超聲多普勒監(jiān)測多年凍土區(qū)路基變形方法研究

仵靖

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102627）

路基是道路承重的主體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到道路的使用和安全性能。通常情況下，人們利用保證凍土的結(jié)冰狀況及控制地?zé)釥顟B(tài)變化，限制凍土融化狀態(tài)，使其在可以承受的限度內(nèi)來處理多年凍土道路工程的穩(wěn)定性問題。多年凍土中含有大量冰，因此對熱量擾動極為敏感[1]。針對多年凍土路基變形問題，除開展常規(guī)的道路工程地質(zhì)研究、測量、勘察、測試和穩(wěn)定性評估工作之外，還應(yīng)適時合理地進行施工檢測，保證道路工程的安全性。多年凍土區(qū)的道路路基常年在外界嚴(yán)寒環(huán)境、人為車輛荷載等自然環(huán)境與人為影響的共同作用下，特別容易發(fā)生變形，比如出現(xiàn)翻漿、融沉等變形病害，嚴(yán)重影響多年凍土區(qū)的交通運輸安全，降低人們的駕乘舒適性。

盡管目前國內(nèi)外都很重視對于路基監(jiān)測方面的研究，設(shè)計了許多監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測儀器；但尚缺乏一套針對多年凍土區(qū)路基監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法，工程技術(shù)人員大多通過監(jiān)測路基下部溫度場變化來評價路基穩(wěn)定性狀況。超聲多普勒測量是基于超聲波特性和多普勒原理的一種測量方法，不受冰凍土質(zhì)影響，測量效率極高，而且?guī)缀醪皇鼙粶y介質(zhì)的干擾參數(shù)影響，尤其還帶有其他檢測技術(shù)所沒有的抗強腐蝕、不導(dǎo)電性、放射性，能完成極端環(huán)境等條件的地質(zhì)測量任務(wù)，是一種精準(zhǔn)、穩(wěn)定、快速的測量方法[2]。

為深入研究多年凍土區(qū)路基變形情況，分析其病害演化過程和特征，以便更好地提出多年凍土區(qū)路基路面變形病害防治對策，本文結(jié)合公路路基及多年凍土區(qū)特點，設(shè)計了基于超聲多普勒的、人工觀測與自動監(jiān)測相結(jié)合的多年凍土區(qū)路基變形監(jiān)測方法，對多年凍土區(qū)的路基路面變形情況進行監(jiān)測。

1 監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 布設(shè)監(jiān)測設(shè)備

影響凍土公路路基變形的因素有很多，包括凍土地溫、含冰量、凍土上限、路基高度與工程措施等[3]。高含冰量凍土路段是多年凍土區(qū)公路變形病害的主要路段，因此監(jiān)測設(shè)備主要布置在高含冰量凍土路段，以便獲得更完全準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。對監(jiān)測地的現(xiàn)行路基單側(cè)鉆孔，鉆孔與監(jiān)測路基在同一水平線，做垂直孔洞6個，孔洞深大約在20 m。1號洞與路基坡邊緣的距離大約在30 m；2號洞與路基坡邊緣的距離較小，大約在10 m以內(nèi)；3號洞與路基坡邊緣的距離大約在8 m以內(nèi)；4號洞與路基坡邊緣的距離則為6 m；5號洞與路基坡邊緣的距離在4 m以內(nèi)；6號洞則在路基坡的邊緣，與基腳相連。見圖1。

圖1 監(jiān)測點布置

確定好孔洞位置后，在6個孔洞內(nèi)分別安裝超聲多普勒監(jiān)測儀。監(jiān)測儀一端為超聲波信號發(fā)射器，用以發(fā)射監(jiān)測凍土區(qū)路基土質(zhì)構(gòu)造的信號波；另一端安裝信號接收器以及小波降噪處理器，用以接收土質(zhì)所反射的回波信號，對信號降噪處理，方便之后及時進行線上的監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析；同時輔助以高熱敏電阻傳感器，配套安裝6個，保證間隔距離為5 m、深度20 cm，接收多年凍土區(qū)路基土質(zhì)溫度變化，實時監(jiān)測溫度對路基冰凍、融化的影響。

1.2 監(jiān)測原理

超聲波能量很大，能夠產(chǎn)生顯著的聲壓，很容易被監(jiān)測到。為了直觀理解超聲多普勒測量原理，構(gòu)建出超聲多普勒測量的數(shù)學(xué)模型。見圖2。

