地質雷達在橋臺搭板脫空檢測中的應用

杜 光

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

橋臺搭板是用于防止橋端連接部分沉降而采取的構造措施，在臺背路基施工中，常由于各種原因出現臺背回填土施工質量差、密實度不達標等問題，以至竣工通車后，橋臺與路基銜接處的路基不時發生下沉現象，使橋臺與路基間形成高差；再者由于季節性水位變化及多雨季節地表水滲入影響，可直接導致板下土體的強度軟化、填料水土流失現象，這樣就造成搭板支承面下局部脫空，搭板脫空會形成應力集中，如若早期不及時發現，會使板體斷裂、沉陷、翻漿，以致最后形成橋頭跳車甚至出現險情，對行車速度、舒適性、安全性都存在著較大影響，將直接影響到公路特別是高等級公路的正常使用，同時也成為了判定一條公路工程建設好壞的參考依據之一。而且更為重要的是，由板底脫空而導致長期橋頭跳車也會加速對結構自身如橋臺、臺背、伸縮縫、臺后路面等的損壞[1]。目前對運營中的公路橋臺搭板脫空的檢測，大多還是靠傳統的鉆孔取芯或挖坑法，其優點是直觀，缺點是對公路的破壞性沖擊作用，頻度低、速度慢、不能形成緊密的連續檢測、評價代表性不強、難以全面地發現質量隱患，從而不易達到理想的檢測目的[2]。地質雷達能在不封閉交通的條件下對搭板脫空隱患進行無損檢測，可具體探測脫空的位置和規模，具有簡便實用、快速、無破損等優點，這樣就為解決搭板下脫空問題提供理論數據支持。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達是利用一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下不同介質界面的反射波。當電磁波在不同種介質傳播時，其路徑、電磁場強度與波形等參數將隨所通過各不同介質的電性質和幾何形態而變化。因此，根據接收到波的時間、幅度與波形等基本資料，就可推斷地下介質的內部結構情況，以及探測體的深度、分布情況等其他特征參數[3]，見圖 1。

圖1 雷達波反射探測原理

雷達波行程需要的時間為：

由式（1）可知：當地下介質中的波速v已知時，可根據測到的時間t，計算出目標體的深度z。

速度v通過相對介電常數與電磁波在真空中傳播速度的經驗公式確定：

相對介電常數為某一種介質的介電常數與在空氣中的介電常數的比值。它的取值范圍為：1（空氣）～81（水）。表1為高速公路常見介質的相對介電常數。

表1 公路工程中常見介質的相對介電常數與其相對應電磁波速度

2 應用實例

2.1 工程概況

某在建黃土地區高速公路工程，雙向四車道，設計速度為120 km/h。在雨季施工過程中，由于路基邊溝排水不暢造成雨水沿伸縮縫及路基邊緣滲入到基層當中，造成填料水土流失，致使路基尤其是橋頭路面處發生不同程度的路基下沉、橋頭跳車現象，甚至個別路段出現了裂縫現象，對行車安全造成了不良影響。為檢測搭板下路基變形破壞程度及影響范圍，使用瑞典瑪拉RAMAC高精度探地雷達，對全線橋臺搭板進行檢測，以確定各搭板處病害實際情況并制定相應處治措施。

2.2 數據采集

橋臺搭板處的結構層主要由瀝青混凝土面層、鋼筋混凝土搭板、水泥穩定碎石基層和路基組成。探地雷達技術對介質的穿透深度和分辨率主要取決于雷達波的頻率和地下介質的電性。天線頻率越低，穿透介質深度越大；導電率越低，穿透介質深度越大，反之亦然。天線頻率越高，探地雷達的分辨率也越高。根據理論計算及多年來工程檢測實踐應用，本次檢測的有效深度在3 m以上，根據所測深度及目標對象考慮，選擇500 MHz天線，時窗選擇為80 ns。

