軟土路基高速公路常見病害地質(zhì)雷達檢測分析

譚 春

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

軟土路基高速公路常見病害地質(zhì)雷達檢測分析

譚 春

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

在軟土路基上建設高路公路，存在各種病害隱患，并成為影響高速公路質(zhì)量安全的關鍵因素。應用地質(zhì)雷達是對公路質(zhì)量進行檢測的最好的地球物理方法，其具有快速、準確、經(jīng)濟的特點，有很好的應用前景。

高速公路；病害分析；地質(zhì)雷達；無損檢測

從20世紀80年代后期起，中國開始建造高速公路，1988年首條高速公路—滬嘉高速公路建成通車。到2003年底，中國高速公路已達1.9萬km，僅次于美國，居世界第二位。到2008年底，中國高速公路總里程達到3萬km。據(jù)交通部2004年3月公布的《全面建設小康社會公路水路交通發(fā)展目標》，到2010年中國高速公路將達5.5萬km，基本通達目前20萬以上城鎮(zhèn)人口的城市，東部地區(qū)基本形成高速公路網(wǎng)；二級以上公路總里程達45萬km。中國將在2010年基本建成全國快速客貨運輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)大城市間400～500km當日往返，800～1000km當日到達；建制村通班車率達90%。這樣快的高速公路建設速度，在世界上史無前例。

從目前中國公路建設的現(xiàn)狀來看，最重要的是要把公路質(zhì)量放在最重要的位置來考慮。然后要對現(xiàn)有公路，特

是高速公路進行養(yǎng)護和管理（包括路面、橋面、附屬設施及設備的管理和養(yǎng)護），使其在最經(jīng)濟的投入下達到設計預定的使用壽命。

對于已建成的公路來講，公路養(yǎng)護應放在重中之重的位置上。關于公路的養(yǎng)護要注意以下的幾個方面。其一，要建立路面管理系統(tǒng)。國內(nèi)有許多公路 有管理系統(tǒng)，有的有管理系統(tǒng)，但是并沒有應用。另外還有公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)。其二，要注意舊路面的修繕復原。舊水泥路面的修復方法可以概括為：修繕復原、加鋪層和重建?；炷谅访娴牟『τ薪Y構性的和功能性的。結構性的病害造成路面承載能力部分或全部喪失，功能性的病害造成路面的安全度和舒適度不好。這些病害可以歸結為材料問題、排水問題、施工問題、設計問題等等。修繕復原的方法適用于輕度的功能性病害或局部性的輕度的結構性病害。加鋪層的方法適用于某些中度的和嚴重的病害。重建的方法適用于有嚴重病害，用前兩種方法都不能有效修復的路面。抓好公路工程質(zhì)量是一項綜合性的工作，除制度上的保證之外，從技術的角度確保公路工程質(zhì)量是對公路主要病害進行預防與治理的關鍵。一般情況下，在目前的施工技術下的公路病害主要表現(xiàn)為：高填路堤下沉、軟土地基超限沉陷、瀝青路面早期損壞、水泥路面斷板開裂、路面不平整、橋梁伸縮與橋頭跳車、隧道襯砌滲水、防護工程小型結構物表面粗糙、預應力管道壓漿不實等。要對這些病害問題進行探查，同時又不影響公路的通暢運營，應用高頻地質(zhì)雷達方法是一種無損、快速而又經(jīng)濟的可以解決此類問題的方法。

1　公路路基結構分類及常見病害分析

從目前上海公路的建設情況來看，主要是兩種形式的公路路基，其一為軟土路基，其二為高填路堤。

上海為三角洲相沉積地帶，所以高速公路的路基大多為軟土，軟土具有松軟、孔隙比大（一般大于1.0）、天然含水率高（接近或大于液限）、壓縮性高、強度低、滲透性小等特點。高填路堤是高于原地面的填方路基，其作用是支承路床和路面。路床以下路堤分為上路堤與下路堤：上路堤是位于路面以下80～150cm范圍內(nèi)的填方部分；而下路堤是上路堤以下的填方部分的總稱。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTJ013-95），當邊坡總高度大于20m（土石質(zhì)填料）和12m時（砂、礫石填料），應考慮邊坡的穩(wěn)定性，因此，此兩數(shù)值可視為高填路堤的分界值。同時根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ033-95）規(guī)定：水稻田或長年積水地帶，用細粒土填筑路堤高度在6m以上，其他地帶填土或填石路堤高度在20m以上時，按高填土路堤施工。綜合以上兩項知，高填路堤即：水稻田或長年積水地帶，用細粒土填筑的路堤高度在6m以上，其它地帶填土或填石路堤高度在20m以上（填砂、礫石堤在12m以上）時稱之為高堤；填土高度低于1m者為矮路堤；其它為一般路堤。一般情況下，公路病害的表現(xiàn)有以下的形式：

