基于高密度電阻率測試的路基含水量評價方法

劉運來，汪 魁，周軍平

(1.贛州高速公路有限責任公司，江西贛州343000;2.重慶交通大學 河海學院，重慶400074)

0 引言

路基作為高速公路的主體結(jié)構(gòu)部分，其壓實質(zhì)量的好壞不僅影響著路基變形和穩(wěn)定性，而且對路面的使用性能和使用壽命產(chǎn)生顯著的影響。因此，隨著高速公路的大力建設(shè)，對公路路基壓實質(zhì)量的檢測和監(jiān)測已經(jīng)成為高速公路施工質(zhì)量控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。

一般含土質(zhì)填料的路基，在壓實過程中為了使填料的干密度接近其最大干密度，需要控制填料的含水量。因為水在土顆粒間起著潤滑作用，減少了土顆粒間的摩阻力，從而在相同的擊實功的條件下，均勻的加入一定量水的填料能夠易于壓實。但是，填料中水的含量又不能超過一定量，因為過大含水量的填料，使得壓實過程中發(fā)生“彈簧”現(xiàn)象而壓不實。因此，含水量是路基壓實過程中控制的關(guān)鍵因素之一，也是傳統(tǒng)的路基壓實度測試的關(guān)鍵參數(shù)［2-4］。一般情況下，現(xiàn)場含水量測試采用的是酒精燃燒法，從而使測定的結(jié)果偏于某一點，不具有代表性。而波動測試技術(shù)因其具有測試距離大、操作簡單、成本低廉、可在施工中進行實時監(jiān)測等特點，在路基壓實質(zhì)量檢測中得到了一定程度的應用。但是，目前對波在各種土體中傳播的規(guī)律和機理認識不夠，與靜力試驗進行對比分析時沒有統(tǒng)一標準，推廣應用難度較大［5-6］。

為了更加準確全面地對路基壓實質(zhì)量進行檢測，需要引進一些新的檢測方法。高密度電阻率法作為一種高效的工程地球物理新方法，具有檢測速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測結(jié)果準確可靠等優(yōu)點，已被廣泛地應用于各類工程檢測中。目前，高密度電阻率法在路基工程中主要應用于路基勘察、路基病害診斷等方面。如，張光保［7］用高密度電法對廣西境內(nèi)某鐵路路基進行巖溶勘測，查明了該段路基的地層結(jié)構(gòu)和巖溶發(fā)育情況，為以后的工程設(shè)計和工程施工提供了依據(jù);傅慶凱，等［8］用高密度電阻率法采集了既有滬昆鐵路某段+000～+450的溫納裝置視電阻率數(shù)據(jù)，并通過電阻率反演數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)情況對既有線地下不良地質(zhì)病害進行了解釋推斷;趙明階，等［9］通過制作路基內(nèi)存在空洞、不均勻體以及不密實區(qū)3種不同病害的路基模型，采用高密度電阻率成像檢測法對病害模型進行了診斷測試，發(fā)現(xiàn)預設(shè)病害區(qū)域的位置與電阻異常變化區(qū)具有良好的對應關(guān)系。

筆者通過高速公路填方路基的現(xiàn)場電阻率測試，將電阻率測試應用于路基含水量的評價中，探討高密度電阻率法應用于路基壓實質(zhì)量檢測中的可行性。

1 現(xiàn)場電阻率測試及數(shù)據(jù)分析方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用中地裝備集團重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B型高密度電法儀，該系統(tǒng)由DZD-6多功能直流電法儀和多路電極轉(zhuǎn)換器DUK-2共同組成。其主要技術(shù)指標包括電壓測量范圍:±6 V;電流測量范圍:1 μA～2 000 mA;電極總數(shù):60路;最大供電電流:2 A;最大供電電壓:500 V DC;輸入阻抗:20 MΩ、100 MΩ(兩檔)。

1.2 測線布置

高密度電阻率法按照跑極方式的不同主要有3種排列模式，分別是α法(溫納法)、β法(偶極法)和γ法(微分法)。這3種方法對應的勘探裝置如圖1。圖1中:A，B是供電電極，M、N是測量電極，AM=MN=NB為一個電極間距，不同方法對應不同接線方式。

圖1 高密度電阻率法勘探裝置示意Fig.1 Device to indicate high-density resistivity prospecting

1.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，為了對淺層路基壓實情況進行研究，電極間距采用20 cm，30路電極，最大隔離系數(shù)為8，測試最大深度為1.6 m，如圖2。

