高速公路路基沉降病害處治及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

摘要 文章以某實(shí)際高速公路工程為例，展開(kāi)高速公路路基沉降病害處治及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究。首先，對(duì)路基沉降變形的機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致分析，然后針對(duì)路基病害，提出了DCG技術(shù)和SDJ技術(shù)兩種路基沉降病害處治方法，介紹了其各自的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和施工方法。最后，依托實(shí)體工程進(jìn)行應(yīng)用，采用三維探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分別對(duì)DCG、SDJ加固后的路基進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)比分析了注漿效果，結(jié)果顯示DCG和SDJ技術(shù)注漿效果實(shí)際差距不大，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、施工便利性，DCG技術(shù)更加適用于路基沉降病害處治量大的地區(qū)。基于Burgers模型對(duì)經(jīng)DCG技術(shù)加固處理后的路基未來(lái)長(zhǎng)期變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示該路基未來(lái)10年期內(nèi)沉降量為32.18 mm。

關(guān)鍵詞 高速工程；路基沉降；DCG技術(shù)；探地雷達(dá)；無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U418 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0121-03

0 引言

高速公路作為連接城市與鄉(xiāng)村、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性和穩(wěn)定性對(duì)于保障交通流暢、提高運(yùn)輸效率具有舉足輕重的地位。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，高速公路路基由于地質(zhì)條件、施工質(zhì)量、交通荷載等多種因素的影響，往往會(huì)出現(xiàn)沉降病害，不僅影響道路的平整度和行車(chē)舒適性，更對(duì)行車(chē)安全造成嚴(yán)重。因此，對(duì)高速公路路基沉降病害的及時(shí)識(shí)別與有效處治顯得尤為重要。近年來(lái)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在高速公路路基沉降檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，其中三維探地雷達(dá)技術(shù)以其高分辨率、高效率、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為路基沉降檢測(cè)的重要手段。三維探地雷達(dá)技術(shù)通過(guò)發(fā)射高頻電磁波并接收反射信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損探測(cè)，從而準(zhǔn)確識(shí)別路基沉降病害的位置、范圍和程度。

1 路基沉降變形機(jī)理分析

路基沉降變形是當(dāng)前高速公路路基病害中一種常見(jiàn)的問(wèn)題，不僅影響道路的平整度和安全性，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期損壞。路基沉降變形的根本原因在于土體的力學(xué)響應(yīng)，土壤作為一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在著復(fù)雜的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)外部載荷，如車(chē)輛荷載、自重等作用于路基時(shí)，土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致土顆粒之間的相對(duì)位移，進(jìn)而產(chǎn)生形變，這種形變?cè)诤暧^上表現(xiàn)為路基的沉降。其次，土體的性質(zhì)，如黏聚力、內(nèi)摩擦角等，決定了路基整體抵抗外力的能力，當(dāng)土體性質(zhì)較差，如含水率過(guò)高、壓實(shí)度不足時(shí)，其抵抗外力的能力會(huì)顯著降低，路基更容易發(fā)生沉降變形。在路基填筑過(guò)程中，若路基填筑材料選擇不當(dāng)、填筑工藝不合理或壓實(shí)度不足，將會(huì)加劇路基的沉降變形，特別是當(dāng)填筑材料中存在大量的空隙和軟弱夾層時(shí)，在多雨、軟土和黃土地區(qū)，路基沉降情況更加嚴(yán)重。

2 路基沉降病害處治方法

2.1 DCG技術(shù)

DCG（鄧氏化學(xué)注漿）技術(shù)[1]充分利用漿液的特性和土體的力學(xué)反應(yīng)，通過(guò)將合理配制好的兩種漿液，利用加壓注漿系統(tǒng)強(qiáng)力灌入土體的裂隙之中，隨著注漿壓力的持續(xù)上升，原本相對(duì)穩(wěn)定的土體會(huì)因外部壓力而產(chǎn)生“液壓開(kāi)裂”現(xiàn)象，如同在土體結(jié)構(gòu)中開(kāi)啟了新的通道。此時(shí)，兩種具有特定性能的漿液沿著裂面順勢(shì)進(jìn)入，二者之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并迅速初凝，使得兩種漿液得以混合形成具有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的固結(jié)體，從而有效地“堵塞”注漿通道，阻止?jié){液的過(guò)度擴(kuò)散。同時(shí)由于壓力的持續(xù)作用，又會(huì)在其他位置形成新的劈裂面，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的有效加固和穩(wěn)定。

