濕陷性黃土地區道路地下空洞病害發育的幾何物理屬性研究

中圖分類號：U418 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0025-05

Abstract：Withtheincreasingattentionuponurbanroadcolapseaccidents，themarketfordetectingundergrounddisease bodiesonurbanroadsisalsoincreasingyearbyyear.However，thecurentexplorationstagemainlyfocusesonthedetectionof undergrounddiseasebodiesonurbanroads，patternrecognition，andanalysisof diseasecauses，withoutanalyzingandstudying theinherentatributesofundergrounddiseasebodiesonroads.Basedonthis，thisstudyconductedaphysicalparameterstudy onthedevelopmentofvoidsbeneathcementconcretepavementincollpsibleloessareasbasedontheresultsof3Dgeological radardetectionanddrillngverificationdata.Furthermore，forthefirsttime，aninnovativeappoach wasproposedbasedonthe geometricdevelopmentandspatialcharacteristicsreflectedbytheparametersofthetopdepth，bottmdepth，planearea，and volumeofthecavity，proposingtheatributesofundergrounddiseasebodies.Thegeometricandphysicalpropertiesofthe identifiedcavitydiseasebodieswerealsostudied.Researchhasshownthatwhenanalyzingacavitydiseasebodyfromasingle topdepthatribute，bottomdepthatribute，clearanceatribute（netdepthatribute），planeareaatribute，andspatialvolume atribute，thesinglephysicalparameterintervaloftecavitycanbeasicallygrasped，andthenthedevelopmentoftecavityin acertainroadcanbeobtained；Testudyofmulti-atributecorelationanalysiscanevalutethesingleaributeintervalandrisk ofroadavitydevelopment，andthenevaluatetheriskofcollapseandlossscausedintheearlystage，providingscientific， rapid，andaccurategeophysicalbasisforgovernmentdepartmentstodealwithcavitydiseases.Theresearchmethodsand achievementsofthisstudyprovidenewresearchideasandmethodsforthedetectionindustryofundergrounddiseasebodieson urban roads，and have a certain guiding role for road collapse warning.

Keywords： road;underground; disease cavity; geometric physical property; 3D geological radar

地質雷達（GPR）在城市道路地下病害體探測、道路塌陷防治和缺陷檢測方面有著檢測速度快、解譯速率高、淺層區域分辨率高和適應性強等特點。隨著市政道路主管部門對城市道路地下病害體的重視度增強，地質雷達法在城市道路地下病害體探測中的市場前景和應用效果也十分凸顯。近年來，國內學者從道路地下病害體探測與病害體精準識別、病害體的成因分析等方面進行了深入的研究。

在城市道路地下病害體探測與精確識別上，李永強通過二維地質雷達和三維地質雷達在濕陷性黃土地區道路地下病害體發育的圖譜特征對比研究，為道路地下病害體的快速識別提供了樣板;李世念等[2-4]利用GprMax3D軟件正演模擬了充氣型空洞和充水型空洞，并結合三維地質雷達探測實例進行了充分的驗證，對城市道路地下空洞圖譜的精確識別提供了可靠的依據;米曉利等對黃土塬區地下空洞的發育進行了綜合物探響應特征研究，結果表明，三維地質雷達法、地震映像法和高密度電阻率法都對地下空洞有所識別，但三維地質雷達法和地震映像法對空洞的識別效果更好，工作效率更高，而高密度電阻率法在城市易受感染且對場地要求高，對地下病害體的識別相對不易辨別。在城市道路地下病害體成因分析與研究方面，有些學者從單一成因分析了城市道路地下空洞致塌機理，如陶連金等[6-7從土顆粒角度分析了砂土路基下空洞的發展破壞機理，并定量給出地下空洞對路面塌陷的影響程度，為道路地下病害體檢測和塌陷防治提供了新思路；肖文興等從交通載荷作用對砂土路基和黏土路基下空洞演變進行了有限元分析，并得出在交通載荷作用下不同路基土性質致使道路空洞區塌陷的界限有明顯差異，且得出與陶連金等一樣的結論，即黏土路基下方空洞跨徑發育到 6m 時，易致道路塌陷[6.8-1;也有學者從多因素分析了城市道路地下病害體的成因，如盧思同等[12-13]結合MALA 200MHz頻率三維地質雷達探測實際分析了城市道路病害的主要成因和誘因，表明對三維地質雷達技術在道路地下病害體探測中可視化和定量化效果顯著，但未對道路地下病害發育機制以及致陷機理進行深入討論；同時，錢榮毅等[14結合現主流的三維地質雷達探測技術存在的優勢與不足進行了較為詳細的闡述。

