是，填料中水的含量又不能超過(guò)一定量，因?yàn)檫^(guò)大含水量的填料，使得壓實(shí)過(guò)程中發(fā)生“彈簧”現(xiàn)象而壓不實(shí)。因此，含水量是路基壓實(shí)過(guò)程中控制的關(guān)鍵因素之一，也是傳統(tǒng)的路基壓實(shí)度測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù)［2-4］。一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)含水量測(cè)試采用的是酒精燃燒法，從而使測(cè)定的結(jié)果偏于某一點(diǎn)，不具有代表性。而波動(dòng)測(cè)試技術(shù)因其具有測(cè)試距離大、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可在施工中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，在路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中得到了一定程度的應(yīng)用。但是，目前對(duì)波在各種土體中傳播的規(guī)律和機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠，與靜力試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，推廣應(yīng)用難度較大［5-6］。

為了更加準(zhǔn)確全面地對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，需要引進(jìn)一些新的檢測(cè)方法。高密度電阻率法作為一種高效的工程地球物理新方法，具有檢測(cè)速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)工程檢測(cè)中。目前，高密度電阻率法在路基工程中主要應(yīng)用于路基勘察、路基病害診斷等方面。如，張光保［7］用高密度電法對(duì)廣西境內(nèi)某鐵路路基進(jìn)行巖溶勘測(cè)，查明了該段路基的地層結(jié)構(gòu)和巖溶發(fā)育情況，為以后的工程設(shè)計(jì)和工程施工提供了依據(jù);傅慶凱，等［8］用高密度電阻率法采集了既有滬昆鐵路某段+000～+450的溫納裝置視電阻率數(shù)據(jù)，并通過(guò)電阻率反演數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)情況對(duì)既有線地下不良地質(zhì)病害進(jìn)行了解釋推斷;趙明階，等［9］通過(guò)制作路基內(nèi)存在空洞、不均勻體以及不密實(shí)區(qū)3種不同病害的路基模型，采用高密度電阻率成像檢測(cè)法對(duì)病害模型進(jìn)行了診斷測(cè)試，發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)病害區(qū)域的位置與電阻異常變化區(qū)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

筆者通過(guò)高速公路填方路基的現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)試，將電阻率測(cè)試應(yīng)用于路基含水量的評(píng)價(jià)中，探討高密度電阻率法應(yīng)用于路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的可行性。

1 現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)試及數(shù)據(jù)分析方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用中地裝備集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B型高密度電法儀，該系統(tǒng)由DZD-6多功能直流電法儀和多路電極轉(zhuǎn)換器DUK-2共同組成。其主要技術(shù)指標(biāo)包括電壓測(cè)量范圍:±6 V;電流測(cè)量范圍:1 μA～2 000 mA;電極總數(shù):60路;最大供電電流:2 A;最大供電電壓:500 V DC;輸入阻抗:20 MΩ、100 MΩ(兩檔)。

1.2 測(cè)線布置

高密度電阻率法按照跑極方式的不同主要有3種排列模式，分別是α法(溫納法)、β法(偶極法)和γ法(微分法)。這3種方法對(duì)應(yīng)的勘探裝置如圖1。圖1中:A，B是供電電極，M、N是測(cè)量電極，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，不同方法對(duì)應(yīng)不同接線方式。

圖1 高密度電阻率法勘探裝置示意Fig.1 Device to indicate high-density resistivity prospecting

1.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了對(duì)淺層路基壓實(shí)情況進(jìn)行研究，電極間距采用20 cm，30路電極，最大隔離系數(shù)為8，測(cè)試最大深度為1.6 m，如圖2。

圖2 路基現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)試Fig.2 Electricity resistivity site test of embankment

1.4 高密度電阻率法及其成像原理

高密度電阻率法是以巖土體介質(zhì)的導(dǎo)電性能的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)與研究穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律，從而研究地質(zhì)體的空間分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。高密度電阻率法的基本工作原理和常規(guī)電阻率法相同，它是一種陣列勘探方法，是把很多電極同時(shí)排列在測(cè)線上，通過(guò)對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)電阻率法中各種不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，從而一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下多種視電阻率參數(shù)的方法。因此相對(duì)于傳統(tǒng)電阻率方法，高密度電阻率法具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點(diǎn)。

