地质雷达在城市道路病害探测中的应用

薛海阳，袁建议*，高 皋，吴长军，周 逸，程建华,吴振华

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石435003；3大冶市市政工程公司,湖北 大冶435100)

地质雷达在城市道路病害探测中的应用

薛海阳1,2，袁建议1,2*，高 皋1,2，吴长军3，周 逸1,2，程建华2,吴振华2

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石435003；3大冶市市政工程公司,湖北 大冶435100)

为了全面评价大冶市城区在役道路的安全可靠性现状，运用地质雷达对大冶市城区道路进行抽样探测和数据采集，对采集到的数据样本进行了分析,同时将雷达探测结果与实际路况进行了比较。检测结果表明：大冶金湖大道路段病害较多，道路病害总长度为179.9 m，占总测线长度的4.08%；青龙路道路病害长度为122.85 m,占总测线长度的1.4%。检测结果对城区道路安全、管养和维护具有一定的参考价值。

城市道路；病害；地质雷达；可靠性；病害原因

伴随着城市建设的发展，大冶市城区道路建设发展迅速，尤其是近年来武黄城际的开通、不断扩建和新建大冶城区道路，对城市发展起了很大的推动作用。但无论是水泥混凝土还是沥青路面，在通车运营一段时间之后，很多路段陆续出现路基沉陷、破碎、脱空等各种路面病害。导致道路病害的因素很多[1-2]，若对这些道路病害不进行处治，必然加剧道路的破坏进程，严重影响车辆行驶的安全性与舒适性，降低道路的使用寿命，甚至造成不可估量的后果[3]。因此，为了使道路正常工作，对于道路出现的常见病害问题必须采取有效措施，保证道路能够正常使用，使路基处于良好的工作状态。

地质雷达是一种地球物理勘探方法，其运用超高频脉冲电磁波来探测地下介质分布，可以分辨地下10 m至1 m尺度的介质分布，它作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等特点[4-7]，早在20世纪80年代后期，欧美国家就将雷达技术应用于公路无损检测，近年来国外多运用地质雷达进行工程地质评估、地质灾害探测等研究。我国于20世纪90年代也开始了地质雷达在公路工程、地质工程、隧道工程等领域的应用与研究，研究结果显示检测结果具有实践应用意义，能够满足工程实践精度要求，因此在多领域得到了广泛的应用。本文应用IDS公司生产的 RIS-K2型地质雷达对2段城市道路进行病害探测，介绍了数据采集过程，对探测结果进行了分析。

1 概况

本次探测道路为大冶市金湖大道及青龙路局部路段。金湖大道于“十二五”期间按2级公路标准改建完成，设计速度为60 km/h，双向四车道，道路采用沥青混凝土路面，全长5.5 km。近年来，伴随社会经济的快速发展以及武黄城际的建成，城乡一体化快速推进，金湖大道车流量日益增长，车流穿越城镇村庄密集带，导致道路出现严重的街道化现象，交通干扰频繁，且车辆拥堵时常发生，产生了不同程度的道路破坏。青龙路路段起于106国道新桥止于金井路，全长2.1 km，道路采用沥青混凝土路面，双向四车道，设计时速为40 km/h。鉴于当前道路的服役时间较长，同时路面表征了局部损坏，现运用地质雷达对路段存在的病害进行地质雷达探测。

2 地质雷达探测分析理论

地质雷达由主机、天线和配套软件等几部分组成。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定。通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的。天线工作原理示意图如图1所示。

图1 天线工作原理示意图

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据式(1)算出异常介质的埋藏深度H：

H=V·T/2

(1)

式(1)中，V是电磁波在介质中的传播速度，其大小由式(2)表示：

(2)

式(2)中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m/s；ε为相对介电常数，不同的介质，其介电常数亦不同[8]，可以利用经验数据或测定获得。

雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数R可表示为：

(3)

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。

3 数据采集与分析

3.1地质雷达数据采集

地质雷达有效探测范围一般在60 m之内，道路需探测深度在2 m以内。本次探测深度1.5～2 m。

检测设备采用意大利IDS公司的RIS-K2型地质雷达。根据项目实际需求选择600 MHz中频屏蔽天线，波长20 cm，有足够的分辨率检测深度2 m范围内的路基病害。采样时窗设置为40 ns，探测深度在1.5～2 m范围，满足工程需求。