1.1軟地基條件下的病害

按照《公路路基施工技術規(guī)范》（JTJ033-95），不得使用淤泥等劣質(zhì)土，液限大于50、塑性大于50、塑性指數(shù)大于26的土，以及含水率超過規(guī)定的土。如將上述土料作為填料土進行填筑，則容易引發(fā)塑性變形與沉陷破壞。

如果道路施工中，排水系統(tǒng)做得不好或是施工不到位，當水浸入路基，引起路基內(nèi)水位上升，填料中含水量增大，強度、穩(wěn)定性降低，將造成路基下陷等破壞。

軟地基處理后，若填土加載過快，尤其當接近或超過臨界高度時，仍快速填筑，未能仔細進行沉降動態(tài)監(jiān)測，造成路堤失穩(wěn)；另外，在施工過程中質(zhì)量把關不嚴，選擇的塑料排水板型號和長度、粉噴樁、噴粉量、處理深度和攪拌等要求達不到設計要求，從而造成基礎出現(xiàn)各種狀況。

1.2高填路堤下沉或地基下陷

高填路堤下沉或地基下陷的主要影響因素有以下幾個方面：

當工程地質(zhì)條件不良，原地面比較弱，特別是在泥沼地段、流沙、垃圾及其它劣質(zhì)土地段填筑路堤（上海的道路施工中都遇到過類似問題），而在填筑前未經(jīng)換土或很好壓實，則填筑完成后，原地面土壤易產(chǎn)生壓縮下沉或擠壓位移。當路堤穿過溝谷時，溝谷中心往往填土高度最大，向兩端逐漸減低，在路堤橫斷面上，往往迎水面填土高度小于迎水面，這樣也將由于填土高度不同而可能產(chǎn)生不均勻下沉，引起道路在運營中容易產(chǎn)生隱患。

在惡劣的天氣與氣候條件下，如降雨量過大、洪水猛烈、干旱、冰凍、積雪或溫差過大等，都可能使高路堤產(chǎn)生不均勻沉降，從而造成路基結構失穩(wěn)或更嚴重的病害出現(xiàn)。

施工過程中的一些處理措施不當，如：填筑順序不當，壓實不足，在填挖交界處沒有挖臺階，導致交界處的不均勻沉降，柔性填土與剛性構造銜接處，臺后和通道兩邊高填土下沉，施工過程中未注意排水，遇雨天施工時路基積水嚴重，排水工作系統(tǒng)不良或無法自行排出。

1.3瀝青路面的早期破壞

瀝青路面在設計年限內(nèi)由于各種原因而發(fā)生早期破壞，這些早期破壞表現(xiàn)為以下的形式：開裂—冬季瀝青路面的橫向開裂；路面車轍—夏季高溫期在重載車及重型機械作用造成的縱向永久性變形；水損害—雨季或春融季節(jié)出現(xiàn)的坑槽；路面的表面功能衰減—瀝青路面由于泛油、石料磨光及路面破損引起的表面功能降低或喪失（此在郊區(qū)縣的公路中較為常見）。

1.4水泥混凝土路面裂縫

水泥混凝土路面是指以水泥混凝土面板和基（墊）層所組成的路面，其由路基和路面兩部分組成。構成路面的鋪筑層，按其所處的層位作用，又主要分為面層、基層和墊層。面層直接承受車輛荷載及自然因素的作用，并將荷載傳遞到基層的結構層，它除滿足強度要求外，還應有足夠的平整度和防滑性能，以保證行車舒適和安全性；基層是設在面層以下的結構層，主要承受由面層傳遞的載荷，并將載荷分布到墊層或土基上，它是路面的主要承載層，因此基層本身也應具足夠的強度，才能抵抗行車載荷的各種應力；墊層是設于基層以下的結構層，主要作用是隔水、排水、防凍以及改善基層和土基的工作條件。