電阻率成像技術(shù)基于不同介質(zhì)的導(dǎo)電性差異，利用接地電極在地下建立電場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)探測(cè)區(qū)周?chē)煌较虻碾娢换螂娢徊?，研究探測(cè)區(qū)內(nèi)部介質(zhì)的電阻率分布規(guī)律和特點(diǎn)。在電阻率成像問(wèn)題中，要通過(guò)反演觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定地下電阻率的分布，由于地層巖性差異，由電阻率法測(cè)得的電阻率實(shí)際上是電場(chǎng)影響范圍內(nèi)各種巖層電阻率和地形起伏的一種綜合反映，稱(chēng)為視電阻率，它與電阻率關(guān)系如式(1)［9］:

式中:ρs為視電阻率，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的多少可表示為(ρs1，ρs2，ρs3，…，ρsM);M 為觀測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);ρ為待求的電阻率參數(shù)。

ρs(ρ)表示視電阻率與待求電阻率間的非線性關(guān)系，因此，電阻率反演實(shí)際上是非線性反演。

式(1)表明，電阻率成像方程實(shí)際上是M維視電阻率空間(觀測(cè)數(shù)據(jù)空間)映射到無(wú)窮維電阻率空間(模型參數(shù)空間)的變換，這種變換不可能實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果中解的非唯一性?，F(xiàn)有的求解方法基本上全是通過(guò)將非線性反演問(wèn)題近似為線性反演問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下采取的是將半無(wú)限求解空間人為地約束到有效的研究區(qū)域，然后用已經(jīng)成熟的線性反演理論來(lái)求解電阻率成像問(wèn)題。

1.5 電阻率成像

采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→設(shè)置數(shù)據(jù)文件參數(shù)→數(shù)據(jù)編輯→數(shù)據(jù)濾波→地形改正→反演(成像)→保存圖像→輸出圖像等處理流程。α法(溫納法)的成像結(jié)果如圖3。圖3中橫坐標(biāo)為電極間距，縱坐標(biāo)為反演深度。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)高密度電法測(cè)試溫納反演Fig.3 Wenner inversion of high-density resistivity testing

由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)路基電阻率剖面基本上分布均勻，電阻率在550～700 Ω·m之間，局部范圍有電阻率高阻區(qū)，這是由于該處的填料粒徑相對(duì)較大造成的。為了通過(guò)電法勘探結(jié)果定量研究路基壓實(shí)度，通過(guò)電阻率成像結(jié)果提取路基表層(20 cm)的電阻率測(cè)試結(jié)果。

2 基于電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)的路基含水量分析

研究表明［10］，含水量對(duì)于擊實(shí)試件的電阻率影響最為敏感，對(duì)于擊實(shí)試件的含水量和電阻率具有良好的乘冪關(guān)系。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取回路基填筑填料，制作大量不同含水量的擊實(shí)試件，測(cè)定擊實(shí)試件的電阻率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 室內(nèi)試件電阻率測(cè)試結(jié)果Table 1 Electricity resistivity of test specimen

將表1中的電阻率和含水量進(jìn)行擬合，得冪函數(shù)曲線如圖4。

圖4 含水量-電阻率關(guān)系室內(nèi)標(biāo)定曲線Fig.4 Rating curve between water content and electricity resistivity

通過(guò)標(biāo)定曲線可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)含水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)表層(20 cm厚)含水量Fig.2 Water content of the surface layer(20cm thickness)

3 結(jié)論

高密度電阻率法作為一種高效的工程地球物理新方法，具有檢測(cè)速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，利用高密度電阻率法進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量診斷是可行的。