3.2数据分析

依据采集数据，对所有路段探测出的病害部位与路况正常部位进行分类对比。

1)无病害路段雷达截图如图2所示。从图2中可看出电磁波传输正常，无异常强烈信号出现。根据地质雷达信号传输原理判断，各深度范围介质均匀分布，反映该路段路基结构层次分明且连续、平行，因此无病害现象发生。

2)路基典型破碎段如图3所示。从图3中可以看出雷达图形表现为较强信号波动且反射波呈错断状，K677～K680段深度0.25 m～1 m范围内该现象较为严重，反映了路基结构层次不分明，多处呈断裂状态，判断为路基破碎路段。

3)路基典型沉降破坏段如图4所示。从图4中可以看出反射波被扭曲，反射界面起伏不平，K53～K61段路基结构层与K65-K68正常段差异较大，路基结构层整体呈下沉趋势，经判断为路基不均匀沉降破坏。

4)路基典型脱空路段如图5所示。从图5中可以看出，K90.5～K93.0且深度0.5～1.0 m范围雷达图形显示较为强烈，反射波连续性较差且反射能量较弱，在雷达图形中反映出该处存在空洞现象，经判断为脱空。

图2 无病害路段雷达截图

图3 路基典型破碎段

图4 路基典型沉降破坏段

图5 路基典型脱空路段

3.3探测结果

金湖大道检测示意图如图6所示，青龙路检测示意图如图7所示。

本次探测的测线布置：自南向北检测，依次为①②③④号测线，每条测线长1.1 km，共计4.4 km。设定雷达检测一次长度为1 km。每条测线分为2段数据，例如1-1:0～1 000 m，其中，编号中第1位阿拉伯数字表示测线，第2位阿拉伯数字表示分段。

图6 金湖大道检测示意图

图7 青龙路检测示意图

金湖大道探测结果见表1；青龙路1，2号测线探测结果见表2；青龙路3,4号测线探测结果见表3。

表1 金湖大道探测结果

表2 青龙路1,2号测线探测结果

续表

表3 青龙路3,4号测线探测结果

3.4检测数据与实际情况对比分析

路面面层破坏往往是路基、地基发生病害的外观表现，通过地质雷达电磁波反馈信息分析路基内部病害的深度及范围，以期为市政公司进行后期维护提供参考。

多条路段探测到路基发生病害处路面均有所反映，金湖大道①号测线K0+591.75至K0+602.21段破碎段如图8所示，金湖大道③号测线K0+592.18至K0+594.6段破碎段如图9所示，由图8～9可知，路面均发生了沉降破坏与破碎，表明了地质雷达探测病害类型、位置的可信性。

图8 金湖大道①号测线破碎段

图9 金湖大道③号测线破碎段

根据雷达探测结果，将雷达数据按照不同道路以及各道路不同测线所统计病害情况整理分别如图10、图11、图12、图13所示。

图10 金湖大道不同类型病害长度统计

图11 金湖大道各测线病害长度统计

图12 青龙路不同类型病害长度统计

图13 青龙路各测线病害长度统计

通过对青龙路及金湖大道道路路面实况观察以及统计数据分析，得出以下结论：

1)金湖大道路面状况破坏较明显，在车流量较多的地方明显有开裂、沉降现象发生，病害长度达179.95 m，占总测线长度的4.08%。

2)青龙路路面状况良好，病害长度为122.85 m,占总测线长度的1.4%，无明显破损现象且道路保养较好。

3)金湖大道1号、2号测线病害长度分别为57.08 m、75.5 m，占总测线长度的6.64%，7.13%，相比较于3号、4号测线病害长度11.27 m及26.25 m较长，说明道路破损大多发生于外车道。主要原因为金湖大道道路两侧路口较多，车流量较大，长时间受到反复荷载作用，路面损伤加剧。

4)青龙路1号、2号测线病害长度分别为27.8 m、32.5 m，破坏程度较为接近。3号、4号测线病害长度分别为43.95 m、18.5 m ,整体较为平均，内车道破损稍严重。经调查，青龙路位于湖堤路段，道路施工时路基填料CBR值未达到设计要求且路基压实度不足，因此该测线内道路病害发生较多。

