交通荷载作用下公路路基沉降无损检测研究.pdf
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1、A p p J ic a to nr e s e ar c ho nn o n d e s t r u c tjv ed e t e c to no f R o a d b e ds e t tJe m e n tu n d er t h ea c to no ftr a f fc A b s tr a c t F o rh a v i n gc o n t i n u o u s ,H o nd e s t r u c t i v et e s t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f g r o u n d p e n e t r a t i n gr
2、 a d a rt e c h n o l o g yu s e di nh i g h w a yp a v e m e n ts u b g r a d e q u a I l t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o no ff i e l di m p r o v ep r o b i n ge n g i n e e r sa n a l y s is i n t e r p r e t st h el e v e lo fg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rp r o f i l e sP a p
3、e r sb a s e d o nal a r g en u m b e ro fm e a s u r e dd a t a ,s u m m a r i z e da n ds u m m e du pt h ec r a c k s i nt h e p a v e m e n ts u b g r a d e ,t h ea b n o r m a l f e a t u r e so fa t y p i c a l g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rp r o f i l eo ft h et y p eo fl o o s e
4、,v o i d ,l o o s e , s u b s i d e n c ea n do t h e rd i s e a s e s u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e st o s t u d yt h ed e t e c t i o nc a p a b i l i t i e so fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt e c h n o l o g y f o r t h ea b o v e m e n t i o n e dd i s
5、 e a s e sa n dr e s e a r c ha p p l i e dt oe n g i n e e r i n g p r a c t i c e t h ee f f e c t i v ed e t e c t i o no far o a ds e c t i o no fr o a d b e ds u b s i d e n c e a n dt h et r e a t m e n te f f e c t T h ed e t e c p i o nr e s u l t ss h o wt h a t V o i da r e ae x p r e s s
6、e da sar e f l e c t i o n o nt h er a d a rs e c t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h es c o p ea n dd e p t ho ft h eV o i dg o n e , as t r o n gr e f l e c t e ds i g n a l ,a n dt h ef o r m a t i o no fas e r i e so fs h o c ks u bw a v e s i g n a l :l o o s ea g g r e g a t e si nf i l l i
7、 n gl o w ,t h em a j o r i t yw a s l o o s e ,c a u s i n g t h ei m a g eo nt h ew e a kr e f l e c t e ds i g n a le n e r g y 1 0 0 s et h ew a t e rf i l l e dc a s e , t h ed i s e a s e r e g i o no fa b n o r m a lr e f l e x e s ,s e v e r ep a v e m e n t l a y e r s d e p o s i t i o nz
8、o f l ea tt h es a m ep h a s ea x i a lo f f s e t :t r a n s v e r s ec r a c ke x t e n d s t ot h er o a da n o m a l ya p p e a r so nt h er a d a ri m a g e se x t e n d sd o w nt h ev e r t i c a l p o s i t i o nf r o mt h er o a dd i r e c tw a v eb a n d s :L u j iS o n gS a nd i s e a s e
