濕陷性黃土地區(qū)道路地下空洞病害發(fā)育的幾何物理屬性研究

中圖分類號：U418 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0025-05

Abstract：Withtheincreasingattentionuponurbanroadcolapseaccidents，themarketfordetectingundergrounddisease bodiesonurbanroadsisalsoincreasingyearbyyear.However，thecurentexplorationstagemainlyfocusesonthedetectionof undergrounddiseasebodiesonurbanroads，patternrecognition，andanalysisof diseasecauses，withoutanalyzingandstudying theinherentatributesofundergrounddiseasebodiesonroads.Basedonthis，thisstudyconductedaphysicalparameterstudy onthedevelopmentofvoidsbeneathcementconcretepavementincollpsibleloessareasbasedontheresultsof3Dgeological radardetectionanddrillngverificationdata.Furthermore，forthefirsttime，aninnovativeappoach wasproposedbasedonthe geometricdevelopmentandspatialcharacteristicsreflectedbytheparametersofthetopdepth，bottmdepth，planearea，and volumeofthecavity，proposingtheatributesofundergrounddiseasebodies.Thegeometricandphysicalpropertiesofthe identifiedcavitydiseasebodieswerealsostudied.Researchhasshownthatwhenanalyzingacavitydiseasebodyfromasingle topdepthatribute，bottomdepthatribute，clearanceatribute（netdepthatribute），planeareaatribute，andspatialvolume atribute，thesinglephysicalparameterintervaloftecavitycanbeasicallygrasped，andthenthedevelopmentoftecavityin acertainroadcanbeobtained；Testudyofmulti-atributecorelationanalysiscanevalutethesingleaributeintervalandrisk ofroadavitydevelopment，andthenevaluatetheriskofcollapseandlossscausedintheearlystage，providingscientific， rapid，andaccurategeophysicalbasisforgovernmentdepartmentstodealwithcavitydiseases.Theresearchmethodsand achievementsofthisstudyprovidenewresearchideasandmethodsforthedetectionindustryofundergrounddiseasebodieson urban roads，and have a certain guiding role for road collapse warning.

Keywords： road;underground; disease cavity; geometric physical property; 3D geological radar

地質(zhì)雷達(dá)（GPR）在城市道路地下病害體探測、道路塌陷防治和缺陷檢測方面有著檢測速度快、解譯速率高、淺層區(qū)域分辨率高和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著市政道路主管部門對城市道路地下病害體的重視度增強(qiáng)，地質(zhì)雷達(dá)法在城市道路地下病害體探測中的市場前景和應(yīng)用效果也十分凸顯。近年來，國內(nèi)學(xué)者從道路地下病害體探測與病害體精準(zhǔn)識別、病害體的成因分析等方面進(jìn)行了深入的研究。

