公路路基施工厚度无损检测技术研究

史建明

（中交一公局海外东非分公司，北京100024）

1 引言

公路工程在建设过程中及后期运营阶段，应当对路基的质量展开全面的监检测管理，从而满足公路交通运输的需求，并提高公路的服务质量。近年来，检测技术的飞速发展为公路工程的质量监测提供了很高的便利性、经济效益等。在公路施工过程中，路基厚度会影响到路基的压实度、工后沉降等参数。与此同时，由于施工工艺和填筑材料性能的差异性，路基厚度很难恰好达到设计的要求值。传统的路基施工厚度无损检测方法是对每个施工环节的路基分层压实度进行检测，而且往往是采用随机选点的方式开展的，并将现场钻探取样与室内分析结合起来分析。但是，这样会对路基的正常施工产生一定程度的干扰，且需要进行大量重复的检测试验，对施工影响大，整体效率低【1】。目前，在进行国内外路基厚度检测时，选择便利、高精度的检测技术就成了主要趋势。其中，应用最为广泛的就是无损检测技术。因此，研究无损检测技术在公路路基施工厚度中的应用意义重大，这不仅能更好地确保公路路基的施工质量，还可以提高公路工程的整体建设水平，为类似公路路基厚度施工检测提供科学的指导。

2 声波探测法在路基施工厚度检测中的应用

2.1 工作原理

目前，声波探测法是应用于桥梁桩基础施工过程中的完整性检测，但其用于路基施工厚度的检测时效果也较好【2】。声波探测法的基本原理是：将一对一发双收式或自发自收式的换能器放置在待测的路基中，换能器会发射出声波。如果声波的入射角等于第一临界角，则声波在被测物体中的折射角度为90°。此时声波会沿着钻孔不断滑行，最终声波又折射回钻孔中由换能器接收，由此可以计算得出路基的厚度。计算公式如下：

式中，t1、t2分别为声波传到2 个换能器的时间，s；ΔVP是声波在孔壁的传播速度，m/s；ΔL为待测路基的施工厚度。

2.2 实施方法

使用声波探测法测定路基厚度时，需要准备的仪器有声波检测仪、换能器、计算机等【3】。具体实施方法如下：（1）使用钻孔设备在路基上钻出孔径稍大于声测管的孔，并在孔中布置声测管；（2）向孔中注入清水，并采用钢筋插入孔中检查孔的通畅性；（3）将一对自发自收式换能器放到声测管的内部，并将换能器自钻孔底部拉出，从而得到各土层的测试信号；（4）将测试数据导入计算机，并采用专门的软件进行分析，从而准确地计算出路基的厚度。

3 探地雷达法在路基施工厚度检测中的应用

3.1 工作原理

地质雷达法是一种地下甚高频～微波段电磁波反射探测法。地质雷达的探测原理是：发射器通过发射天线向地下定向发射电磁波，电磁波在传播的路径中当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，并首先沿2 天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点，取反射波往返时间的一半，乘以相应介质的雷达波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、幅度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况进行目标识别，如图1 所示。因此，如果路基与地基间的土质存在较大的差异性，则二者交界面处的介电常数也不同（如黏土层与软土层的介电常数分别为7～8 和25～35，2 土层之间存在着明显的电性差异），这就使得地质雷达发出的电磁波出现折射和反射现象，然后，再依据电磁波的传播时间就可以得到路基的实际施工厚度【4】。

3.2 实施方法

使用地质雷达测定路基施工厚度的内容主要包括现场测试和数据处理，具体要求如下所示。

图1 探地雷达测试路基厚度原理

3.2.1 现场测试现场测试的关键环节就是天线频率的选择和测线的布置。地质雷达天线频率的选择要考虑2 个方面的因素【5】：（1）路基的大概厚度。地质雷达天线的频率与其分辨率、探测深度密切相关，即天线频率越高，分辨率越低，地质雷达的探测深度越浅。（2）路基土与地基土交界面的介电常数。介电常数会影响地质雷达发出的电磁波的折射和反射，从而影响测试结果的准确性。一般介电常数可以通过在路基某处剖面上开挖测试得出。 地质雷达天线的频率确定之后，就要根据路基施工的实际情况来布设测点。测试断面的选择主要依据公路路基相关规范标准，测试操作严格遵循地质雷达操作手册。

3.2.2 数据处理

地质雷达的数据可以采用IDSP 等软件来进行处理，并借此分析得到需要的路基施工厚度值。地质雷达的数据核心是如何分析脉冲波形图。在分析波形图时，首先要对现场测试的原始数据进行降噪处理，随后通过调整增益大小来补偿或抑制杂波的出现，最后使用滤波工具对数据中的高频波突出显示。在现场测试时，为了得到更多有效的电磁波信号，往往用宽频采集，并在原始数据中记录干扰波。与此同时，波形图的处理还应当使用专门软件基于时域和频域来分析计算参数。

3.3 工程应用

某公路在路基施工作业结束之后，为了验证路基的填筑厚度是否满足设计文件的要求，采用了探地雷达法来检测路基的厚度。现场试验选择的是SIR3000 雷达，测试天线的频率选择了400MHz，并每隔10m 布设了1 条测线。与此同时，在地质不良地段对测线的间距进行了适当的加密，最终得到了连续的测试信号，如图2 所示。将测试数据进行处理之后，能够得到波的传播形态，并通过深度剖面得到路基的厚度。试验结果表明：探地雷达法应用于路基施工厚度检测是可行的，且同一横断面厚度检测结果的误差仅在3%左右，满足工程要求。

图2 探地雷达测试数据处理结果

4 结语

本文深入探讨了声波探测法和地质雷达法在公路路基施工厚度中的应用，主要得到以下4 个方面的结论：

1）传统的路基施工厚度无损检测方法是对每个施工环节的路基分层压实度进行检测，会对路基的正常施工产生一定程度的干扰，且对施工影响大，整体效率低。

2）当声测管发射的声波入射角等于第一临界角，声波会沿着钻孔不断滑行，并折射回钻孔中由换能器接收，由此计算得出路基的厚度。

3）地质雷达法的关键环节在进行天线频率的选择时要考虑路基的大概厚度、路基土与地基土交界面的介电常数2 大因素。

4）由于受到研发水平的限制，目前将无损检测技术广泛用于公路路基施工厚度过程中仍有一定的困难，但将无损检测技术应用于路基施工厚度中必将成为一种趋势。