熊延華,田 華,陽應(yīng)榮,溫肖博
(貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550014; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211100)
近年來,我國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面投入了大量資金,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展。為鼓勵(lì)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),政府實(shí)施了一系列優(yōu)惠政策。然而,高速公路混凝土路面存在材料差異和孔隙率高等問題,傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)難以直觀分辨道路損傷情況。近年來,探地雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路工程領(lǐng)域,并取得了良好效果。該技術(shù)能無損檢測(cè)公路路面結(jié)構(gòu)層厚度和路基路面質(zhì)量,提供各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)和公路使用性能評(píng)價(jià),同時(shí)也能獲取公路路基、鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度、路拱橫坡和病害情況等數(shù)據(jù),為病害原因分析和補(bǔ)強(qiáng)加固提供準(zhǔn)確參考,有助于提高公路性能和延長(zhǎng)使用壽命。該文探討了探地雷達(dá)技術(shù)在提升工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度和降低成本等方面的作用和意義,并通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的綜合研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),旨在為高速公路建設(shè)提供更快速、更準(zhǔn)確的無損檢測(cè)解決方案,以推動(dòng)高速公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。
三維探地雷達(dá)利用高頻脈沖電磁波在地下傳播時(shí),當(dāng)不同介電屬性的物質(zhì)層存在界面差異時(shí),電磁波會(huì)發(fā)生折射和反射,返回地面并通過接收天線接收回波信號(hào)。在電磁波的反射和穿透過程中,其波形和強(qiáng)度會(huì)因介質(zhì)的幾何形狀和電磁特性變化而改變。通過分析接收到的探地雷達(dá)脈沖波形和繪制雷達(dá)波譜圖,可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)雙程走時(shí)、振幅、波長(zhǎng)和信號(hào)強(qiáng)度等特征進(jìn)行分析和處理,進(jìn)而獲得地下的三維空間、幾何形態(tài)和介電特性信息。通過分析雷達(dá)圖像,可以直觀地觀察地下道路損傷情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)路面內(nèi)部病害的快速、無損檢測(cè)[1]。
探地雷達(dá)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用有利于進(jìn)一步提高高速公路建設(shè)質(zhì)量和效率。
(1)精確無損檢測(cè)。探地雷達(dá)可以對(duì)高速公路的路基、路面和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層精確地進(jìn)行無損檢測(cè),包括測(cè)量厚度、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特征等。通過獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),可以評(píng)估工程質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)病害和缺陷,并及時(shí)采取修復(fù)和加固措施[2]。
(2)提高施工效率。探地雷達(dá)以高速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,可以快速獲取地下結(jié)構(gòu)的信息,有助于加快施工進(jìn)度和決策過程,減少工程延誤,并提高施工效率。
(3)降低施工成本。通過精確的無損檢測(cè),可以避免不必要的拆除和重建,減少施工中的浪費(fèi)和成本。探地雷達(dá)可以幫助識(shí)別結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量問題,并及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?,降低施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)和成本[3]。
(4)延長(zhǎng)使用壽命。通過定期或階段性的探地雷達(dá)檢測(cè),可以監(jiān)測(cè)和評(píng)估高速公路的結(jié)構(gòu)健康狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的病害和損傷,有助于延長(zhǎng)公路的使用壽命,提高交通安全性和可持續(xù)性[4]。