在城市道路地下病害體探測與精確識別上，李永強(qiáng)通過二維地質(zhì)雷達(dá)和三維地質(zhì)雷達(dá)在濕陷性黃土地區(qū)道路地下病害體發(fā)育的圖譜特征對比研究，為道路地下病害體的快速識別提供了樣板;李世念等[2-4]利用GprMax3D軟件正演模擬了充氣型空洞和充水型空洞，并結(jié)合三維地質(zhì)雷達(dá)探測實(shí)例進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，對城市道路地下空洞圖譜的精確識別提供了可靠的依據(jù);米曉利等對黃土塬區(qū)地下空洞的發(fā)育進(jìn)行了綜合物探響應(yīng)特征研究，結(jié)果表明，三維地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法和高密度電阻率法都對地下空洞有所識別，但三維地質(zhì)雷達(dá)法和地震映像法對空洞的識別效果更好，工作效率更高，而高密度電阻率法在城市易受感染且對場地要求高，對地下病害體的識別相對不易辨別。在城市道路地下病害體成因分析與研究方面，有些學(xué)者從單一成因分析了城市道路地下空洞致塌機(jī)理，如陶連金等[6-7從土顆粒角度分析了砂土路基下空洞的發(fā)展破壞機(jī)理，并定量給出地下空洞對路面塌陷的影響程度，為道路地下病害體檢測和塌陷防治提供了新思路；肖文興等從交通載荷作用對砂土路基和黏土路基下空洞演變進(jìn)行了有限元分析，并得出在交通載荷作用下不同路基土性質(zhì)致使道路空洞區(qū)塌陷的界限有明顯差異，且得出與陶連金等一樣的結(jié)論，即黏土路基下方空洞跨徑發(fā)育到 6m 時(shí)，易致道路塌陷[6.8-1;也有學(xué)者從多因素分析了城市道路地下病害體的成因，如盧思同等[12-13]結(jié)合MALA 200MHz頻率三維地質(zhì)雷達(dá)探測實(shí)際分析了城市道路病害的主要成因和誘因，表明對三維地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在道路地下病害體探測中可視化和定量化效果顯著，但未對道路地下病害發(fā)育機(jī)制以及致陷機(jī)理進(jìn)行深入討論；同時(shí)，錢榮毅等[14結(jié)合現(xiàn)主流的三維地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)存在的優(yōu)勢與不足進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。

綜上來看，國內(nèi)眾多學(xué)者在地下病害體的探測、圖譜識別和成因研究上有著眾多的實(shí)例研究，但對道路地下病害體屬性并未有過多研究，基于此，本文著重從實(shí)測結(jié)果的角度出發(fā)，探究基于水泥混凝土路面下發(fā)育的空洞物理參數(shù)的屬性研究，從而半定量化掌握空洞致塌的風(fēng)險(xiǎn)性評估，進(jìn)而更高效地為道路主管部門提供預(yù)防措施，減少道路塌陷等風(fēng)險(xiǎn)。

1探地雷達(dá)原理與設(shè)備

探地雷達(dá)（GPR）是一種無損式物探方法，其基于地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)差異進(jìn)行探測。GPR根據(jù)地下物質(zhì)的介電常數(shù)的差異，來探測地下空間目標(biāo)。由于地層結(jié)構(gòu)介質(zhì)的介電常數(shù)不同以及對高頻電磁波的抗波能力不同，地下空間的不同介電常數(shù)使高頻電磁波發(fā)生折射和反射。用GPR探測地下空腔主要是由于基礎(chǔ)空腔區(qū)域的介電常數(shù)與周圍致密空間的介電常數(shù)之間存在差異。根據(jù)反射信號呈現(xiàn)的GPR輪廓圖圖像的主要特征的差異，確定空域的位置和大?。℅PR探測原理示意圖如圖1所示）。本次成果是基于IDS StreamX 200MHz 三維地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備（圖2）所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究得出的。

2 探測實(shí)例

2.1 道路概況

本次研究道路位于青海省西寧市城北區(qū)行政區(qū)劃內(nèi)，西寧市區(qū)出露地層從老到新有中生界白堊系及新生界古近系、新近系和第四系。研究區(qū)內(nèi)淺層地基土為第四系，由層雜填土和層素填土、層黃土狀王及層卵石組成，其中，區(qū)內(nèi)濕陷性和非濕陷性層黃土狀土伴生厚度在 1.80～25.00m ，濕陷性等級達(dá)Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)。

本次研究的道路呈東西走向，且地勢呈西高東低趨勢，道路地下敷設(shè)有污水、雨水、電力和燃?xì)獾戎T多管線，路面是水泥混凝土路面為主且存在不同程度的龜裂和沉降等缺陷，路面硬化層厚度在 25cm 左右，道路兩側(cè)存在綠化灌木、居住、辦公樓以及中小型廠區(qū)。