它常見的病害主要為以下幾種形式：

（1）結構強度不足造成的破壞

主要是在現(xiàn)有的混凝土路面彎拉設計強度基礎上的設計板厚不夠，結構種類單一，總體結構強度偏弱。相當多的公路建設中，偷工減料現(xiàn)象嚴重；另一方面，現(xiàn)有的路面設計彎拉強度難以承受超重型載重交通量的破壞。

（2）非機械化施工程度低

先進的滑模機械施工技術普及程度不夠，人工施工的高等級公路特別是高速公路由于非機械化施工程度低而引起早期破壞相當嚴重。

（3）面板不夠?qū)?/p>

人工施工的混凝土路面板搗振不夠，從面影響路面板強度。不少路面因混凝土局部強度偏低，造成使用中磨損嚴重，表面裸露集料，局部成坑，平整度嚴重劣化。

（4）路基和基層支撐不穩(wěn)定

支撐變形量超出了路面板所能容許的限度，造成大量斷板破壞。除了軟基和填挖處理不好帶來的問題外，更多的是基層石灰土、水泥土等材料抗沖刷能力不足，大量使用“兩灰一白”的透水的“蓄水槽”橫斷面結構，使水破壞導致的斷板相當嚴重；其次是填方路基局部軟化甚至塌陷造成的斷板破壞。

（5）接縫密封不好

滲透排水不暢，導致了基層軟化，造成唧泥、錯臺和啃邊，致使路面平整度差，行車舒適性差。

1.5其它公路病害

在公路上，還出現(xiàn)其它的多種病害如：橋頭及橋梁伸縮縫處跳車，防護工程與小型結構物表現(xiàn)粗糙，公路隧道襯砌滲漏水等等。

2　新型道路檢測雷達系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢

美國勞雷公司在地質(zhì)雷達方面的研究水平一直處于世界前列，其SIR系列的地質(zhì)雷達在我國的應用具有很好的連續(xù)性，從上世紀90年代初的SIR-2，到90年代中后期的SIR-10H，及至目前的SIR-20型地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，在我國道路檢測方面的應用具有良好實效。

2.1SIR-20型地質(zhì)雷達系統(tǒng)的特點

（1）空氣耦合型且自帶探測輪的封閉天線

大規(guī)模的公路檢測，工作量大，數(shù)據(jù)處理工作繁瑣，如果采用不能標定距離且穩(wěn)定性不好的天線，會給數(shù)據(jù)采集與處理工作徒增不少工作量。傳統(tǒng)地質(zhì)雷達所采用的天線系統(tǒng)，一般都是貼地天線，往往在大量數(shù)據(jù)的采集過后，標定樁號費神費事。而最新的SIR-20地質(zhì)雷達使天線架空，發(fā)射和接收的耦合條件徹底改變，可以采集到質(zhì)量良好的雷達記錄。同時，通過天線自帶的探測輪，可以使樁號的標定變得簡單，道路下異常體可以很好地歸位。

（2）高速掃描率

SIR-20地質(zhì)雷達通過車載形式，采集工作簡單快速，雷達采用自激自收的示波采樣技術，即遞次采樣每個重復發(fā)射的脈沖。這就需要儀器系統(tǒng)具有很高的絕對采樣率和重復發(fā)射率，以及精確的DSP處理控制采樣相加技術。目前SIR-20的雷達采集速率可以達到800次/秒，而且儀器系統(tǒng)配制簡單，存儲量大，儀器的內(nèi)存達到20G之多，單個剖面數(shù)量內(nèi)存量只受計算機內(nèi)存的限制。

（3）精細的分辨率

道路檢測雷達應用在公路上可以歸結為兩大功能：（1）作為施工質(zhì)量控制，它包括測量各個結構層的厚度和連續(xù)性，檢查各結構層是否壓密，是否有脫空或充水現(xiàn)象；（2）作為維護檢測，它包括層間分析連接、裂隙、空洞、滲水、路基塌陷、橋面鋼筋銹蝕和面層磨損等等。不管哪一種應用，對道路探測雷達來說，分辨率，即區(qū)分最小異常的尺度都是至關重要的前提。拿測量面層作為例子，我國的瀝青路面標準從上到下大致為磨耗層3～4cm、中面層4cm、底面層4cm。按照雷達子波分辨率的估計，最小分層（垂直分辨率）的極限為1/4波長。能夠劃分出3cm磨耗層的最小波長不能超過12cm。我們知道，空氣中電磁波速度C=30cm/ns，瀝青或水泥等材料中的電磁波速度約為C/2.5或C/4，即12cm/ns至7.5cm/ns。所以理論上，能滿足測量最小面層分層的雷達天線主頻不能低于1000MHz，即1GHz，這時，天線信號脈沖寬度為1ns，波長10cm左右，更何況實際測量中有噪音干擾、有技術人員操作上的誤差，所以SIR-20型雷達測量路面系統(tǒng)的空氣耦合天線有1.5GHz和2.2GHz兩種天線，可以滿足檢測公路精細結構、道路下異常隱患的要求。