(5)數(shù)據(jù)支持決策。探地雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)可以用于工程設(shè)計(jì)、施工監(jiān)控和維護(hù)管理等方面的決策支持。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析和解釋,可以制定合理的工程方案,并進(jìn)行有效的資源分配和管理。
探地雷達(dá)在高速公路建設(shè)中起著重要的作用,可以提供精確的無損檢測(cè)、提高施工效率、降低成本、延長(zhǎng)使用壽命,并為決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持[5]。這種技術(shù)的應(yīng)用有助于提升高速公路的質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。
三維探地雷達(dá)在近地表工程勘探中廣泛應(yīng)用,具備高分辨率、準(zhǔn)確性高、效率高、結(jié)果直觀、全覆蓋等特點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)包括:
(1)數(shù)據(jù)全覆蓋、高密度:通過多通道采集技術(shù),三維探地雷達(dá)獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)具有全覆蓋和高密度的特點(diǎn),能夠較全面地了解地下結(jié)構(gòu)的信息。而且,采取多通道采集技術(shù)時(shí),數(shù)據(jù)的安全性相對(duì)較高。
(2)高數(shù)據(jù)分辨率:三維探地雷達(dá)具備高數(shù)據(jù)分辨率,能夠直觀地查看地下物體的異常狀態(tài)可以,并可以滿足不同深度探測(cè)的要求,通過選擇不同中心頻率的雷達(dá)天線,可以獲得更詳細(xì)和精確的數(shù)據(jù)。
(3)任意平面和深度數(shù)據(jù)截?。涸摷夹g(shù)可以對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取和分析,使得處理結(jié)果可以展示在任何平面和深度上,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的三維展示,方便對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位觀察和分析。
(4)高數(shù)據(jù)采集效率:三維探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集效率較高,不會(huì)影響施工作業(yè)的進(jìn)行。這使得在探測(cè)作業(yè)期間可以高效率、快速地獲取數(shù)據(jù),同時(shí)不會(huì)損壞路面或結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了無損探測(cè)。
(5)廣泛適用范圍:三維探地雷達(dá)適用范圍廣泛,不僅可以對(duì)公路路面的厚度、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),還可用于工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)層厚度測(cè)試等領(lǐng)域。其在土木工程、建筑工程、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
(6)高探測(cè)速度:三維探地雷達(dá)采用低頻率的雷達(dá)發(fā)射天線,使得探測(cè)速度非???。在高速公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)中,可以在短時(shí)間內(nèi)完成大型檢測(cè)項(xiàng)目。
(7)快速數(shù)據(jù)處理和成像速度:由于三維探地雷達(dá)的天線頻率較低,數(shù)據(jù)采集速度相對(duì)較快,有助于加快數(shù)據(jù)處理和成像速度,提高工作效率。
(8)強(qiáng)大的圖像識(shí)別能力:三維探地雷達(dá)具備較強(qiáng)的圖像識(shí)別能力,可以分辨出微小的差異。通過軟件處理和圖像識(shí)別的方法,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理,得出可靠的結(jié)果。
(9)應(yīng)用范圍廣泛:三維探地雷達(dá)技術(shù)廣泛應(yīng)用于公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè),以及工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)層厚度測(cè)試等領(lǐng)域,為這些領(lǐng)域提供了一種高效、準(zhǔn)確的探測(cè)方法。
某高速公路建設(shè)線路K33+356~K93+920地下存在大量沉陷、裂縫、坑槽等病害。為探明該公路建設(shè)線路地下病害發(fā)育情況,明確高速公路建設(shè)難點(diǎn),確定道路病害解決對(duì)策,同時(shí)為道路施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐,采用探地雷達(dá)對(duì)K33+356~K93+920段沿線地下病害分布情況進(jìn)行探測(cè)。檢測(cè)線路長(zhǎng)度約為11 km,由于受到地形和地質(zhì)限制,大部分道路均使用點(diǎn)測(cè)方法,采用100 MHz雷達(dá)天線開展探測(cè)工作,采用時(shí)窗為300 ns,探測(cè)深度約為15~20 m,采樣點(diǎn)距為0.5 m。
