■吳少峰
(福州市公路局長樂分局,福州 350004)
隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展, 通車里程逐年增加, 但運營中出現(xiàn)的病害缺陷也日益增多, 如路基沉降、路面及橋面破碎、邊坡失穩(wěn)等,影響公路的服務(wù)水準和使用壽命。因此,快速精準的進行檢測,發(fā)現(xiàn)病害缺陷,及時預(yù)防養(yǎng)護,不僅可維持公路的服務(wù)水準,而且可延長使用壽命,降低養(yǎng)護成本。目前,傳統(tǒng)的檢測方法效率低,代表性差,偶然性較大,經(jīng)常需破壞路基路面及構(gòu)造物,且影響正常交通秩序。20 世紀80 年代開始, 地質(zhì)雷達(GPR) 技術(shù)以其便捷、 無損、 高效、經(jīng)濟、操作簡單、抗干擾能力強、結(jié)果直觀等優(yōu)越性,廣泛應(yīng)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報[1]、路基邊坡穩(wěn)定監(jiān)測[2]和擋墻質(zhì)量檢測[3]、路面厚度檢測[4]、橋梁樁基檢測[5]、預(yù)應(yīng)力注漿檢測[6]等建設(shè)工程中,成為一種重要的檢測手段。但截至目前, 地質(zhì)雷達在公路養(yǎng)護工程中少有應(yīng)用,未體現(xiàn)出其在養(yǎng)護工程中的優(yōu)勢。 本文結(jié)合養(yǎng)護工程背景,通過地質(zhì)雷達檢測結(jié)果與傳統(tǒng)試驗結(jié)果相對比,驗證地質(zhì)雷達檢測的效果和精度,并總結(jié)應(yīng)用的經(jīng)驗,供公路養(yǎng)護工程參考。
地質(zhì)雷達是運用高頻電磁波的反射探測目標體,其基本工作原理是利用一個天線向介質(zhì)(目標體)發(fā)射高頻寬頻帶的短脈沖電磁波, 另一個天線接收介質(zhì)界面反射回的電磁波。電磁波在介質(zhì)中傳播時,其波形、電磁場強度、 路徑將隨通過介質(zhì)的幾何形性和電性質(zhì)變化而變化,通過分析接收波的波形、波幅、旅行時間等參數(shù),就可以推斷出介質(zhì)的結(jié)構(gòu)(如空洞的形狀和位置)[2][8]。地質(zhì)雷達設(shè)備包含主機、天線、數(shù)據(jù)線及電池等配件,其中雷達天線的頻率直接影響著探測范圍、深度和分辨率, 針對不同的目標體選用合適的頻率對檢測的精度及分辨率占主導作用。
(1)適用范圍
基于地質(zhì)雷達的工作性能,結(jié)合路基的工程特性,其可應(yīng)用于路基沉陷、路基壓實均勻性、邊坡變形、擋墻質(zhì)量及管線埋置位置等方面的檢測。 可快速且較為準確的判定路基、邊坡和擋墻的薄弱部位和病害程度,為病因分析和維修加固提供依據(jù); 同時, 可判斷出路基、 邊坡和擋墻中管線的位置, 避免維修加固時造成損壞。
(2)儀器設(shè)備選擇
根據(jù)路基的工程特性,頻率為100MHz、500MHz、800MHz 的3 種天線較常使用,各頻率天線的適用范圍歸納如表1 所示。
表1 路基工程檢測頻率適用范圍表
(3)工程實例
①概況: 某縣道X254,K9+124 處為(2×5)m 鋼筋混凝土板橋,位于江邊,常年受潮水沖刷,臺后路面產(chǎn)生不同程度的下沉且側(cè)墻外鼓。為確保橋梁的正常使用,對臺后路基進行檢測,判斷病害成因,為修復(fù)提供依據(jù)。
②儀器選用和測試方案:探測前,先了解臺后路基與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)側(cè)墻的高度分別選用100MHz 和500MHz 天線進行探測。 為實現(xiàn)立體檢測,分別布置了兩條縱線、兩條橫線。
