探地雷达在道路工程中的应用研究

探地雷达在道路工程中的应用研究

收稿日期:2009211220

作者简介:刘　勇(19772),男,郑州大学硕士研究生,工程师,河南省商丘市公路局设计院,河南商丘　476000

刘　勇

摘　要:介绍了探地雷达的研究现状、设备组成及工作原理,并通过常见工程实例分析,进一步证明了该项技术在我国公

路建设中推广应用的必要性,着重指出该技术在工程建设中推广普及具有广阔的发展前景。关键词:无损检测,探地雷达,病害识别中图分类号:U416文献标识码:A

　　自从1988年我国第一条高速公路沪嘉高速建成通车以来,

我国的公路事业进入了以建设高等级公路为主的新时代,但目前,我国公路工程检测技术还停留在世界发达国家20世纪80年代初期或中期水平,检测设备和检测方法原始、落后,不能很好的对工程质量进行全面、快速、准确的评价。许多费用高、效率低、劳动强度大,甚至对工程有破坏性的检测仪器和检测方法仍在继续使用,传统的公路路基路面检测设备相对落后,现行的传统路面性能评价方法已不能满足日益繁忙的交通需要,为此亟需发展快速、简便、有效的公路无损检测评价技术,探地雷达无损检测技术即是在此背景下逐渐发展起来的新型检测技术。

1　国内外研究概况

在国际方面:1910年,德国专家用偶极天线探测地下相对高导电性质的区域,正式提出了探地雷达概念。Hulsenbeck 在1926年第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路,他指出,介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。20世纪70年代后,探地雷达的应用从冰层、盐矿等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质。80年代末期,美国率先开始将雷达技术移植于路基路面物理力学指标的无破损检测,并于1994年制造出第一台公路

型探地雷达(简称路用雷达)。近年来,美国劳雷工业公司在SIR 210H 地质雷达的基础上,不断推出多道、宽频、高速、高分辨、深穿透、多天线、多功能的地质雷达家族,广泛应用于路基、路面厚度和桥梁破损检测。

在国内方面:地质雷达一诞生,我国即开始了引进,但发展缓慢,直至1997年3月在南京召开了“地质雷达公路检测专项技术研讨会”之后,该项技术在我国才受到一定的重视,先后有辽宁、河南、河北、广西、吉林等11个省市引进路用雷达并实际应用于公路建设之中,尤要提出的是郑州大学在路用雷达的应用、信号处理、检测路面含水量、空隙率和压实度的应用研究以及路面结构层材料介电特性试验研究、层状体系介电特性反演及其工程应用等方面做了大量的工作,并取得了一系列相应的研究成果。但总的说来,由于国内整体起步较晚,研究工作多还处于初级阶段,很多技术还很不成熟和完善,亟待系统地研究。

2　探地雷达的组成及工作原理

地质雷达技术是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。设备主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。它是探测地表下结构和埋设物的新型无损探测仪器,即利

表4　轮碾试验结果

试验项目应力吸收层出现细微裂缝的加载次数裂缝上升到沥青

混凝土顶部的

加载次数

裂缝贯通全试验

断面的加载次数

15%胶粉+10%

S BS 改性沥青159********%S BS 改性沥青

113

212

3

　　从表4可以看出,对于采用15%胶粉+10%S BS 的改性沥青

应力吸收带而言,当加载到159次时才首次在应力吸收带出现细微裂缝,并在沥青混凝土底部也开始出现细微裂缝;当加载268次时裂缝上升到沥青混凝土顶部,并在加载452次时裂缝贯通全试验断面。与10%SBS 改性沥青应力吸收层相比,该结构裂纹发展更为缓慢,裂缝分散并且不规则。两者相同点为裂缝没有集中的主裂缝,而是分布在距离水泥混凝土板缝较远的一个范围内,从而大大提高了加铺层结构的抗疲劳破坏能力。

3　结语

1)对于运用应力吸收带,可以很好的缓解水泥混凝土的锯缝

及断板裂缝反射到沥青加铺层上来,运用应力吸收带可以有效的消解水泥混凝土板块接缝处的应力集中现象,降低加铺层内裂缝尖端的应力幅值,使裂缝不会很快失稳扩展,延缓裂缝反射的速度,提高路面的使用寿命。2)15%胶粉+10%SBS 的改性沥青应力吸收带的应力吸收能力,不管从软化点、弹性恢复能力还是抗反射裂缝的能力都远优于10%SBS 改性沥青应力吸收带,但在加铺合理厚度上有待进一步研究。3)在水泥混凝土路面大修工程中,应力吸收带比应力吸收层节约材料,只在断板裂缝及横纵缝上加铺即可,但不可太厚,以免影响沥青加铺层的平整度。参考文献:[1]　廖卫东,陈拴发,刘云全.STRA TA 应力吸收层抗疲劳特性

研究[J ].武汉理工大学学报,2003(25):12.