2.3 測線布置

首先按路線左、右幅及大小里程測，對每橋4塊搭板分別按順時針方向依次命名為：A、B、C、D板，每塊搭板分別布置內、外兩條測線，分別命名為測線一、測線二。測線距路肩邊緣距離為0.5 m，見圖2所示。

圖2 測線布置示意圖（單位：m）

為了保證時間剖面上各測點位置與實際檢測里程位置相對應，每塊搭板保存一個文件，每一條測線檢測完成后在雷達記錄上作一條標記以供核對，以保證在數據處理中能準確地找出圖譜上各檢測點對應的實際位置，測量中盡量使天線勻速移動。

3 地質雷達典型圖像分析

3.1 密實良好

密實良好是指搭板與基層以及路基填料間無空隙，層間接觸緊密，路基壓實好，填料分布均勻，此時反射界面的清晰程度主要取決于混凝土與填料間的接觸緊密程度以及介電常數差異大小，如圖3所示。此時地質雷達圖像特征為同相軸連續，波形平緩、規則，無雜亂反射存在，同層同相軸寬度變化極小，無錯斷，無畸變，無傾斜及弧形反射特征。

圖3 搭板下密實度良好時圖譜

3.2 水流沖刷

水流沖刷是指雨水或季節性水從臺背或中央分隔帶浸入到路基填料當中，出現搭板下整個平面或局部平面被水淘空，如圖4所示，沿搭板下方一條明顯強反射信號，水與填料介質之間的介電常數差異很大，水的相對介電常數最大為81，介質的介電常數增大，雷達波在介質中的傳播速度就會降低，這樣反射波表現出較強的正峰異常，同時出現強反射，有時也會產生繞射、散射現象，導致波形紊亂。

圖4 搭板下水流沖刷時圖譜

3.3 層間脫空

層間脫空通常是指兩層不同介質之間存在著一定的空隙（大多是存在一個薄空氣層或含水夾層）。路基脫空區域介質的介電常數差異比較大，脫空部位的反射信號往往表現為強反射信號，反射能量很強，反射波呈水平分布，且反射波規模較大，如圖5所示，搭板下與基層界面之間存在強反射波同相軸，脫空區介質的介電常數差異較大，反射波呈水平分布。

圖5 搭板下脫空時圖譜

3.4 不密實

不密實是指搭板下路基填料呈松散狀態，病害區介電常數較大，與周圍介質介電常數存在差異，其最顯著特征表現為：出現很強的局部密集亮點強反射的蜂窩狀異常，多次反射特征明顯，反射波較多，但反射規模小且不連續，反射能量強弱變化較大，整個反射剖面非常雜亂，如圖6所示。在0.7 m以下有較強的反射信號，說明該范圍內介質不連續，推斷為搭板下路基填料級具有較大的空隙率，通常是由于路基碾壓不密實或由于填土層的不均勻沉降，導致基層和墊層內形成較大的空隙率，隨著使用時間不斷增長致使空氣或水充填其中而形成的不密實現象。

圖6 搭板下不密實時圖譜

4 結論與建議

采用地質雷達檢測方法對橋臺搭板下的病害情況進行檢測，可以做到不影響公路車輛正常行駛，而且不會破壞路面結構，同其他類檢測方法相比，地質雷達具有勘探成本低、周期短、適用廣、效率高的優點，可在較短時間內進行不間斷、大范圍檢測，并能較為精確地確定缺陷的形狀、大小和深度，使得無損檢測技術成為此類檢測的必然選擇。在地質雷達技術應用于橋臺搭板脫空的質量檢測中，合理選擇檢測天線頻率及采集參數，進行計算機數據處理，可對淺層異常體、介質分層、含水性檢測有較高的分辨率，能夠快速、準確地檢測出搭板下的脫空、沖刷等病害，經具體實施和驗證，取得了比較滿意的效果，為下一步的病害處理提供了依據，也為同類工程施工質量檢測提供了參考，是今后公路檢測的發展方向，具有廣闊的應用前景。