DCG技術(shù)所采用的化學(xué)漿液具有獨(dú)特的性質(zhì)，能夠在與土體相互作用時(shí)強(qiáng)有力地將土體中原本所含的水分?jǐn)D出，土體內(nèi)的顆粒排列得以更加緊密，使得土體的密實(shí)度獲得進(jìn)一步的提升，為路基的穩(wěn)固性奠定了重要的基礎(chǔ)，能夠有效抵御外部壓力和變形。同時(shí)，在面對(duì)硫酸鹽漬土的特殊情況時(shí)，DCG技術(shù)的化學(xué)注漿表現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性，通過(guò)在化學(xué)漿液中加入氯化鈣和氯化鋇等物質(zhì)，能夠針對(duì)性地改善硫酸鹽漬土的鹽漬化和鹽漲效應(yīng)，有效抑制鹽分的活動(dòng)和不良影響，降低鹽漬化程度，緩解鹽漲帶來(lái)的危害，化學(xué)反應(yīng)如公式（1）、公式（2）所示：

（1）

（2）

在進(jìn)行化學(xué)注漿后，注入土體的化學(xué)漿液中的離子會(huì)在土體內(nèi)受到多種力的作用而開(kāi)始移動(dòng)和擴(kuò)散。由于化學(xué)勢(shì)差的存在，離子會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域自然擴(kuò)散，以求達(dá)到一種平衡狀態(tài)，在自然擴(kuò)散過(guò)程中，離子會(huì)逐漸滲透到土體的孔隙和裂隙之中，填充其中的空間。同時(shí)，土體自身的微觀結(jié)構(gòu)和特性也會(huì)對(duì)離子擴(kuò)散產(chǎn)生影響，土顆粒表面帶有電荷，會(huì)與化學(xué)灌漿離子產(chǎn)生靜電作用，吸引或排斥離子，從而引導(dǎo)離子在特定方向上的擴(kuò)散，該靜電相互作用使得離子能夠更好地與土顆粒結(jié)合或在其周?chē)植肌?/p>

2.2 SDJ技術(shù)

SDJ（地聚合物注漿）技術(shù)[2]以偏高嶺土和堿激發(fā)劑作為主要原料，當(dāng)其相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)。首先，在溶解階段，偏高嶺土在堿激發(fā)劑的作用下開(kāi)始溶解，打破原有的結(jié)構(gòu)。接著，進(jìn)入單體重構(gòu)階段，溶解后的物質(zhì)開(kāi)始重新組合形成新的單體結(jié)構(gòu)。然后，在聚縮反應(yīng)中，溶解后形成的單體進(jìn)一步聚合和縮合，最終生成一種具有特殊性能的新膠凝材料。該新膠凝材料具有良好的黏結(jié)性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為加固路基提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

SDJ加固技術(shù)作為一種先進(jìn)的“非開(kāi)挖”填充加固技術(shù)，有著嚴(yán)謹(jǐn)而有序的工藝流程。首先利用專用的鉆孔設(shè)備，在需要加固的路基部位精準(zhǔn)地鉆出合適的孔洞，接著通過(guò)壓漿設(shè)備將調(diào)配好的地聚合物漿液注入路基的孔隙和孔洞之中。當(dāng)漿液進(jìn)入土體后，會(huì)發(fā)揮出滲透作用，逐漸深入到各個(gè)微小的縫隙和孔洞。同時(shí)，漿液也會(huì)對(duì)周?chē)奈镔|(zhì)產(chǎn)生擠壓作用，迫使孔隙及孔洞中的水和空氣向外排出，從而為漿液的填充創(chuàng)造有利條件。隨著漿液的不斷滲透、擠壓和填充，逐漸填滿路基中的孔隙和孔洞，形成一個(gè)緊密結(jié)合的加固結(jié)構(gòu)體。