綜上來看，國內眾多學者在地下病害體的探測、圖譜識別和成因研究上有著眾多的實例研究，但對道路地下病害體屬性并未有過多研究，基于此，本文著重從實測結果的角度出發，探究基于水泥混凝土路面下發育的空洞物理參數的屬性研究，從而半定量化掌握空洞致塌的風險性評估，進而更高效地為道路主管部門提供預防措施，減少道路塌陷等風險。

1探地雷達原理與設備

探地雷達（GPR）是一種無損式物探方法，其基于地下介質的相對介電常數差異進行探測。GPR根據地下物質的介電常數的差異，來探測地下空間目標。由于地層結構介質的介電常數不同以及對高頻電磁波的抗波能力不同，地下空間的不同介電常數使高頻電磁波發生折射和反射。用GPR探測地下空腔主要是由于基礎空腔區域的介電常數與周圍致密空間的介電常數之間存在差異。根據反射信號呈現的GPR輪廓圖圖像的主要特征的差異，確定空域的位置和大?。℅PR探測原理示意圖如圖1所示）。本次成果是基于IDS StreamX 200MHz 三維地質雷達設備（圖2）所采集的數據進行研究得出的。

2 探測實例

2.1 道路概況

本次研究道路位于青海省西寧市城北區行政區劃內，西寧市區出露地層從老到新有中生界白堊系及新生界古近系、新近系和第四系。研究區內淺層地基土為第四系，由層雜填土和層素填土、層黃土狀王及層卵石組成，其中，區內濕陷性和非濕陷性層黃土狀土伴生厚度在 1.80～25.00m ，濕陷性等級達Ⅲ級標準。

本次研究的道路呈東西走向，且地勢呈西高東低趨勢，道路地下敷設有污水、雨水、電力和燃氣等諸多管線，路面是水泥混凝土路面為主且存在不同程度的龜裂和沉降等缺陷，路面硬化層厚度在 25cm 左右，道路兩側存在綠化灌木、居住、辦公樓以及中小型廠區。

本次三維地質雷達數據采用IDSStreamX系統進行道路全覆蓋采集，綜合考慮振幅能量、信噪比、探測深度和采集速度及計算效率等實際，中心頻率為200MHz ，采樣點為512，采樣間隔為 12cm ，采集時窗設為 110ns ，采集速度不超過 18km/h ，疊加2次。

2.2 探測結果

本次共查明道路地下病害體總數達70個，經復測以及鉆孔驗證后按照病害類型分為空洞、脫空、嚴重疏松和一般疏松4類，具體見表1。

注： ① 空洞與脫空的凈深界限值為 20cm ，即脫空H_F∈（0，20） ，空洞 H_☉∈[20，+∞] ） ② 凈空值 H_P= 底深值 H_☉ -頂深值 H_R 。

從表1中可知，空腔體病害（空洞和脫空）占本道路發育病害的 88.6% ，其中空洞占比最大，占比超過總病害數的一半，故本次研究著重對空洞病害進行幾何屬性研究分析。

2.3 空洞幾何物理屬性分析

在道路地下病害體屬性分析上，我們認為可以按照病害體發育的時空特性分為幾何物理屬性和時空屬性。幾何物理屬性主要有頂深屬性、底深屬性、凈空屬性、平面面積屬性和空間體積屬性等，幾何物理屬性隨著時間推移，造成道路病害體的演變而形成的變化為時空屬性，即為道路病害體發育的時空演變趨勢。基于對該道路的數據采集、處理與解譯、鉆孔驗證數據，本次主要研究該道路的頂深屬性、底深屬性、凈空屬性（凈深屬性）平面面積屬性以及各屬性間的相關性。