本次三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采用IDSStreamX系統(tǒng)進(jìn)行道路全覆蓋采集，綜合考慮振幅能量、信噪比、探測深度和采集速度及計(jì)算效率等實(shí)際，中心頻率為200MHz ，采樣點(diǎn)為512，采樣間隔為 12cm ，采集時(shí)窗設(shè)為 110ns ，采集速度不超過 18km/h ，疊加2次。

2.2 探測結(jié)果

本次共查明道路地下病害體總數(shù)達(dá)70個(gè)，經(jīng)復(fù)測以及鉆孔驗(yàn)證后按照病害類型分為空洞、脫空、嚴(yán)重疏松和一般疏松4類，具體見表1。

注： ① 空洞與脫空的凈深界限值為 20cm ，即脫空H_F∈（0，20） ，空洞 H_☉∈[20，+∞] ） ② 凈空值 H_P= 底深值 H_☉ -頂深值 H_R 。

從表1中可知，空腔體病害（空洞和脫空）占本道路發(fā)育病害的 88.6% ，其中空洞占比最大，占比超過總病害數(shù)的一半，故本次研究著重對空洞病害進(jìn)行幾何屬性研究分析。

2.3 空洞幾何物理屬性分析

在道路地下病害體屬性分析上，我們認(rèn)為可以按照病害體發(fā)育的時(shí)空特性分為幾何物理屬性和時(shí)空屬性。幾何物理屬性主要有頂深屬性、底深屬性、凈空屬性、平面面積屬性和空間體積屬性等，幾何物理屬性隨著時(shí)間推移，造成道路病害體的演變而形成的變化為時(shí)空屬性，即為道路病害體發(fā)育的時(shí)空演變趨勢。基于對該道路的數(shù)據(jù)采集、處理與解譯、鉆孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)，本次主要研究該道路的頂深屬性、底深屬性、凈空屬性（凈深屬性）平面面積屬性以及各屬性間的相關(guān)性。

基于對空洞鉆孔數(shù)據(jù)的整理分析，我們初步能夠獲知其基本物理參數(shù)，即頂深、底深、凈深和面積的最值情況（表2），同時(shí)按照不同最值的不同區(qū)間，我們進(jìn)行了單一屬性的區(qū)間值統(tǒng)計(jì)分析（如圖3所示）。結(jié)合表2和圖3可知，本道路內(nèi)空洞發(fā)育的頂深主要在0.24m 之內(nèi)，這與頂深平均值和道路硬化層深度基本吻合；底深主要發(fā)育在 0.4～0.69m 區(qū)間內(nèi)，這也就大致能夠圈定出空洞凈深區(qū)間發(fā)育在 0.2～0.49m 之間；從面積屬性看，道路內(nèi)發(fā)育的空洞面積在 10m² 之內(nèi)為主；而從空間屬性來看，該道路內(nèi)發(fā)育的空洞最小體積不到 1m³ ，空洞體積的最值與均值相差，這在圖3中也有所體現(xiàn)，表明該道路內(nèi)發(fā)育的空洞體積大多在10m³ 之內(nèi)。

從表1中我們基本掌握了道路內(nèi)發(fā)育的病害體情況，而從表2和圖3中我們獲知了單一屬性對道路地下空洞發(fā)育的影響，但仍不明確單一屬性下道路空洞致塌機(jī)制以及其風(fēng)險(xiǎn)性情況?；诖?，我們通過對空洞的頂深屬性-底深屬性和空洞面積屬性-凈深屬性進(jìn)行相關(guān)分析（圖4和圖5）。

