某公路路基填筑质量和沉降检测研究

李余春

摘要 路基的填筑质量和沉降是评价路基工程质量和性能的重要指标，探究路基的填筑质量和沉降检测方法对于保障公路运输的安全和畅通具有重要意义。文章分别采用瑞雷波法和三维激光扫描技术对公路路基填筑质量及长期沉降进行检测，并将其检测结果分别与路基压实度传统灌砂法及水准测量路基沉降检测数据进行对比。结果表明，采用瑞雷波法检测的路基填筑质量与压实效果均较好，根据相关参数建立了路基压实度预测公式，整体预测误差在0～1%；采用三维激光扫描技术测量路基断面整体沉降的误差较小，与水准测量的点、线沉降最大误差为1.9 mm，小于容许误差±3 mm。

关键词 公路路基；填筑质量；沉降；检测方法

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0141-03

0 引言

公路路基的性能直接影响行车的安全和舒适性[1]，随着社会经济的发展和交通运输需求的增加，公路交通负荷不断加大，对路基的要求也越来越高。如何准确、快速地评估路基的填筑质量和沉降，成为公路工程领域亟待解决的问题之一[2-3]。目前，已有多位学者针对公路路基检测开展了相关研究，周辉林等[4]结合探地雷达技术和路基病害特征，提出了一种新颖的高速公路路基病害自动检测算法，并利用该算法对江西省昌九高速公路南昌段采集的GPR数据进行了分析。在现有研究中，尚无对公路路基填筑质量及沉降的无损检测技术。鉴于此，该文对瑞雷波法及三维激光扫描技术在公路路基检测中的应用开展研究，研究成果可以为公路工程建设提供科学的依据和技术支持，推动公路工程质量的提升，促进交通运输事业的发展。

1 工程概况

该研究依托某公路路基扩建工程，该路段全长约43 km，通车至今约20年，路基宽度为28 m，为双向四车道公路。对公路路基两侧拼宽进行扩建，扩建后路基宽度约43 m，设计时速为120 km/h。施工场地内地形复杂，为丘陵地貌，地形高低起伏、高差较大，场地内地层主要为人工填土层、杂填土層和耕植土层。

2 检测方法

2.1 路基填筑质量检测

瑞雷波检测方法是一种非破坏性检测技术，用于评估材料或结构中的缺陷、损伤或异物。该方法利用瑞雷波在材料表面或结构中的传播特性，通过监测波的传播速度、衰减和反射等信息推断目标区域的性质。瑞雷波是一种沿着表面传播的横波，其震动方向与传播方向垂直，因此对材料中的表面和近表面的缺陷或变化具有较高的灵敏度。瑞雷波法主要分为瞬态法和稳态法，瞬态法的震源瞬间产生，无连续震动；稳态瑞雷波法是利用电磁激振器以固定频率产生震动，设备复杂且成本较高，在工程中常采用瞬态法。将检波器安装在路基内部，利用检波器检测瑞雷波。依据检波器的数量不同可划分为多道及单道检波器，其中单道检波器信号采集量较少，误差较大，常用在地基勘察领域；多道法在竖直方向上检测分辨率高，结果精度较高，因此该文采用多道法计算波速。

2.2 沉降检测

该研究采用相位式激光扫描仪检测路基沉降，该仪器主要包括激光测距仪、角度传感器、控制马达、数据存储设备等。三维激光扫描仪检测公路路基沉降的基本原理是激光扫描仪通过发射激光束并记录其反射回来的时间和角度信息，获取被测对象表面的三维坐标点云数据。在检测公路路基沉降时，将激光扫描仪安装在适当位置，可以对路面进行全方位的扫描。随着时间的推移，路基可能会发生沉降，导致路面高度发生变化，激光扫描仪可以在不接触路面的情况下快速、精确地获取路面各点的坐标数据，并通过比对不同时间点的数据，从而计算出路基沉降情况。

3 检测结果分析

3.1 路基填筑状况分析

根据施工现场情况布置测区，每个测区布置9个测点，采用网格布置，分为三排三列。其中，新建路基、旧路基和新旧路基连接处各布置3个测点，相邻测点横竖间距均为3 m。路基波速深度曲线如图1所示，观察图1可知，三种路基的波速深度曲线呈现出不同的变化规律。其中，拼宽路基与新建路基波速随深度的变化规律相似，随着路基深度的增加呈现出先增大后减小再持续增大的规律，在1～2 m深度范围内存在拐点；旧路基波速深度曲线较为光滑，总体上呈增加趋势，无明显拐点，表明旧路基压实性较好且相对均匀，这是由于旧路基经过了较长时间的使用和车辆行驶，压实作用使得路基土壤密实，并且在不同深度的压实效果相对均匀；拼宽路基的波速变化幅度最大，在路基1～3 m深度范围内波速变化与新建路基相近，在3 m深度以下随着深度增大，波速逐渐增加，这是由于拼宽路基是由新建路基与旧路基拼接而成。上述分析表明路基的填筑质量总体较好。