③圖像判釋:圖1 是500MHz 天線沿道路縱向探測的臺后路基灰度圖,從圖中可以清晰的分辨出橋梁(藍線)、管線(紫線)、路面結(jié)構(gòu)層(紅線)及路基的邊界。從路面結(jié)構(gòu)界面的形狀可知臺后路面最大沉降量達30cm, 臺后8m 范圍內(nèi)路面基層和路基界面反射信號強,存在脫空,基層與路基粘結(jié)被破壞,可初步判定路基沉陷長度[9]。路面2.6m 以下路基發(fā)生強振幅反射,雷達波呈現(xiàn)出的波形相對均一,有一定規(guī)律的多次強反射現(xiàn)象,可判斷該處路基含水量較大[2],說明涵墻已透水,2.6m 以下的路基已浸水, 與漲潮水位對應(yīng)。 圖2 是100MHz 天線沿道路橫向探測的臺后路基波形圖(右側(cè)為臨江側(cè)),從圖中可以知橫向3 m,深2 m;橫向6m,深2 m; 橫向1~3 m, 深3.5~4m; 橫向5~7 m, 深4~5m;橫向3~5m,深5~6m 共5 處出現(xiàn)同相軸缺失現(xiàn)象,可判斷該處可能出現(xiàn)局部沉陷[2]。結(jié)合圖1 和圖2,可初步確定路基沉陷的位置和范圍。 經(jīng)現(xiàn)場開挖和相關(guān)試驗,上述結(jié)論基本都得到的驗證,誤差在10cm 內(nèi)。臺后注漿修復(fù)后的檢測可參考文獻[10]。
圖1 縱向500MHz 灰度圖(單位:m)
圖2 橫向100MHz 波形圖(單位:m)
(1)適用范圍
結(jié)合路面工程的特點, 地質(zhì)雷達可應(yīng)用于路面脫空、角隅鋼筋、拉筋及植筋尺寸及間距、混凝土及瀝青路結(jié)構(gòu)層面厚度等方面的檢測。可快速且較為準確的斷定路面脫空位置及尺寸、鋼筋布置情況及結(jié)構(gòu)層厚度等參數(shù)。
(2)儀器設(shè)備選擇
針對路面工程, 建議選用800MHz 和1.6GHz 2 種雷達天線進行相關(guān)構(gòu)件檢測,適用范圍如表2 所示。
表2 路面工程檢測頻率適用范圍表
(3)工程實例
①概況:某省道S303,K0+600 處綠化帶路緣石底部路基掏空,長度約5m,部分綠化帶陪植土流失。為確保路面(厚度24cm)的通行安全,采用地質(zhì)雷達對掏空路段的混凝土路面進行檢測,判斷混凝土面板是否脫空及脫空范圍,分析病害成因,作為修復(fù)的依據(jù)。
②儀器選用和測試方案:探測前,先了解路面與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)混凝土面板的厚度選用800MHz 的天線進行探測。 根據(jù)路緣石下方的掏空情況,布置兩條20m 長的縱線進行檢測。
③圖像判釋:圖3 是800MHz 天線沿路面縱向探測的灰度圖,可以清晰的分辨出雨水井(藍線)、管線(紫線)、路面結(jié)構(gòu)層(紅線)的邊界。從圖3 中可知混凝土面板厚度在22~25cm 之間,與設(shè)計厚度基本吻合; 8~10m、19~20m 兩段路基明顯下沉。其中8~10m 路段位于雨水井附近,由于施工壓實不到位或后期雨水井排水等影響,造成沉降約10cm;19~20m 為橋臺后填土,存在工后沉降,沉降量在6cm 左右。12.5~13.5m 段、16~17m 段2 處出現(xiàn)同相軸缺失現(xiàn)象,路基存在脫空[2]。經(jīng)現(xiàn)場開挖和相關(guān)試驗, 上述結(jié)果基本符合實際, 誤差較小, 其中路面厚度與沉降量精度在1cm 內(nèi), 脫空及沉降范圍精度在10cm 內(nèi)。
圖3 縱向800MHz 灰度圖(單位:m)
(1)適用范圍
根據(jù)橋梁工程的特點,地質(zhì)雷達可用于橋面結(jié)構(gòu)層厚度,角隅鋼筋、拉筋及植筋尺寸及間距,構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造、鋼筋布置情況及保護層厚度,預(yù)埋件位置及埋置深度等方面的檢測??煽焖偾逸^為準確的判定橋面厚度、保護層厚度、鋼筋布置、構(gòu)件尺寸、預(yù)埋深度等參數(shù),為病因分析和維修加固提供依據(jù)。
(2)儀器設(shè)備選擇