2.2SIR-20型地質(zhì)雷達系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）多種數(shù)據(jù)顯示形式互補

SIR-20地質(zhì)雷達系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，具有多種顯示形式，除了最常見的波形顯示外，還有線掃描顯示、示波器顯示及單道脈沖顯示、三維數(shù)據(jù)格式顯示、時間切片顯示、多道顯示及交互式顯示格式等。多種數(shù)據(jù)格式顯示功能，可以幫助數(shù)據(jù)處理工作者對野外數(shù)據(jù)有一個詳細的了解，通過各種互補的數(shù)據(jù)顯示形式，可以直觀地看出數(shù)據(jù)中的各種異?，F(xiàn)象，而且具有很好的對比功能，從而滿足后續(xù)數(shù)據(jù)的處理與解釋功能。

（2）多種數(shù)據(jù)處理模塊

SIR-20型地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有地形校正、距離標定、時空域數(shù)字濾波、有限脈沖與無限脈沖濾波、偏移歸位處理等功能模塊。對于地下復雜的目的物，可以通過三維的形式進行數(shù)據(jù)的處理與顯示，而且處理結果可以形象地再現(xiàn)地下異常體的真實現(xiàn)狀。

（3）目的物的結構識別功能

對于地下層狀的介質(zhì)體，如高速公路的檢測，可以進行結構識別。地質(zhì)雷達最多可以自動追蹤識別地下數(shù)十層的結構層，而且每一層的結構數(shù)據(jù)（層厚、層間波數(shù)等）可以自動顯示出來，方便而又直觀。

3　地質(zhì)雷達在公路檢測中的應用實例

近年來，隨著高等級公路的日益增多，公路工程質(zhì)量愈來愈受人們重視。傳統(tǒng)的采用鉆孔取芯來檢驗路面厚度的做法已不能滿足設計要求，同時，用鉆孔取芯作為質(zhì)量評價依據(jù)的方法，存在很多缺陷。一是鉆取芯樣數(shù)量少，密度低，根據(jù)相關規(guī)范，每車道瀝青混凝土路面每200m鉆取一個芯樣，其代表性差；同時由于鉆取芯勞動強度大，芯樣厚度值用千分尺（或鋼尺）讀取，誤差大；二是取芯對于路面具有破壞作用，不能達到無損的目的。采用鉆孔取芯法，在鉆孔回填處，因應力集中或滲水的問題容易導致路面開裂，造成路面破壞，縮短了道路的使用壽命。

使用高速多通道地質(zhì)雷達對道路表面進行檢測，可以使數(shù)據(jù)采集連續(xù)性好，而且由于采用探測輪進行距離的標定，可以準確地定出道路異常點的位置。使用最新的SIR-20型地質(zhì)雷達進行道路檢測，其檢測速度一般為20～40km/ h，最高可達80km/h；檢測精度高，測量誤差≤3mm，并可自動區(qū)別不同材料的界面。地質(zhì)雷達檢測技術可對路面厚度指標做出全面實際的評價，為公路施工管理和維護提供科學依據(jù)，對確保工程質(zhì)量和延長道路使用壽命起到重要作用。另外，如果在路面施工過程中采用地質(zhì)雷達進行檢測，對路面厚度施工進行實時全程監(jiān)控，可顯著提高厚度控制水平，同時可以為節(jié)約施工材料帶來明顯的經(jīng)濟效益。從目前的發(fā)展態(tài)勢來看，地質(zhì)雷達無損檢測技術在高等級公路施工質(zhì)量監(jiān)控及維護中具有廣泛的應用前景。

現(xiàn)以上海市浦東新區(qū)某公路的檢測為例，具體說明SIR-20型地質(zhì)雷達的應用效果。

3.1公路結構層雷達探測

質(zhì)量良好的公路路基壓實較好、土層密實、分布均勻，除路面基層與填土間存在介電常數(shù)差異外，其它介質(zhì)介電常數(shù)變化較小，反射面不明顯。雷達探測圖上波形平緩、規(guī)則、無雜亂反射（圖1）。