注漿壓力與注漿孔距是SDJ施工中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。就注漿壓力而言，其大小狀況會(huì)對(duì)漿液分散填充所能達(dá)到的效果產(chǎn)生顯著影響，如果注漿壓力過(guò)大，則會(huì)對(duì)道路結(jié)構(gòu)整體造成破壞；若是注漿壓力過(guò)小，又難以讓漿液有效地分散并滲透到路基之中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的填充效果，降低路基沉降處理效果，漿液擴(kuò)散半徑通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行合理確定，以保障施工的質(zhì)量和效果。

3 探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1 檢測(cè)原理

探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)送高頻電磁波，當(dāng)這些電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到介電常數(shù)不同的介質(zhì)界面或異常體，如空洞、裂縫或不同材質(zhì)的巖石層，電磁波便會(huì)產(chǎn)生反射，反射回來(lái)的電磁波被接收天線接收后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，可以轉(zhuǎn)換為地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息圖像。在數(shù)據(jù)處理階段，雷達(dá)信號(hào)首先會(huì)經(jīng)過(guò)濾波和增益恢復(fù)等步驟，以去除噪聲、提高信號(hào)質(zhì)量。隨后信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)換為能夠直觀反映出目的體與周邊介質(zhì)之間電性差異的雷達(dá)探測(cè)圖像，這些差異表現(xiàn)為圖像上的不同亮度和紋理特征。通過(guò)對(duì)雷達(dá)探測(cè)圖像的同相軸進(jìn)行追蹤，可以測(cè)定目的體反射波的旅行時(shí)T。結(jié)合已知的電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度V，就可以利用簡(jiǎn)單的物理公式計(jì)算出目的層的

深度h。

3.2 探地雷達(dá)剖面高分辨率處理技術(shù)

（1）數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)的基本思想是將探地雷達(dá)接收到的原始信號(hào)視為一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選和處理。在處理過(guò)程中，濾波器相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)T，接收輸入信號(hào)x（t），并輸出經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)y（t），y（t）即為經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波技術(shù)處理后的信號(hào)，其頻譜特性得到優(yōu)化，目標(biāo)信號(hào)得到突出。

（2）橫向?yàn)V波技術(shù)

在探地雷達(dá)應(yīng)用中，儀器運(yùn)行時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一些固定干擾源，會(huì)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的有效信號(hào)形成強(qiáng)烈的壓制作用，為消除這些固定干擾波，橫向?yàn)V波器應(yīng)運(yùn)而生。橫向?yàn)V波器通過(guò)分析輸入信號(hào)中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頻率和能量分布，識(shí)別出固定干擾波的特征，并據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波算法。在濾波過(guò)程中，橫向?yàn)V波器會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)或逐段地處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的濾波器參數(shù)（如截止頻率、帶寬等），對(duì)信號(hào)中的頻率成分進(jìn)行篩選和抑制。

（3）小波變換

小波變換的核心思想在于將信號(hào)分解為一系列小波函數(shù)的疊加，這些小波函數(shù)具有不同的頻率和時(shí)間尺度，能夠匹配信號(hào)中的不同特征。通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算，小波變換可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，實(shí)現(xiàn)在不同頻率和時(shí)間分辨率下對(duì)信號(hào)特征的精確提取。

（4）預(yù)測(cè)反褶積

預(yù)測(cè)反褶積的核心原理是基于信號(hào)的可預(yù)測(cè)性，在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中，信號(hào)主要由多個(gè)不同頻率和振幅的波組成。預(yù)測(cè)反褶積技術(shù)假設(shè)，如果某個(gè)信號(hào)是可以預(yù)測(cè)的，那么其后續(xù)的值可以通過(guò)其過(guò)去的值和當(dāng)前的值來(lái)估算，“可預(yù)測(cè)量”是指那些遵循一定模式或規(guī)律的信號(hào)成分，其后續(xù)狀態(tài)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)反褶積方法首先通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)測(cè)濾波器來(lái)識(shí)別并提取可預(yù)測(cè)量的信號(hào)成分，利用已知的過(guò)去以及現(xiàn)在的信號(hào)值來(lái)預(yù)測(cè)后續(xù)的信號(hào)值，并據(jù)此構(gòu)建一個(gè)預(yù)測(cè)信號(hào)。然后，原始信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)進(jìn)行相減，從而消除或削弱那些可預(yù)測(cè)的信號(hào)成分，進(jìn)而得到一個(gè)更加“純凈”的、分辨率更高的信號(hào)，有效地提高了地震資料或雷達(dá)數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率。