根據(jù)橋梁工程的實際情況, 建議選用500MHz、800MHz、1.6GHz 3 種天線進行檢測, 適用范圍如表3所示。
表3 橋梁工程檢測頻率適用范圍表
(3)工程實例
①概況:某縣道X354,K0+260 處為一座鋼筋混凝土剛架拱橋,橋?qū)?7m,橋長58.8m,主跨45m,水泥混凝土橋面。該橋橋面出現(xiàn)了縱向和橫向裂縫,伸縮縫后澆帶破碎, 個別微彎板混凝土掉塊、 開裂, 露筋銹蝕,剛架拱片弦桿段跨中區(qū)域存在環(huán)形裂縫等病害。上述病害按設(shè)計進行了修復(fù)加固,其中為確保伸縮縫的錨固,將弦桿端部的橫隔板植筋加大截面。為檢驗端橫隔板的施工質(zhì)量,用地質(zhì)雷達進行了檢測。
②儀器選用和測試方案:探測前,先了解端橫隔板與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。并根據(jù)端隔板高度分別選用800MHz 和1.6GHz 的天線進行探測。沿伸縮縫走向布置一條橫線進行探測。
③圖像判釋:使用800MHz 和1.6GHz 天線均可得到的清晰灰度圖。圖4 為1.6GHz 天線沿伸縮縫走向測量的灰度圖。從圖中可以清晰的分辨出微彎板(藍線)、鋼筋(黃點)、橋面(紅線)的邊界??芍摻畋Wo層厚度在3~5cm,滿足要求;鋼筋間距基本在20cm 左右且比較均勻, 與設(shè)計吻合。 微彎板的厚度在10cm 左右,與實測相符。經(jīng)對比,鋼筋保護層與微彎板厚度、鋼筋間距的精度控制在1cm 內(nèi)。 在對空心板梁的探測中,發(fā)現(xiàn)空心板梁配筋及頂板預(yù)埋件較多,檢測干擾較大,圖像較為模糊,但對梁片的結(jié)構(gòu)尺寸,特別是空心板梁頂板、底板厚度的測量結(jié)果還是比較準確的,故可有效地檢測空心板梁施工時氣囊的上浮量,控制施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量。
(1)適用范圍
地質(zhì)雷達可用于檢測防撞墻結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋布置及保護層厚度;波形護欄立柱埋深;安保工程基礎(chǔ)尺寸及埋置深度等。從而快速且較為準確的確定安保設(shè)施的鋼筋間距、保護層厚度、基礎(chǔ)尺寸及埋深等參數(shù),為施工質(zhì)量、病害缺陷和維修加固提供依據(jù)。
(2)儀器設(shè)備選擇
根據(jù)安保設(shè)施的工程特點, 建議選用800MHz、1.6GHz 2 種雷達天線進行檢測,適用范圍如表4 所示。
表4 安保工程檢測頻率適用范圍表
(3)工程實例
①概況: 某省道S301, 為完善安保設(shè)施, 在K263+720 處增設(shè)鋼筋混凝土防撞墻和波形鋼護欄。為檢驗鋼筋混凝土防撞墻的施工質(zhì)量, 用地質(zhì)雷達進行了檢測。
②儀器選用和測試方案:探測前,先了解鋼筋混凝土防撞墻周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)防撞墻的高度和厚度選用800MHz 天線探測。 在防撞墻頂面沿路線方向布置一條線探測、沿豎向從頂部至路面布置一條線探測。
圖5 橫向800MHz 灰度圖
③圖像判釋:使用800MHz 天線可得到的清晰灰度圖, 圖5、 圖6 分別為沿路線方向和豎向探測的灰度圖。 從圖5 可清晰判斷出防撞墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、 鋼筋布置、輪廓標及水泥路面的邊界。從圖5 可知鋼筋混凝土防撞墻基礎(chǔ)埋置深度不足,即高度不滿足設(shè)計要求(設(shè)計為墻高為144cm,檢測為132cm);1 號鋼筋排列較為規(guī)律, 鋼筋間距為20cm, 與設(shè)計相符,3 號鋼筋間距為17~18cm, 較為平順, 與設(shè)計相符, 但0.5~1.5m 段的變截面處(綠色位置)3 號鋼筋傾斜度較大,間距不均;輪廓標位置與設(shè)計相符。