空洞的底深值減去頂深值即為凈深值，因?yàn)槊摽张c空洞的凈深界限為 0.20m ，故本次研究的空洞凈深最小值為 0.20m ，這與表2統(tǒng)計(jì)相吻合。從圖4可知，基于空洞底深值與頂深值的比值（即斜率）能夠表明空洞的凈深大小，這也能反映出其危險(xiǎn)性。按斜率來講，箭頭處斜率為1，其所值空洞的凈深為 0.2m ，即頂?shù)咨疃认嗤?；淺色橢圓區(qū)域?yàn)樾甭事源笥?，表明底深值略大于頂深值；斜率等于1和略大于1的空洞相對穩(wěn)定，不易塌陷，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也較低；而深色小橢圓區(qū)域內(nèi)的空洞的頂?shù)咨疃刃甭氏鄬^大，穩(wěn)定性也相對較差，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)相對較高，從圖中著落點(diǎn)數(shù)量來看，也是相對較多，表明了研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的空洞主要以該類型為主，這跟表2凈深平均值和圖3單一屬性分析結(jié)果相吻合；同比分析可知，深色大橢圓區(qū)域內(nèi)的發(fā)育的空洞風(fēng)險(xiǎn)較高，易塌陷，需要及時(shí)對該類病害進(jìn)行處置。

空洞的平面面積與凈深也關(guān)系到空洞的危險(xiǎn)程度，從圖5中可知，平面面積越大，凈深越大的空洞易造成道路塌陷事故，而且破壞性也會越強(qiáng)；同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，面積大、凈深小的空洞和凈深大、面積小的空洞也易塌陷，風(fēng)險(xiǎn)性也是不容忽視的；圖中圓圈內(nèi)分布的病害數(shù)量最多，代表了該道路內(nèi)主要發(fā)育的空洞面積區(qū)間在 10m² 之內(nèi)，凈深在 0.4m 之內(nèi)，這與單一屬性下分析的空洞發(fā)育情況相符合。

從空洞體積的定義可知，在空洞體積相當(dāng)?shù)那闆r，空洞面積越大，凈深越小，反之空洞面積越小，則其凈深越大；而在面積或凈深相當(dāng)?shù)那闆r下，空洞體積越大，其面積或凈深也越大。圖6和圖7為空洞體積屬性的相關(guān)性分析圖，該相關(guān)性分析圖不僅能表征體積屬性、面積屬性和凈深屬性三者的相關(guān)性，而且也表示了道路塌陷的風(fēng)險(xiǎn)性，即空洞體積越大，面積越大，道路承載力越低，塌陷性越高；空洞越小、凈深越大，其塌陷后危險(xiǎn)性越大；同時(shí)，該相關(guān)性跟表1和圖3表征的體積屬性相對應(yīng)。

3 結(jié)論和討論

1）本研究首次對濕陷性黃土地區(qū)水泥混凝土路面下發(fā)育的空洞病害進(jìn)行了物理參數(shù)研究，提出了能夠表征研究區(qū)的某一條道路或區(qū)域內(nèi)發(fā)育的空洞或脫空等空腔體病害體的賦存和發(fā)育特征的地下病害體屬性概念，并對空洞幾何物理屬性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為這一屬性研究方法能夠通用于城市道路地下病害體檢測領(lǐng)域中。

2）空洞幾何物理屬性分析研究表明，單一屬性能夠?qū)斩窗l(fā)育單一物理參數(shù)區(qū)間進(jìn)行掌握，進(jìn)而能夠獲知某條道路內(nèi)的空洞發(fā)育情況；而多屬性的相關(guān)性分析研究能夠?qū)Φ缆房斩窗l(fā)育的危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而可以前期評估其塌陷的風(fēng)險(xiǎn)和造成的損失，為政府部門的空洞病害處置提供科學(xué)、快速和精準(zhǔn)的物探依據(jù)。

3）因?yàn)楸敬蔚钠矫婷娣e僅是基于病害體的東西向長度和南北向長度的乘積，在計(jì)算上存在不精準(zhǔn)性，而體積屬性是面積乘以凈深，故該屬性分析也存在一定的不精確，建議后續(xù)研究中對道路病害面積進(jìn)行精細(xì)化測量后進(jìn)一步做空洞面積屬性和體積屬性的精細(xì)化分析，進(jìn)而更加科學(xué)評價(jià)空洞風(fēng)險(xiǎn)性。

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