基于交通荷载下的公路路基沉降无损检测

张志海 胡凯

【摘要】公路质量检测是一个系统工程，不仅需要先进的检测技术，还需要完善的检测规划；在公路使用一定时期后，由于交通荷载而带来的公路路基下降是不可避免的，此种沉降会影响到公路的使用寿命，甚至直接造成公路路面的破损。在这样的背景下，我们需要对公路路基沉降进行定期的检测，而现阶段的检测技术能够通过探地雷达在无损的情况下实现路基沉降以及内部缺陷的探测。本文以探地雷达为手段，对其在交通荷载下的公路路基沉降检测为研究对象，就其检测过程、原理以及存在的问题与注意事项进行分析。希望通过本文的研究能够为今后探地雷达的实际应用奠定理论基础。

【关键词】交通荷载；路基沉降；探地雷达；无损检测

一、引言

在交通荷载情况下，公路路基沉降是一种常见的公路质量损益现象，此种现象在控制范围内时，并不会对路面使用造成直接影响。但是，放任沉降现象的无序发展容易引发路面路基的底层质量缺陷，并形成严重的质量后果。基于这个现象，在公路使用与维护的过程中常常采用定期检测的方式对其沉降进行监控，以此来发现问题、解决问题。在现有的公路沉降检测中主要采用无损检测，具体的实施方式分为两种方式。一种是以固定参照物为基准，对路面的沉降进行测量；此种测试方式简便，快捷，并能够形成有效的沉降数据，对于公路的扰动也相对较小，能够在正常公路荷载的基础上进行检测。但是，此种方式仅能够对公路路面的沉降现象进行测量，无法对内部的路基变化形成有效表征，进而容易形成安全隐患。另一种方式则是本文研究的主要对象，即采用超声波、电磁波等手段对地下进行探测的技术，此种技术虽然在测量环境方面有着更高的要求，但是同时也由于其测量应用环境广泛、测量精确度高、测量指标全面等特点而备受关注。在实际的探测雷达应用中我们发现，其根据对不同类型的波图进行解读能够有效的对路面地基中存在的密度不均，沉降分层、空洞等现象进行有效处置，并通过预先加固的方式来避免缺陷以及质量问题的进一步扩大。

二、探地雷达原理及其操作流程

在交通荷载下，公路路基沉降是一种必然现象，为了及时发现由于沉降而带来的质量损益，避免公路质量进一步下降，我们需要定期对其沉降状态进行检测。在检测的过程中探地雷达由于其自身的特点而被广泛使用。探底雷达能够利用电磁波的传播特征对路基的整体状态以及沉降过程中带来的内部缺陷进行系统的检测，具体可以分为剖面法和宽角法两种。下面将对二者的应用原理与应用差异进行探讨。

应用原理：在应用原理方面二则均相同，是综合利用电磁脉冲在传播过程中的不均衡削减来确定地下物质的均匀程度以及可能存在的缺陷的。电磁波在真空中的传播速度约为0.3m/ns；传播系数受到介质相对电常数、电磁导率的影响，因此在非均匀介质中进行传播时，不同位点的电池脉冲接收时间与发出时间的差值存在差异，这种差异性的边界以及衰减常量可以作为判断路基沉降损益的根本依据。另外，不同物质间的传播速率相差明显，在标准均匀的混凝土层，其传播速率最低，，约为0.12m/ns；与真空中相比存在显著的差异，而真空传播速率与空气中传播速率则相差不大。

操作流程：剖面法与宽角法是探地雷达的两种应用模式，二者在操作流程以及器械布局方面存在一定的差异。剖面法是指利用同位点布局的方式来进行，采用1组发射器与1台接收器为主要测量设备，测量范围仅为接收器与发射器之间的支线连接平面；此种测量方式具有探测速度快、探测设备便携等特点。但是，由于其探测的面积相对较小，针对公路路基的不同断面需要重复或者多次测量，因此对于整体质量损益的日常检测不利；而另一种宽角法则是指通过1台发射器以及多台接收器组成的三角机构来对其进行测量。此种测量方式能够涵盖发射器与接收器之间的面积检测，一方面使得检测范围更大；另一方面则可以通过地下空间图的绘制来判断沉降情况以及质量损益位点。在实际的测量过程中二者往往综合使用，先通过宽角法确定位点，在根据刨面法来确定具体的质量损益类型。