圖2 路基現(xiàn)場電阻率測試Fig.2 Electricity resistivity site test of embankment

1.4 高密度電阻率法及其成像原理

高密度電阻率法是以巖土體介質(zhì)的導電性能的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測與研究穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，從而研究地質(zhì)體的空間分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。高密度電阻率法的基本工作原理和常規(guī)電阻率法相同，它是一種陣列勘探方法，是把很多電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉(zhuǎn)換器的控制，實現(xiàn)電阻率法中各種不同裝置、不同極距的自動組合，從而一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下多種視電阻率參數(shù)的方法。因此相對于傳統(tǒng)電阻率方法，高密度電阻率法具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點。

電阻率成像技術(shù)基于不同介質(zhì)的導電性差異，利用接地電極在地下建立電場，通過觀測探測區(qū)周圍不同方向的電位或電位差，研究探測區(qū)內(nèi)部介質(zhì)的電阻率分布規(guī)律和特點。在電阻率成像問題中，要通過反演觀測數(shù)據(jù)來確定地下電阻率的分布，由于地層巖性差異，由電阻率法測得的電阻率實際上是電場影響范圍內(nèi)各種巖層電阻率和地形起伏的一種綜合反映，稱為視電阻率，它與電阻率關(guān)系如式(1)［9］:

式中:ρs為視電阻率，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的多少可表示為(ρs1，ρs2，ρs3，…，ρsM);M 為觀測數(shù)據(jù)個數(shù);ρ為待求的電阻率參數(shù)。

ρs(ρ)表示視電阻率與待求電阻率間的非線性關(guān)系，因此，電阻率反演實際上是非線性反演。

式(1)表明，電阻率成像方程實際上是M維視電阻率空間(觀測數(shù)據(jù)空間)映射到無窮維電阻率空間(模型參數(shù)空間)的變換，這種變換不可能實現(xiàn)一一對應的關(guān)系，這就會導致反演結(jié)果中解的非唯一性。現(xiàn)有的求解方法基本上全是通過將非線性反演問題近似為線性反演問題來實現(xiàn)。一般情況下采取的是將半無限求解空間人為地約束到有效的研究區(qū)域，然后用已經(jīng)成熟的線性反演理論來求解電阻率成像問題。

1.5 電阻率成像

采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→設(shè)置數(shù)據(jù)文件參數(shù)→數(shù)據(jù)編輯→數(shù)據(jù)濾波→地形改正→反演(成像)→保存圖像→輸出圖像等處理流程。α法(溫納法)的成像結(jié)果如圖3。圖3中橫坐標為電極間距，縱坐標為反演深度。

圖3 現(xiàn)場高密度電法測試溫納反演Fig.3 Wenner inversion of high-density resistivity testing

由圖3可知，現(xiàn)場路基電阻率剖面基本上分布均勻，電阻率在550～700 Ω·m之間，局部范圍有電阻率高阻區(qū)，這是由于該處的填料粒徑相對較大造成的。為了通過電法勘探結(jié)果定量研究路基壓實度，通過電阻率成像結(jié)果提取路基表層(20 cm)的電阻率測試結(jié)果。

2 基于電阻率測試數(shù)據(jù)的路基含水量分析

研究表明［10］，含水量對于擊實試件的電阻率影響最為敏感，對于擊實試件的含水量和電阻率具有良好的乘冪關(guān)系。因此，通過現(xiàn)場取回路基填筑填料，制作大量不同含水量的擊實試件，測定擊實試件的電阻率，試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 室內(nèi)試件電阻率測試結(jié)果Table 1 Electricity resistivity of test specimen

將表1中的電阻率和含水量進行擬合，得冪函數(shù)曲線如圖4。

圖4 含水量-電阻率關(guān)系室內(nèi)標定曲線Fig.4 Rating curve between water content and electricity resistivity

通過標定曲線可對現(xiàn)場含水量進行計算，結(jié)果如表2。

表2 現(xiàn)場表層(20 cm厚)含水量Fig.2 Water content of the surface layer(20cm thickness)

3 結(jié)論

高密度電阻率法作為一種高效的工程地球物理新方法，具有檢測速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測結(jié)果準確可靠等優(yōu)點，利用高密度電阻率法進行路基壓實質(zhì)量診斷是可行的。

1)通過高密度電阻率法成像診斷能夠定性地反映路基內(nèi)部的壓實質(zhì)量。

2)通過室內(nèi)擊實試件電阻率測試，建立電阻率和含水量的關(guān)系曲線，從而，利用高密度電阻率法測定結(jié)果可以標定路基某一測試斷面內(nèi)的含水量，根據(jù)標定的含水量，結(jié)合其它檢測方法(如波動測試方法)可以定量的標定整個測試斷面的壓實程度。

3)用高密度電阻率法進行路基壓實質(zhì)量的診斷仍然處于初步探討中，為了更好的將電阻率法應用于路基壓實質(zhì)量檢測中，應該進一步加強電阻率測試試驗研究和理論研究，從而更好的建立電阻率和巖土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的關(guān)系，為路基壓實質(zhì)量定量檢測提供依據(jù)。

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