3.2 压实度分析

采用瑞雷波法检测路基不同深度的压实度，并与传统灌砂法检测结果进行对比。基于相关参数建立的路基压实度与波速的关系式为：

（1）

式中，K、ρ0——压实度、土体的最大干密度（g/cm3）；a、b——相关系数；VR——瑞雷波波速（m/s）。

将由灌砂法测得的干密度与瑞雷波法波速进行拟合，如图2所示，不同深度波速与干密度拟合相关系数均大于0.8，表明相关性比较显著。

将各拟合式中的拟合参数a、b数值代入式（1），得到不同深度路基瑞雷波波速与压实密度之间的关系式如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

将瑞雷波法不同深度实测波速代入上述各式，即可得到路基压实度预测值。选取3处测点，将预测值与传统灌砂法的检测结果进行对比，如表1所示。根据表1可知，两种方法的绝对误差在0～1.0%之间，表明采用瑞雷波法预测的路基压实度精度较高，误差较小，路基的压实效果良好。

3.3 沉降分析

根据施工现场情况布置观测区，分别在新建路基、拼宽路基、旧路基中各选取一个监测断面，共选取3个监测断面，每个监测断面设置4个监测点。在设置测站时应遵循扫描区域全覆盖、布置站数最少、相邻测站间标靶数不低于3个等原则。对施工区域进行扫描获取测量数据，并对点云数据进行处理，对路基进行长期监测，不同断面监测点沉降变化如图3所示。

观察图3可知，采用水准测量的新建路基监测断面1中的测点1～测点4的沉降量分别为0.6 mm、0.67 mm、0.79 mm和0.68 mm，平均沉降量0.69 mm；旧路基中测点1～测点4的沉降量分别为0.62 mm、0.61 mm、0.6 mm和0.58 mm，平均沉降量0.6 mm；拼宽路基中测点1～测点4的沉降量分别为0.61 mm、0.6 mm、0.7 mm和0.81 mm，平均沉降量为0.68 mm。总体上，新建路基、拼宽路基与旧路基的平均沉降量相差不大，表明路基的压实质量较好，同时也证明了采用瑞雷波法检测路基压实度准确率较高。

在沉降监测初期，采用三维激光扫描仪对监测断面各测点进行扫描并记录数据。在监测结束时，再次扫描，将两次扫描的测点数据叠加处理，即可得到监测断面的整体沉降。通过三维激光点云数据分析断面整体沉降变化，并与水准测量的点、线沉降进行对比。从结果可知，监测斷面1的整体沉降为0～0.13 cm，与采用水准测量方法获得的点线沉降之间的误差约为0.06 cm；监测断面2的整体沉降在0～0.25 cm，与所测得的点线沉降间的误差约为0.19 cm；监测断面3的整体沉降为0～0.067 cm，误差较小，基本与点、线沉降测量值一致。根据相关规范，沉降测量的容许误差为±3 mm，表明采用三维激光扫描技术测量路基沉降的精度较高。

4 结论

（1）新建路基与拼宽路基波速随着路基深度的增加呈现出先增大后减小再持续增大的规律，在1～2m深度范围内存在拐点；旧路基波速随深度变化总体上呈增加趋势，无明显拐点。

（2）将瑞雷波法波速与灌砂法测得的干密度进行拟合，建立了波速与土体干密度的关系，并给出了不同深度路基压实度的预测公式，与灌砂法测量结果相比，误差在0～1%之间。

（3）新建路基、拼宽路基压实效果较好，在监测过程中与旧路基的平均沉降量相差不大；采用三维激光扫描技术检测路基断面的整体沉降结果准确率较高，最大误差为1.9 mm，小于规范中要求的±3 mm。

参考文献

[1]李丹枫， 杨广庆， 刘伟超. PFWD模量控制的路基承载力动力学指标评价方法[J]. 土木工程学报， 2021（6）： 117-128.

[2]蒋红光， 陈思涵， 孙辉， 等. 黄泛区中高液限黏土动、静态回弹模量及预估模型研究[J]. 中国公路学报， 2021（3）： 103-112.

[3]陈靖宇， 蔡袁强， 曹志刚， 等. 非饱和公路路基填料长期动力特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2018（10）： 2406-2414.

[4]周辉林， 姜玉玲， 徐立红， 等. 基于SVM的高速公路路基病害自动检测算法[J]. 中国公路学报， 2013（2）： 42-47.