圖2 超聲多普勒測量數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2及超聲波在不同介質(zhì)分界面發(fā)生反射的特性，利用安裝在孔洞一側(cè)的超聲傳感器超聲發(fā)射探頭，向路基的土地介質(zhì)發(fā)射中心頻率為3 MHz的超聲波，當(dāng)傳播路徑上遇到微小的固體顆粒，超聲波被散射，測量儀另一側(cè)的接收探頭接收回波信號。這種回波含有多普勒頻移分量，通過檢測超聲波在路基回波信號，對其進行分析處理，就可以從中測得路基形狀信號；根據(jù)超聲波移頻，可以檢測到路基的距離和狀態(tài)，分析出路基地質(zhì)變化以及土質(zhì)運動軌跡。

1.3 計算路基土質(zhì)數(shù)據(jù)

路基的變形和基底土質(zhì)溫度變化狀況密切相關(guān)，凍土融化產(chǎn)生的變形，是多年凍土路基變形的主要因素。凍土土質(zhì)固體顆粒的變化運動速度為u，超聲發(fā)射探頭發(fā)射信號α，接收回的回波信號為α+△α。需要對回波信號進行解調(diào)，得到含有路基路面凍土土質(zhì)變化周期信息的頻移信號。在凍土區(qū)的土壤水分流速方程為

式中：H為凍土土壤的導(dǎo)水系數(shù)；μ為壓力水頭；α為水勢梯度；n為水流通量；m為土壤負(fù)壓。

由于凍土土壤中的水分不完全是液態(tài)，大多是以固態(tài)存在，即

式中：θ為液態(tài)水在土壤中的等效體積；表示土壤中固態(tài)水的密度；θ1表示初始含水量；θX表示飽和含水量。

土壤的水分移位變化方程可以表示為

由以上公式可以計算出土壤包括固液態(tài)在內(nèi)的總含水量，凍土土壤的水系數(shù)可以通過該數(shù)學(xué)模型計算。

土壤水體移位變化會影響路基的土質(zhì)穩(wěn)定，變形為

式中：ωn為彈性變化；ωm為溫度變化；ωcv為土壤塑性的變化。

路基瞬態(tài)平衡表示如下

式中：?為平衡精度等級；M為路基參數(shù)；ε為水平方向的滲透系數(shù)；r為垂直方向的滲透系數(shù)；PX為平衡狀態(tài)下的路基量值。

路基的土壤位移與應(yīng)變之間的關(guān)系

式中：G為土壤應(yīng)力參數(shù)。

路基的土壤塑性應(yīng)變

式中：?κ為軸差應(yīng)力；為回彈應(yīng)變。

在以超聲傳感器為中心的圓周徑向方向布設(shè)路基觀測斷面，通過研究路基徑向方向，地質(zhì)等值線的疏密程度，來判斷路基路面的變形狀態(tài)。同時通過計算熱敏儀傳輸?shù)牡鼗临|(zhì)溫度數(shù)據(jù)，計算平均地溫變化，輔助測量凍土區(qū)路基路面變形狀態(tài)。根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，路基坡下部凍土上限有輕微抬升，沉降變形的變化量最小。

1.4 變形監(jiān)測

多年凍土區(qū)的凍土路基在經(jīng)歷周期性凍融循環(huán)后，道床填充和活動層壓縮，永久凍土層融化和壓縮變形。分析不同凍土條件下路基下土體變形演化規(guī)律及機理，有針對性地對多年凍土區(qū)路基路面變形監(jiān)測，還要監(jiān)測路基含水量、地溫(凍結(jié)深度)、地下水位及氣象等，以輔助確定土質(zhì)變化狀態(tài)。使用加熱棒或高敏電阻傳感器可以對凍土區(qū)土質(zhì)溫度變化進行監(jiān)測。使用加熱棒后，基于超聲多普勒測量多年凍土區(qū)路基基底土質(zhì)融化深度，收集信號數(shù)據(jù)，對比普通填土路基的融化深度，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷多年凍土區(qū)路基與之相比的融化深度大小，判斷凍土區(qū)路基陰陽坡之間的溫度差異，分析判斷多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定程度。本文使用高敏電阻感應(yīng)凍土區(qū)土質(zhì)溫度變化，監(jiān)測期間，所有監(jiān)測點的凍土上限都在波動中下降，凍土地溫普遍逐年增高，多年凍土退化嚴(yán)重，有的已經(jīng)退化為季節(jié)凍土，凍土區(qū)面積減小、低溫凍土向高溫凍土轉(zhuǎn)化，溫差的劇烈變化嚴(yán)重影響著道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

多年凍土區(qū)現(xiàn)有路面多為瀝青路面，這種結(jié)構(gòu)是以半剛性基層為主的路面結(jié)構(gòu)，剛度大、承載高、板體性強，能夠滿足日益增加的交通荷載[4]。多年凍土區(qū)土壤冰凍與融化的水熱參數(shù)檢測結(jié)果見表1。