從圖6 可知防撞墻頂面厚度約為25cm, 在離路面26cm 處存在變截面, 變截面處厚度為40cm,路面處防撞墻厚度為45cm,與實測結(jié)果較為接近, 誤差在1cm 內(nèi)。 通過對預(yù)埋件的探測,可知靠近地面的預(yù)埋件檢測到的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)較為精準, 埋置較深的預(yù)埋件由于波的能量衰減及干擾等因素,檢測到的數(shù)據(jù)精確較差。
圖6 豎向800MHz 灰度圖
(1)通過探索地質(zhì)雷達在路基、路面、橋梁及安保等工程實例中的應(yīng)用,可以證明,地質(zhì)雷達檢測基本能滿足公路工程病害預(yù)防性養(yǎng)護及維修加固后質(zhì)量檢測的要求,具有高效、無損、便捷、易操作、精度較高等優(yōu)點,經(jīng)濟效益和社會效益明顯,對公路病害預(yù)防養(yǎng)護和維修加固后檢測具有重要的意義。
(2) 地質(zhì)雷達的檢測精度與天線頻率、 參數(shù)選取、測點布線及周邊環(huán)境等因素有關(guān),本文經(jīng)過工程實踐,針對路基、路面、橋梁及安保工程的特性,提出了各種工程檢測的參考頻率及布線要求;并總結(jié)了地質(zhì)雷達在各種工程檢測中的數(shù)據(jù)精度,供同類項目參考。
(3)地質(zhì)雷達檢測技術(shù)相對于傳統(tǒng)的檢測方法優(yōu)勢明顯,但也存在干擾多、檢測范圍不全、精度需經(jīng)驗糾正、對環(huán)境要求高等不足,如何通過操作方法、現(xiàn)場采取措施、經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累和處理來彌補這些不足,需要作進一步研究,使地質(zhì)雷達有更為廣闊的應(yīng)用空間和檢測精度。
[1]李二兵,譚躍虎,段建立.地質(zhì)雷達在隧道工程檢測中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學報,2006,2(2):267-270.
[2]江麗,吳棟,李春林,李仕雄.地質(zhì)雷達在邊坡穩(wěn)定性檢測和預(yù)警中的應(yīng)用[J].人民長江,2012,43(5):51-53.
[3]丁春.地質(zhì)雷達在公路擋墻質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].公路,2011,6:19-23.
[4]李華,焦彥杰,楊俊波.淺析地質(zhì)雷達技術(shù)在我國的發(fā)展及應(yīng)用[J].物探化探計算技術(shù),2010,32(3):292-299.
[5]白哲,周中一.佑溪大橋愕樁樁基的地質(zhì)雷達探測[J].水運工程,2008,3:120-121.
[6]杜良,劉樹才,王齊仁,梁棋念,郭偉紅,周璇.預(yù)應(yīng)力梁板中塑料波紋管注漿飽滿度探地雷達檢測[J].地球物理學進展,2014,29(6):2880-2885.
[7]劉東坤,巨能攀,霍宇翔.地質(zhì)雷達在不同介質(zhì)填充下的頻譜差異分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(5):23-28.
[8]王雯珊,向陽開,熊潮波.地質(zhì)雷達在路面脫空檢測中的應(yīng)用[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2012,31(4):811-814.
[9]毛小平,黃少華.天津市道路塌陷根源分析及其防治對策[J].自然災(zāi)害學報,2013,23(6):218-226.
[10]岳雪波,吳建中,夏峻峰.地質(zhì)雷達在橋臺臺背注漿效果檢測中的應(yīng)用[J].人民長江,2013,44(6):65-66.