9、 sw i t h i n t h er e g i o nr e f l e c t e dw a v et ot h ea x i sf u z z yc o n t i n u o u s ,t h er e f l e c t e d s i g n a l i s w e a k :o na ne m p t yl o c a t i o ni nt h ei m a g ef o r m a t i o no fa h y p e r b o l i c t h es h a p eo fa b n o r m a lr e f l e x e s ,a b n o r m a l
10、c h a r a c t e r is t i c 变通荷戢作用下。路路基沉降无损检测研究 h y p e r b o l ac o r r e s p o n d i n gt o t h ee m p t yt o pp o s i t i o n K e yw o r d s :p a v e m e n ts u b g r a d e d e f e c t s ;g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r d e t e c t i o n :r e f l e c t e dw a v e 交荷载作用T 公路路基沉降无损检测研究 目录
11、 绪论 2 探地雷达探测理论及数据处理方法 5 2T 探地雷达法5 2 1 1 基本原理 5 2 12 基本参数6 22 探地雷选剖面高分辨辜处理技术 6 22 l 数字滤波 6 2 22 横向滤波 1 0 2 23 预m 4 反褶积 1 0 224 小波变换 】3 3 路面路基病害及典型探地雷达剖面异常特征 1 5 31 常见路面路基病害类型1 5 3ll 裂缝 1 5 312 面层、基层疏松 1 6 313 脱空 1 6 3 14 路基松散 1 7 315 沉陷 1 7 3I6 空洞 】8 32 路基路面病害典型探地雷达剖面异常特征1 8 32 1 路面痛害特征 1 8 3 22 路基病害
12、2 2 4 基于正演接型的道路病害量探地雷达探测能力分析 2 6 41 数值模拟方法 2 6 42 道路病害雷达探4 模型构建2 8 43 常见公路病害正演数值模拟2 8 5 路基沉陷及处理效果探地雷达检测实例 3 8 5 1 路基沉陷检测 3 8 5l1 工作概况3 9 5 12 沉陷区典型剖面特征3 9 5 I3 结论及建议 4 7 52 沉陷段处理散果检测4 8 52 1 检测概况4 8 5 22 注浆区的典型剖面特征4 8 52 3 结论及建议5 5 6 结论 5 7 交通荷载作用下公路路基沉降无损檀铡研究 1 绪论 1 1 探地雷达在公路检测中的应用现状 被称为地质勘探雷达系统的地质
13、雷达,英文名称为( G r o u n dP e n e t r a t i n g R a d a r ) 简称( G P R ) 。它是通过向所探钡4 地面下方发射高频电磁波束、利用接受来 自地下介质界面的反射波信号推断地下介质分布的地球物理勘探设备。1 9 0 4 年, 一位名叫H t l l s m e y e r 的德国人第一次在地下金属体的探测过程中使用了电磁波 信号。此后,L e i m b a c k 和L o w y 于1 9 1 0 年提出将雷达原理用于地下探测,并申 请了专利,与此同时还正式提出了探地雷达这一说法,并将它作为一种概念来推 广。起步较早的还有美国,在2 0
14、世纪7 0 年代美国先后把探地雷达技术应用于道 路检测试验研究,公路隧道检测,及桥梁面板的检测中“3 。拉普兰地区的道 路管理部门为了能够更好地进行道路检测于1 9 8 6 年购置了探地雷:与此同时芬 兰于1 9 8 6 年也开始应用探地雷达最早运用于公路检测方面“2 。渐渐地探地雷达技 术开始运用于芬兰国内的各种道路检测和设计中。 早期探地雷达的使用是用来探测地下土层工程性质及分层界面、探测基岩面 深度以及公路结构层调查,借助的是低频地面耦合天线( i 0 0 。5 0 0 M H z ) 。1 9 8 8 年, 第部针对高速公路探测的车载雷达系统”1 是在在美国联邦公路局的支持下发 明的,
15、开始应用于桥梁面板检测”;以及道路设计和质量控制工作”“,则是从 2 0 世纪9 0 年代早中期开始。从那时开始,采用的是高频率( 1 O G H z ) 的空气耦合 天线“2 1 的探地雷达技术被广泛应用于公路面层厚度检测“”、混凝土板下脱空探测 “”以及桥粱面板损伤区域探测“”。 在2 0 世纪9 0 年代末,在北美地区以及意太利、加拿大、法国、瑞士和英国 等发达国家,G P R 技术已经被广泛地应用于公路探铡。通过对G P R 在北美地区( 包 括美国5 0 个州以及加拿大的部分交通部门在内) 的使用状况的调查中由( M o r e y 开展调查) ,其结果表明,在调查范围内已经有6 5
16、 的地区在使用G P R 进行无损 检测,其应用范围之广,主要包括:空洞探测( 2 2 个地区) 以及桥梁结构分层 ( 1 6 地区) ,道路面层厚度检测( 2 4 个地区) ;另外还有填埋物探测( 8 个地区) 、 基岩面深度( 8 个地区) 、路面结构分层( 1 1 个地区) 等。“” 交荷载作用下公路路基沉降i 损检测研究 总体上来说,国外探地雷达在道路工程中的应用可以分为3 种情况“:( I ) 道路的选线勘察:( 2 ) 对于已有道路的改造;( 3 ) 利用已有公路的资料指导相邻公 路的设计。每种情况下要研究的基本问题是类似的,但雷达技术的使用方法不同。 对于道路的选线勘察,G P