5)金湖大道病害大多为沉降及破碎病害，青龙路道路病害大多为破碎和脱空不密实，分别占总测线长度的3.28%,3.75%。

3.5道路病害成因分析

结合大冶市城区道路运营实际情况，城区道路致害因素主要体现在以下3方面：

1)路基沉陷是由于路基在垂直方向上产生较大的沉落或不均匀下陷而造成的局部路段损坏[9]。由于金湖大道国道车流量大，为交通要道，道路路面在大量高速行驶车辆以及大吨位车辆的不断作用下，超载显现有增无减，导致路基沉陷。另外由于降雨量、温差、积雪等原因也使路堤产生不均匀沉降。在施工中由于填料选择不当、填筑方法不对、压实度不足也使路基产生了沉降。

2)由于施工时基层材料级配不合理，不耐冲刷，稳定性与防冻性较差易形成脱空。另外在行车荷载的作用下，由于水泥混凝土路面基层材料的刚度远小于水泥混凝土路面的刚度，基层和面层对弯沉变形的恢复能力不同，从而导致面板在荷载离开后恢复原状，但基层残留部分变形无法恢复，这样就造成了基层与路面板的脱离，最终形成脱空。

3)由于初期施工压实密度不够、后期反复重荷载作用及恶劣天气影响，造成路基破碎，形成空洞异常的雷达图形。

4 结论

1)金湖大道道路破损路段大多为路基沉降及破碎，病害严重路段有大面积开裂现象，据现场观察，该路段处于大冶一中大门处，交通拥挤现象频繁，加之超载时有发生，因此路面破损较严重。

2)青龙路段路况良好，这与道路设计用途及道路使用情况有关，该路段交通流量相比国道较少且超载现象发生相对国道少，因此道路沉降破损现象较少。

3)地质雷达作为一种先进的原位无损检测设备，可以应用于道路病害探测中，通过合理选用屏蔽天线、采集参数的合理设置以及正确的数据后处理操作，地质雷达能快速、准确地检测出路面结构的厚度、病害长度、深度，为后期制定处治措施提供参考依据。

[1] 李吉富，杨林，杨晓华.某城市道路路基开裂和塌陷成因分析及处理方法研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2016(7):16-17.

[2] 肖敏，沈小克，贾辉，等.第七届全国岩土工程实录交流会特邀报告—城市道路地下病害无损探测技术研究与应用[J].岩土工程技术，2016,30(2)：55-62.

[3] 赵炜.浅谈水泥混凝土路面病害原因及防控措施[J].公路交通科技(应用技术版)，2013(7)：154-156.

[4] 康富中，齐法琳，贺少辉，等.地质雷达在昆仑山隧道病害检测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S2)：3641-3646.

[5] 刘宪明.探地雷达技术在高速公路检测方面的应用研究[J].山东交通科技，2016(3):115-117.

[6] 俞先江，马圣昊，王正，等.探地雷达技术在国省干线公路早期病害防治中的应用[J].公路，2015(8)：255-259.

[7] 尤志鑫.探地雷达地下浅层砂体和管道探测技术研究[D].长春：吉林大学，2016.

[8] 王林杰，袁建议，代宁，等.探地雷达在道路检测中的干扰信号分析[J].湖北理工学院学报，2017,33(1)：35-40.

[9] 万德臣，王春生，武鹤.路基路面工程[M].北京：高等教育出版社，2005:27-28.

Application of Ground Penetrating Radar in Detecting Disease in Urban Road

XueHaiyang1,2,YuanJianyi1,2*,GaoGao1,2,WuChangjun3,ZhouYi1,2,ChengJianhua2,WuZhenhua2

(1School of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang Hubei 443000;2School of Civil Engineering and Architecture,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3Daye Municipal Engineering Company,Daye Hubei 435100)

In order to comprehensively evaluate the current safety and reliability of the existing urban roads in Daye,geological radar was used for sample testing and data collection.The collected data sample was analyzed.At the same time,a comparison between radar detection results and actual road conditions was executed.Results showed that there were many types of diseases in Jinhu Avenue and the damaged length of Jinhu Avenue was 179.9 m,accounting for 4.08% of the total length,while the damaged length of Qinglong Road was 122.85 m,about 1.4% of the total length.The test results have certain reference value for the safety,management and maintenance of urban road.

urban road;disease;ground penetrating radar;reliability;disease cause

2017-05-12

湖北理工学院优秀青年科技创新团队项目(项目编号13xtz03)；湖北理工学院校级科研重点项目(项目编号14xjz01A)。

薛海阳，硕士生。

*通讯作者：袁建议，教授，博士，研究方向:道路工程及现代岩土工程技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.009

U418.3

A

2095-4565(2017)05-0040-07

(责任编辑吴鸿霞)