以1 000 m為基準(zhǔn)劃分單元段落,根據(jù)探地雷達(dá)對(duì)道路內(nèi)部損失結(jié)果,統(tǒng)計(jì)不同道路單元沉陷面積、脫落空體積及裂縫率,并繪制道路病害分布圖,以此來直觀地表征該高速公路建設(shè)路段不同類型病害分布情況[6]。其中,道路裂縫率計(jì)算公式如下所示:
式中,r——裂縫率(m/1 000 m2);s——檢測(cè)區(qū)域面積(m2);l——裂縫程度,包括縱向和橫向裂縫(m)。
圖1所示為道路裂縫病害分布情況。從圖中可以看出,該段道路裂縫病害較多,主要集中于道路基層和面層,土基和底基層裂縫病害相對(duì)較少。該段道路裂縫病害較為嚴(yán)重的路段分別為K112+000~K118+000、K89+000~K99+000及K77+800~K80+000基層和面層位置[7]。
圖1 道路裂縫病害分布圖
圖2所示道路空洞病害分布情況,由圖可知該段道路空洞病害主要集中于基層和面層,底基層空洞病害相對(duì)較少,土基無空洞病害。該段道路空洞病害主要分布于K107+000~K113+000、K99+00~K102+000、K87+000~K95+000、K77+800~K80+000,以上路段空洞病害較為嚴(yán)重,此外K112+00~K119+000、K115+000~K119+000、K107+000~K117~000路段病害嚴(yán)重程度相對(duì)較低。
圖2 道路空洞病害分布圖
圖3所示為道路沉陷病害分布情況。通常情況下道路沉陷病害主要由土基層陷落所引起的,因此針對(duì)該病害主要檢測(cè)土基。由圖可知該段道路沉陷病害主要分布于K84+000~K86+000、K88+00~K94+000、K110+000~K116+000,以上幾段道路沉陷病害較為嚴(yán)重,呈現(xiàn)集中沉陷情況。
圖3 沉陷病害分布圖
從圖1~3可以看出,該段高速公路裂縫病害較為嚴(yán)重,沉陷病害和空洞病害相對(duì)較輕,可見該段高速公路裂縫為主要病害。根據(jù)探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果分析得知,該段道路病害產(chǎn)生的原因包括以下幾方面:一是道路在溫度和荷載雙重作用下出現(xiàn)疲累裂縫;二是土基土質(zhì)不穩(wěn)定出現(xiàn)土基下沉現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)層脫落出現(xiàn)空洞病害;三是道路空洞病害在車輛荷載作用下會(huì)引發(fā)裂縫病害。另外,該段道路底基層和基層采用半剛性結(jié)構(gòu)材料,由于受材料特性影響,道路底基層、基層出現(xiàn)溫縮和干縮裂縫[8]。
為簡(jiǎn)化分析工作量,選擇具有代表性的路面內(nèi)部和表面狀況路段K90+000~K100+000進(jìn)行分析。
圖4所示為高速公路各結(jié)構(gòu)層裂縫率分布曲線。從圖中可以看出,該段道路水穩(wěn)基層、瀝青面層開裂程度相對(duì)嚴(yán)重,其中水穩(wěn)底基層開裂問題相對(duì)較輕。從變化曲線來看,不同結(jié)構(gòu)層裂縫率分布規(guī)律基本一致,尤其是水穩(wěn)基層和瀝青面層裂縫率分布規(guī)律一致性較高。由此可見,該段道路結(jié)構(gòu)層裂縫病害主要為干縮裂縫和溫縮裂縫;而瀝青面層裂縫病害主要為底基層、基層干縮裂縫和溫縮裂縫,并且該病害具有向上發(fā)展的趨勢(shì),并最終形成反射裂縫[9]。
圖4 道路各結(jié)構(gòu)層裂縫率分布
該路段底基層雷達(dá)影像較為模糊,并且底基層積水較多,水穩(wěn)基層-底基層、瀝青面層-水穩(wěn)基層、空氣-瀝青面層三個(gè)界面清晰看見,但是水穩(wěn)底基層-路基層無法明確辨識(shí),由此可見該路段底基層受積水的影響較為嚴(yán)重。造成雷達(dá)影像模糊不清的原因是底基層水介電常數(shù)為81,大于底基層介電常數(shù),并且由于水與路基材料介電常數(shù)差距較大,導(dǎo)致電磁波混亂無序,進(jìn)而使得雷達(dá)影像模糊。
底基層出現(xiàn)大量積水的原因主要包括以下幾點(diǎn):一是該道路段所處區(qū)域?yàn)楹Q笮詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年降雨量相對(duì)較大;二是該道路中央分隔帶不具備隔水作用;三是道路結(jié)構(gòu)層與中央分隔帶的隔水措施相對(duì)較差,導(dǎo)致雨水通過中央分隔帶滲入道路內(nèi)部。
探地雷達(dá)技術(shù)作為一種新型的無損檢測(cè)方法,在高速公路建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用,其通過快速、無損、準(zhǔn)確的特點(diǎn)可以為施工提供高質(zhì)量的施工資料,保證了施工質(zhì)量;同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)中存在的問題,從而提高工程建設(shè)質(zhì)量。因此,在高速公路建設(shè)中應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。從探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果來看,該路段裂縫病害較為嚴(yán)重。實(shí)際上所有的道路病害均是道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)承載能力弱化的表現(xiàn),在實(shí)際施工過程中應(yīng)針對(duì)裂縫、空洞和沉陷病害展開針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)。