17、R 的主要作用是判断路基土性质及界面、估计基岩面深 度、推断地下水位及土层易冻性“。G P R 数据同时被用来指导传统的地质勘查, 例如利用G P R 数据优化钻孔位置。在高速公路桥梁前期勘察中,G P R 被用于探测 河流水下地形、判断湖底沉积层性质。在美国和芬兰,G P R 还被用于探测桥墩区 域的冲刷n ”。 在地下土层性质判断方面,G P R 已经被验证可以很容易地识别出砂砾层、砂 层和冻土层,而且G P R 对于有机质土壤也有很好的探测能力。n “。不过不是每种 土壤都适宜G P R 探测,在砂土中,G P R 信号单一稳定,但是在粘性土中却不理想。 在北欧斯堪的纳维亚,G P R
18、探测粘性土厚度一般只能达到2 m ,这对于高速公路设 计勘察来说远远不够,这种情况下往往采用其它的地球物理方法,例如电阻率成 像法。在美国,G P R 信号在秸性土中的探测深度一般取决于其矿物成分和粘性成 分含量。在某些含氧化物的粘性土中探测深度可以达到5 m ,而在某特殊的富舍 蒙脱石矿物的粘土中,G P R 探羽4 深度仅能达到01 5 m “。 由于每种土都有其独特的地质结构、介电性质,很多情况下使用者可以根据 雷达数据分析得出土壤类型,例如在芬兰,有介电色散性质的土层会在G P R 剖面 上形成特殊的振荡反应。但是仅仅根据G P R 剖面往往不能确定土层类型,一般公 路检测部1 通过结
19、合钻孔资料帮助拾取正确的土层界面和确定土层性质。 对于G P R 在基岩面和基岩质量的探测,基岩面的确定往往比较殂难。如果基 岩上部覆盖层过厚到使G P R 信号无法穿透,则无法探测基岩面:如果公路下部基 岩已经被爆破到一定程度,则基岩与路面之间的大量回填也会导致G P R 剖面上界 面的不连续”3 。由于G P R 数据处理要给出结构性的结果,因此基岩探测也需要类 如钻孔、开挖、地震资料的辅助,其中一种比较先进和经济的办法就是与落锤式 弯沉仅( F a l l i n gW e i g h tD e f l e c t o m e t e r ,简称F w D ) 的结合使用“6 1 。在基
20、岩埋 深很浅的情况下,基岩面可以用F W D 方法确定,点测方法与G P R 连续方法的结合 可以准确圈定基岩面。1 9 9 8 年在芬兰西部的K u o r t a n e 地区,公路检铡部门就应 用这种方法准确判定了基岩面位置”。 交通荷载作用下公路路基沉降无损检测研冗 6 P R 在路基探测方面的应用还包括寻找路基空洞、探测公用管线、以及调查 空洞的泥浆充填情况。美国的密苏里州S p r i n g f i e l d 地区已经将G P R 技术应用于 探测公路下层砂性土壤的冲刷情况。还有许多学者报道了G P R 应用于高速公路加 宽前两侧填埋物的调查。 在公路结构层探测方面,为了得到3
21、 m 左右内整个公路结构层的信息,目前 大部分探测的地面耦合天线频率在4 0 0 “5 0 0 删z ,高频天线( 例如15 6 H z ) 主要 被用于用于面层的探测。一般结构层厚度的探测主要用于:( 1 ) 工程生产管理数 据库的建立,( 2 ) 辅助F W D 数据计算各层模量,( 3 ) 公路设计参考,( 4 ) 质量控制e 实际检测经验表明,对于新建路面结构层,G P R 探测厚度的误差可以控弗0 在r 5 之间,但对于一定年限的公路,检测结果误差较大,还需其它资料的验证。 在路面结构层病害探测中,G P R 被用于探测面层及基层材料冲刷,美国明尼 苏达卅的w l l i m a r
22、 地区用I5 G 地面耦合天线和F W D 方法结合检测面层冲刷,效 果良好。面层含水是造成沥青冲刷的一个主要原因,在美国德克萨斯州进行的研 究中,面层的不同含水情况可以形成G P R 剖面上5 种不同的异常反射。此外,在 面层探测中,G P R 还用来检测裂缝和松散病害。对于空洞的探测,其含水率对探 测影响很大干燥或者潮湿会形成各不相同的反射。此外空洞要有足够的尺寸, 目前干燥条件下G P R 探测面层空洞的最小直径为1 5 r a m 。 我国对探地雷达系统的开展,起步较晚,屉早开始干2 0 世纪9 0 年代,应用 研究工作取得了良好的社会效益和经济效益,主要开展在道路、隧道、堤坝、灾 害
23、地质调查等方面。近期内,探地雷达无论是在数据处理方面还是在仪器设备都 取得了进一步的提高,这主要是归功于电子技术和计算机的发展,这一提高以其 抗干扰性强、分辨率高、操作方便、非破坏性探测等优势,在较短的时间内被迅 速推广应用于国内外公路质量检测中。在公路结构层探测方面,为了得到3 左 右内整个公路结构层的信息,目前大部分探测的地面耦合天线频率在 4 0 0 5 0 0 M l z ,高频天线( 例如i5 G H z ) 主要被用于用于面层的探测。一般结构 层厚度的探测主要用于:( 1 ) 工程生产管理数据库的建立,( 2 ) 辅助F w D 数据计算 各层模量,( 3 ) 公路设计参考,( 4
24、 ) 质量控制。卖际检测经验表明,对于新建路面 结构层,G P R 探测厚度的误差可以控制在3 、5 之间,但对于一定年限的公路r 检 测结果误差较大,还需其它资料的验证。地质雷达探测技术具有操作简便、分辨 交通荷载作甩下公龉路基沉降无损检铡研究 率高、应用范围广泛、成果解释可靠、自动化程度高的优点,对浅层地质调查, 有着非常广泛的应用前景,如探测基岩面、采空区、隐伏断层、覆盖层厚度、古 溶洞、破碎带,以及地下掩埋物( 金属目标、管道、电缆等) 、涵洞、管道沟等效 果是好,对于地下水位的测定,坝基地质调查,各种环境地质调查如污染物及管 道泄漏范围的测定,浅部裂缝调查都很适用。辽宁、河南、河北、
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