表1 土壤水熱參數(shù)

續(xù)表1

根據(jù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)凍土活動層厚度不斷增加，多年凍土發(fā)生不同程度退化，隨著建成時間的增加呈逐漸加深趨勢，凍土上限這種不均勻變化使路基下形成了明顯的融化盤，在常年低溫和反復(fù)凍融循環(huán)作用下，凍土區(qū)路面瀝青面層變脆變硬，而高強度的太陽紫外線輻射又進一步加劇了瀝青的老化，外界對路基下凍土的影響程度逐漸增大，在重載交通反復(fù)作用及多年凍土退化綜合作用下，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一系列的裂縫、變形、車轍、擁包、泛油、坑槽等病害。對于路基結(jié)構(gòu)來說，路基下融化盤將可能逐漸融合到一起，直至貫通；路基下地基的變形也將會逐步反映到路基頂面，路面破壞失去對路基凍土的保護，在自然環(huán)境與重載使用相互作用下，強烈影響路基的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的路基融沉破壞[5]。

使用基于超聲多普勒的多年凍土區(qū)路基路面變形監(jiān)測方法，加上熱敏儀器對溫度的監(jiān)測，可以共同實現(xiàn)對多年凍土區(qū)路基土質(zhì)變化、路基下基底凍土的變形狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

2 試驗分析

為驗證本文設(shè)計，分別使用傳統(tǒng)監(jiān)測方法與本文設(shè)計方法，開展多年凍土區(qū)凍土路基溫度和變形演化過程監(jiān)測試驗。

2.1 試驗準(zhǔn)備

以多年凍土區(qū)某公路為依托，綜合沿線總體概況，選擇地質(zhì)條件和工程條件相似的路段，分別在路基左側(cè)布置傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，路基右側(cè)布置超聲多普勒傳感儀器并實施自動連續(xù)采集，采集頻率為6次/d，采集期3個月。

2.2 試驗結(jié)果

兩種方法分別測出兩組數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 路基變動對比結(jié)果

3 結(jié)語

由圖3可以看出，多年凍土區(qū)凍土路基高度逐漸降低，路面主要發(fā)生沉降變形，雖然路基幅度逐漸變緩；但仍處于逐漸下降變動中，引起路基下原地表多年凍土融化，產(chǎn)生明顯的豎向變形。

傳統(tǒng)方法雖然監(jiān)測到路基變化速度最快，在前15 d左右；但是監(jiān)測數(shù)據(jù)后期不夠精準(zhǔn)且在45 d之后的監(jiān)測期內(nèi)，測量數(shù)據(jù)基本不變，維持在-0.2 mm左右。顯然傳統(tǒng)監(jiān)測方法在低溫凍土區(qū)耐耗性不足，出現(xiàn)部件故障或是受低溫環(huán)境影響測量敏感度下降。

本文設(shè)計方法30～40 d期間明顯下降幅度是更大的，達(dá)到約-2.5 mm，而傳統(tǒng)方法監(jiān)測數(shù)據(jù)則接近-2 mm，明顯低于本文設(shè)計方法監(jiān)測數(shù)據(jù)；在75～90 d期間，測量感應(yīng)更加靈敏，監(jiān)測路基降沉速度變緩，約在-0.2 mm下值波動，而傳統(tǒng)方法監(jiān)測數(shù)據(jù)保持平穩(wěn)，甚至有增加趨勢?？梢姳疚脑O(shè)計方法監(jiān)測多年凍土區(qū)路基變化數(shù)據(jù)反饋及時，在低溫極端環(huán)境仍能夠精準(zhǔn)監(jiān)測運行，實現(xiàn)多年凍土區(qū)凍土路基路面變化實時與精準(zhǔn)監(jiān)測。

基于超聲多普勒的多年凍土區(qū)路基路面變形監(jiān)測方法設(shè)計，依托超聲多普勒超聲波信息傳導(dǎo)，根據(jù)回波信號分析數(shù)據(jù)，對多年凍土區(qū)路基路面變形情況進行跟蹤監(jiān)測。試驗表明，本文設(shè)計的方法在對多年凍土區(qū)路基變形監(jiān)測方面具有極高的有效性。但超聲波多普勒的監(jiān)測技術(shù)在多年凍土區(qū)的實際應(yīng)用過程中仍然存在技術(shù)難點，如：超聲波多普勒監(jiān)測設(shè)備小型化、耐惡劣工況高可靠性設(shè)備的開發(fā)等都是亟待研究解決的問題。