基于對空洞鉆孔數據的整理分析，我們初步能夠獲知其基本物理參數，即頂深、底深、凈深和面積的最值情況（表2），同時按照不同最值的不同區間，我們進行了單一屬性的區間值統計分析（如圖3所示）。結合表2和圖3可知，本道路內空洞發育的頂深主要在0.24m 之內，這與頂深平均值和道路硬化層深度基本吻合；底深主要發育在 0.4～0.69m 區間內，這也就大致能夠圈定出空洞凈深區間發育在 0.2～0.49m 之間；從面積屬性看，道路內發育的空洞面積在 10m² 之內為主；而從空間屬性來看，該道路內發育的空洞最小體積不到 1m³ ，空洞體積的最值與均值相差，這在圖3中也有所體現，表明該道路內發育的空洞體積大多在10m³ 之內。

從表1中我們基本掌握了道路內發育的病害體情況，而從表2和圖3中我們獲知了單一屬性對道路地下空洞發育的影響，但仍不明確單一屬性下道路空洞致塌機制以及其風險性情況?；诖耍覀兺ㄟ^對空洞的頂深屬性-底深屬性和空洞面積屬性-凈深屬性進行相關分析（圖4和圖5）。

空洞的底深值減去頂深值即為凈深值，因為脫空與空洞的凈深界限為 0.20m ，故本次研究的空洞凈深最小值為 0.20m ，這與表2統計相吻合。從圖4可知，基于空洞底深值與頂深值的比值（即斜率）能夠表明空洞的凈深大小，這也能反映出其危險性。按斜率來講，箭頭處斜率為1，其所值空洞的凈深為 0.2m ，即頂底深度相同；淺色橢圓區域為斜率略大于1，表明底深值略大于頂深值；斜率等于1和略大于1的空洞相對穩定，不易塌陷，風險系數也較低；而深色小橢圓區域內的空洞的頂底深度斜率相對較大，穩定性也相對較差，風險系數相對較高，從圖中著落點數量來看，也是相對較多，表明了研究區內發育的空洞主要以該類型為主，這跟表2凈深平均值和圖3單一屬性分析結果相吻合；同比分析可知，深色大橢圓區域內的發育的空洞風險較高，易塌陷，需要及時對該類病害進行處置。

空洞的平面面積與凈深也關系到空洞的危險程度，從圖5中可知，平面面積越大，凈深越大的空洞易造成道路塌陷事故，而且破壞性也會越強；同時我們也發現，面積大、凈深小的空洞和凈深大、面積小的空洞也易塌陷，風險性也是不容忽視的；圖中圓圈內分布的病害數量最多，代表了該道路內主要發育的空洞面積區間在 10m² 之內，凈深在 0.4m 之內，這與單一屬性下分析的空洞發育情況相符合。

從空洞體積的定義可知，在空洞體積相當的情況，空洞面積越大，凈深越小，反之空洞面積越小，則其凈深越大；而在面積或凈深相當的情況下，空洞體積越大，其面積或凈深也越大。圖6和圖7為空洞體積屬性的相關性分析圖，該相關性分析圖不僅能表征體積屬性、面積屬性和凈深屬性三者的相關性，而且也表示了道路塌陷的風險性，即空洞體積越大，面積越大，道路承載力越低，塌陷性越高；空洞越小、凈深越大，其塌陷后危險性越大；同時，該相關性跟表1和圖3表征的體積屬性相對應。

3 結論和討論

1）本研究首次對濕陷性黃土地區水泥混凝土路面下發育的空洞病害進行了物理參數研究，提出了能夠表征研究區的某一條道路或區域內發育的空洞或脫空等空腔體病害體的賦存和發育特征的地下病害體屬性概念，并對空洞幾何物理屬性進行了系統分析，認為這一屬性研究方法能夠通用于城市道路地下病害體檢測領域中。

2）空洞幾何物理屬性分析研究表明，單一屬性能夠對空洞發育單一物理參數區間進行掌握，進而能夠獲知某條道路內的空洞發育情況；而多屬性的相關性分析研究能夠對道路空洞發育的危險性進行評價，進而可以前期評估其塌陷的風險和造成的損失，為政府部門的空洞病害處置提供科學、快速和精準的物探依據。

3）因為本次的平面面積僅是基于病害體的東西向長度和南北向長度的乘積，在計算上存在不精準性，而體積屬性是面積乘以凈深，故該屬性分析也存在一定的不精確，建議后續研究中對道路病害面積進行精細化測量后進一步做空洞面積屬性和體積屬性的精細化分析，進而更加科學評價空洞風險性。

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