1)通過(guò)高密度電阻率法成像診斷能夠定性地反映路基內(nèi)部的壓實(shí)質(zhì)量。

2)通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試件電阻率測(cè)試，建立電阻率和含水量的關(guān)系曲線，從而，利用高密度電阻率法測(cè)定結(jié)果可以標(biāo)定路基某一測(cè)試斷面內(nèi)的含水量，根據(jù)標(biāo)定的含水量，結(jié)合其它檢測(cè)方法(如波動(dòng)測(cè)試方法)可以定量的標(biāo)定整個(gè)測(cè)試斷面的壓實(shí)程度。

3)用高密度電阻率法進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量的診斷仍然處于初步探討中，為了更好的將電阻率法應(yīng)用于路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)電阻率測(cè)試試驗(yàn)研究和理論研究，從而更好的建立電阻率和巖土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的關(guān)系，為路基壓實(shí)質(zhì)量定量檢測(cè)提供依據(jù)。

［1］ 柴賀軍，陳謙應(yīng)，孔祥臣，等.土石混填路基修筑技術(shù)研究綜述［J］.巖土力學(xué)，2004，25(6):1005-1010.

Chai Hejun，Chen Qianying，Kong Xiangchen，et al.Overview of soil-stone high embankment construction study［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(6):1005-1010.

［2］ 鄧小文，蔡迎春，郭成超.灌砂法檢測(cè)高速公路路基壓實(shí)度的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.路基工程，2007(6):142-143.

Deng Xiaowen，Cai Yingchun，Guo Chengchao.Some experience on sand cone method detection of highway subgrade compaction［J］.Subgrade Engineering，2007(6):142-143.

［3］ 王北水.MC-3型核子儀在公路檢測(cè)中的若干影響因素及對(duì)應(yīng)措施［J］.中南公路工程，2002，27(2):90-92.

Wang Beishui.Influencing factors and countermeasures of MC-3 nuclear detector in road detection［J］.Central South Highway Engineering，2002，27(2):90-92.

［4］ 劉麗萍，折學(xué)森.山區(qū)土石料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(2):122-125.

Liu Liping，She Xuesen.Compaction standard and application of earth-rock mixtures in mountain area［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39(2):122-125.

［5］ Zhao M J.Study on Rayleigh Wave Testing Method of the Compact Degree of Soil-Stone Embankment［C］//Proceedings of the 4th International Conference on Land Slides，Slope Stability and the Safety of Infra-Structures.Malaysia:CI-Premier，2004:183-190.

［6］ 劉會(huì)勛，李青山，丁紅巖.公路工程瞬態(tài)錘擊檢測(cè)技術(shù)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008，21(4):37-42.

Liu Huixun，Li Qingshan，Ding Hongyan.Transient hammer-impacting detection technology of highway engineering［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21(4):37-42.

［7］ 張光保.高密度電法在復(fù)雜巖溶地區(qū)路基勘測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7(3):344-347.

Zhang Guangbao.Application of high-density electrical technique to karst roadbed in complex areas［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2010，7(3):344-347.

［8］ 傅慶凱，師學(xué)明，李崴，等.高密度電阻率成像技術(shù)在既有線鐵路路基病害探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，8(4):438-512.

Fu Qingkai，Shi Xueming，Li Wei，et al.Application of high density resistivity tomography to prospecting diseases of existing railway bed［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2011，8(4):438-512.

［9］ 趙明階，何葉，榮耀，等.填方路基壓實(shí)質(zhì)量的電阻率成像診斷試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，24(3):16-21.

Zhao Mingjie，He Ye，Rong Yao，et al.Experimental study of electrical resistivity tomography in fill subgrade compaction quality diagnosis［J］.China Journal of Highway and Transport，2011，24(3):16-21.

［10］趙明階，李庚，黃衛(wèi)東，等.多項(xiàng)土石復(fù)合介質(zhì)電阻率特性的試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(6):928-933.

Zhao Mingjie，Li Geng，Huang Weidong，et al.Experiment on electrical resistivity properties of poly-phase soil-stone mediums［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(6):928-933.