3.2路基填土不密實

圖1　公路結構層地質(zhì)雷達掃描結果Fig.1　The scan results of road’s structure by ground penetrating radar （GPR）

路基填土不密實呈松散狀態(tài)，含水量相對偏大，個別甚至呈液限，此區(qū)域相對介電常數(shù)與周圍介質(zhì)相差較大。由于土層疏松、孔隙率大、含水量不均勻，故電磁波反射面多而亂。在雷達探測圖上表現(xiàn)為反射波較多、不連續(xù)且反射能量強弱變化較大，圖形較為雜亂，如圖2所示。

圖2　路基結構疏松區(qū)地質(zhì)雷達檢測結果Fig.2　The detection results of loosen area under road by GPR

3.3路面與填土層脫空

填土層下沉與路面基層之間脫空，一般范圍較大，脫空區(qū)空氣厚度為數(shù)厘米到數(shù)十厘米。脫空區(qū)介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，反射面明顯且反射能量強，反射波呈水平分布，如圖3所示。

圖3　路面結構脫空區(qū)域檢測結果Fig.3　The detection results of the road’s void area by GPR

3.4地下管線埋設所引起的結構體破壞

一般城市地下管線的埋設都是在公路修筑完成之后進行，在有管線井或是淺埋管線的位置，施工采用開挖補丁的方式進行，補丁一般是對損壞的面板用水泥混凝土或瀝青進行局部的修補。修補過后，由于補丁采用的材料與道路施工所用的材料配比上的不一樣，因而在這些區(qū)域，形成了疏松或是面層的損傷，導致路面在交付使用以后，在兩次施工的區(qū)域，形成微裂縫、露冒、麻面、剝落或是接縫損壞等，更有甚者會形成孔洞和坑槽。圖4為公路淺部管線的埋設造成的公路結構體損壞探測結果圖。

圖4　管線埋設造成的面層破壞雷達探測結果Fig.4　The detection results of face destroy because of buried pipe by GPR

3.5路基下高含水率

公路如果對于外界的自然因素（如雨水沖刷等）的抗沖刷能力和抗侵蝕能力不強，尤其是在填筑以后板結初期更容易被外界自然因素破壞，使其不易達到設計及規(guī)范要求的強度和密實度，在雨水浸泡過后，容易形成含水富集區(qū)，成為公路的結構與強度隱患。如圖5所示為含水富集、介質(zhì)介電常數(shù)差異較大引起的異常。

圖5　含水富集、介質(zhì)介電常數(shù)差異較大引起的異常Fig.5　The detection results of high rate of water content by GPR

4　結束語

抓好公路工程質(zhì)量是一項綜合性的工作，除制度上的保證之外，從技術的角度確保公路工程質(zhì)量是對公路主要病害進行預防與治理的關鍵。一般情況下，高填土施工技術下的公路病害主要表現(xiàn)為：高填路堤下沉、軟土地基超限沉陷、瀝青路面早期損壞、水泥路面斷板開裂、路面不平整、橋梁伸縮與橋頭跳車、隧道襯砌滲水、防護工程小型結構物表面粗糙、預應力管道壓漿不實等。在目前的技術條件下，要對這些病害問題進行探查，同時又不影響公路的通暢運營，應用高頻地質(zhì)雷達方法是一種無損、快速而又經(jīng)濟的可以解決此類問題的方法。而且從目前中國公路建設的發(fā)展速度來看，地質(zhì)雷達在公路質(zhì)量檢測中的應用具有非常廣闊的前景。

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Typical problems of freeways constructed on soft clay ground, and their detection by ground-penetrating radar

TAN Chun
（Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China）

Freeways that are constructed on soft clay ground exhibit particular problems. The quality of a freeway is the key factor determining whether the road will remain in a normal condition or not. From the development view， ground penetrating radar （GPR） is the best technique for inspecting the quality of the freeway. At the same time， GPR is time-saving， economical and efficient. It opens up broad possibilities for the use of modern technology.

freeway； disease analysis； ground penetrating radar； non-destructive test

P631

A

2095-1329（2016）03-0092-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.022

2016-06-27

2016-08-15

譚春（1975-），男，碩士，工程師，主要從事地球物理探測研究.

電子郵箱: tanqq2007@163.com

聯(lián)系電話: 021-56618152