三、交通荷载下公路路基沉降无损检测项目及其特征

在路基沉降无损检测的过程中我们需要对路基的裂缝、疏松、脱空、松散、沉降以及空洞等方面进行检测，按照检测的数据类型与特征可以分为不均分布与间空分布两种，其具体检测过程与特征如下：

3.1 间空分布

所谓的间空分布是指由于施工质量或者自然沉降等原因而造成路面路基出现空挡，其中较为常见的包括了裂缝、脱空以及空洞三个问题。上述三个问题产生的原因各不相同，但是在探地雷達检测的过程中其现象基本一致。在具体的检测过程中我们采用50-400MHz的周期变频检测来对相关路段进行检测，在波形回收时，其主要对传播速度损益进行测定，因此，变频过程仅作为平行而存在。同时，根据高等物理的相关定义，频率的变化对于传播速度具有线性影响，接收器能够自动的对其进行校对。根据回收的时间差值进行判断，当损益率超过5%时，我们可以判断此部分位点存在间空分布；同时，间空分布还应该满足持续性特征，一般情况在5cm以上才能够被记做间空损益，而在裂缝与空洞之间的判断过程中则需要通过不同层级的损益走向来进行判断。由于检测图像是电磁脉冲的直接损益，而电磁脉冲在真空中的传播速度较大。因此，其脉冲走向与间空走向呈现出相反的趋势，及脉冲增益5%，则表示裂缝幅度增加5%，反之亦然。另外，在探测层次内，脉冲增益方向相同，则说明存在的是裂缝，横向走向表示裂缝的长度，纵向走向表示的为裂缝的宽度；而如果存在相反走向，则走向相反间距离为空洞的最大距离。

3.2 不均分布

就实际的检测数据来看，空洞存在的概率较小，在一般的沉降过程中裂缝以及分布不均是较为常见的公路路基沉降表象。与裂缝的显著线状分布不同，路基的分布不均主要通过产生不同异常点的聚集来进行反应。在具体的检测过程中则可以分为如下两个方面：即点集中与点分散，根据上文讨论的特性我们能够了解到，在线性分布的电磁波传播体系中点过于分散说明其密度相对较低，即电磁脉冲在空气中传播的距离较长，而反之则是密度较大。根据原理对具体的电磁脉冲图像进行解读，节点过于密集则可以认为密度较大，节点过于稀松则认为该处密度相对较小。同时，在判断的过程中我们应该注意只有在节点密度出现显著差异时才能够进行相关的特征判断，一般密度指数应该超过±10%。

四、总结

基于交通荷载下公路路基沉降的必然性，本文对其无损检测技术进行讨论与分析，重点探讨了探地雷达两种检测方法的使用。对其具体特点、使用步骤以及判断依据等进行了系统的分析，并就其可能存在的一般性问题给出了注意事项。希望通过本文的研究能够为今后的相关检测工作的开展提供必要的理论基础，并为后续的检测体系应用与优化提供实践指导。

参考文献

[1]余溯. 交通荷载下公路地基沉降的变化规律[J]. 科技创新导报，2013，22：22-23.

[2]徐立功，张睿，时正凯，张颖. 交通荷载下低路堤高速公路路基沉降规律分析[J]. 公路交通科技（应用技术版），2014，01：129-132.

[3]陈华. 交通荷载作用下公路路基的动力有限元分析[D].兰州理工大学，2004.

[4]. 中国公路交通学术研究综述·2012[J]. 中国公路学报，2012，03：2-50.