4 實(shí)體工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某高速公路工程全長(zhǎng)10.32 km，該工程為填方路基，路面自建成通車(chē)后，運(yùn)營(yíng)至今已達(dá)10余年，路基已出現(xiàn)不同程度的沉降病害，亟須對(duì)其進(jìn)行處治維修。該項(xiàng)目分別選取兩處路基沉降路段作為試驗(yàn)段，對(duì)其分別進(jìn)行DCG、SDJ技術(shù)加固處理，然后采用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行注漿效果檢測(cè)，三維探地雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4.2 處治效果分析

通常，大多數(shù)路基沉降現(xiàn)象由路基脫空引起，因此為了對(duì)比SDJ、DCG技術(shù)對(duì)路基沉降的處治效果，該項(xiàng)目對(duì)兩處試驗(yàn)段進(jìn)行注漿前后路基內(nèi)部脫空情況的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果可看出，相較而言SDJ具有更好的注漿效果，能夠更好地填充路基脫空部位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路基的加固維修處理，但二者注漿效果實(shí)際差距不大。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，DCG技術(shù)的材料及施工成本更低，經(jīng)測(cè)算僅為SDJ的65%左右，同時(shí)DCG技術(shù)所用注漿材料配比更為簡(jiǎn)單，施工要求低，因此綜合來(lái)看，建議采用DCG技術(shù)進(jìn)行路基沉降病害的處治維修。

此外，還對(duì)該兩處試驗(yàn)段進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一年的跟蹤觀測(cè)，在此期間內(nèi)未發(fā)生明顯路基降病害，施工效果良好。

4.3 路基未來(lái)長(zhǎng)期變形預(yù)測(cè)分析

采用Burgers模型對(duì)經(jīng)DCG技術(shù)加固后路基的后續(xù)長(zhǎng)期變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，以評(píng)估其使用壽命情況[3]。Burgers模型的蠕變公式如公式（3）所示：

（3）

式中：——蠕變速率；σ——應(yīng)力（MPa）；E1——瞬時(shí)彈性模量（MPa）；E2——黏彈性模量（MPa）；η1、η2——黏滯系數(shù)（MPa·s）；t——時(shí)間（s）。

對(duì)采用DCG技術(shù)加固處理的試驗(yàn)段路基進(jìn)行鉆芯取樣，然后進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)，將相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果代入式（3）并利用最小二乘法進(jìn)行擬合后得到Burgers長(zhǎng)期蠕變模型參數(shù)如表3所示。

按照模型預(yù)測(cè)DCG加固路基未來(lái)10年的變形情況如圖1所示。

由圖1結(jié)果可知，根據(jù)Burgers模型預(yù)測(cè)DCG加固路基2年期的沉降量?jī)H為11.38 mm，5年期沉降量為18.79 mm，10年期沉降量為32.18 mm，因此相關(guān)管養(yǎng)單位可根據(jù)道路使用情況每5～10年左右進(jìn)行一次注漿加固補(bǔ)強(qiáng)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)高速公路路基沉降變形機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)路基土體自身性質(zhì)、填料的選擇是引發(fā)路基沉降的主要原因。

（2）采用三維探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分別對(duì)DCG、SDJ加固后的路基進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示DCG和SDJ技術(shù)注漿效果實(shí)際差距不大，但DCG技術(shù)的材料及施工成本更低，同時(shí)施工要求更低。

（3）根據(jù)Burgers模型預(yù)測(cè)DCG加固路基10年期沉降量為32.18 mm，相關(guān)管養(yǎng)單位可根據(jù)道路使用情況每5～10年左右進(jìn)行一次注漿加固補(bǔ)強(qiáng)處理。

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收稿日期：2024-05-27

作者簡(jiǎn)介：汪祝慶（1975—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：工程檢測(cè)、路面新材料。