Study and application on p avement perform ance of the high 2elastic asph alt absorption b and

L U O Zhen 2ya

Abstract :Through the mechanism research of the high 2elastic asphalt absorption band ,and based on the comparison of rubber powder +SBS modified asphalt and SBS modified asphalt absorption properties ,the obtain is that the powder +SBS modified asphalt cement is more effective to mitigate asphalt concrete cracks development ,there is a high practical value.

K ey w ords :high 2elastic asphalt ,absorption band ,absorption ,rubber powder modification

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442・第36卷第7期2010年3月　　　　　　　　　　山西建筑SHANXI 　ARCHITECTURE

　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.36No.7Mar.　2010　　

用电磁波对地表的穿透能力,从地表上向地下发射某种形式的电磁波,电磁波在地下介质特性变化的界面上发生反射,通过接收反射回波信号,根据其时延、形状及频谱特性等参数,解译出目标深度、介质结构及性质。在数据处理的基础上,应用数字图像的恢复与重建技术,对地下目标进行成像处理,以期达到对地下目标真实和直观的再现。

该系统具有如下优点:1)速度快:公路探测雷达具有非常高的扫描速率,可实现高速行驶,不断流密点测量铺设层厚度;2)精度高:据资料统计,地质雷达对路面厚度的检测误差在5mm 左右;3)应用范围广:地质雷达可用于公路建设的全过程;4)无破损:与钻芯取样比较,路面雷达的检测对路面不造成破损;5)操作简便:自动检测软件具有极强的层面追踪、层厚检测功能。

3　道路结构层内部病害识别研究3.1　结构层内部病害主要表现形式

主要有三种:1)层间脱空:面层与基层表面之间出现空隙,这主要是两个层面之间施工时粘合不好或是透水性设计不当造成的。比如:有许多钻孔资料显示,在脱空部位常常存在1mm ～2mm 的灰土层,这是由于施工期间清理不完善所造成的;另外,如果基层透水性较好,则很容易在层间形成充气脱空;如果基层透水性不好就很可能会使面层与基层之间形成充水脱空。2)层内蜂窝:这主要是在施工时由于压实度不够造成的。若是渗入了水则会形成层内富水区。3)地基基础变形:主要会引起沥青面层发生裂隙、脱空甚至塌陷等现象。由此可以看出,结构层病害的表现千差万别,但具体原因主要是由于空气或水的进入而造成的,这便成了我们应用路面雷达进行病害检测的前提。

3.2　雷达病害识别的原理与方法

反射电磁波相位如何改变,直接取决于地层分界面的物性变化,当反射系数R 的符号为负时,说明上层的波阻抗要大于下层的波阻抗,反射电磁波的相位将同入射电磁波的相位反向。反之亦然。这样,若是在正常的道路结构中加入了水、空气或其他介质,则可以根据反射电磁波在不同地层中其强度被衰减的程度和相位的变化,相对定性地推断目标物的性质和变化。根据式(1)计算得知,脱空层的存在将使得反射系数增大2倍～3倍,所以来自面层的底界面的反射强度将大大增加,使得成功探测病害成为可能。

R ≈εn -εn +1

εn +

εn +1

(1)

4　工程实例分析

在亮度均匀区出现高暗区,说明此处的介电常数相差较大。

由此可见A 处有一明显的裂隙,层间存在小块脱空异常,如不及

时发现,就会有形成较大范围层间脱空的可能;B 与C 处是两处

明显的脱空异常,经钻孔取芯验证,均发现了脱空。从图154m

处(正常情况)的单道波形分析中可见,D 指的位置无明显反射信

号,而从56m 处(脱空)的单道波形中可以清晰地看出,在E 所指

的地方与D 相应的地方出现了明显的波形相位及幅值变化,呈

强负相反射异常,说明此处有充水脱空情形,这与脱空产生时应

有的异常特征是完全对应的。

在地下深0.3m ～0.6m 处,产生了持续30m 长的高亮区,

由于其同轴的上下错位,病害周围产生较多无规律的杂波,所以

判断其为疏松;而在940

m 处左右,有一纵向严重错位,但其长度

较短,判断其为裂隙,后经实地取芯验证,推测正确。结构层疏松

裂隙雷达图见图2。

探地雷达(GPR )结合介电常数测试沥青混合料的空隙率和沥青层的剥落情况,根据所测空隙率可进行压实度控制和含水量评价,指导道路管理部门的养护与维修。将沥青混合料压实时,

沥青混合料中空气含量减少,假定沥青含量不变则沥青和矿料的含量增加,导致沥青混合料的复合介电常数增加。近年来,在芬兰开展了大量的室内压实实验和现场检测试验,得到沥青混合料的介电常数与空隙率的关系如图3所示,则根据沥青混合料的复合介电常数便可直接确定沥青混合料的空隙率。

5　结论与展望

通过工程实践验证,作为先进的路面无损检测设备,探地雷达检测技术具有快捷、无损、精度高等优点,可广泛应用于路面结

构层的厚度检测、脱空识别、压实度测定、含水量测定、空隙率等

测定,为道路施工质量监控及养护决策提供了科学、高效的检测

手段。探地雷达应用技术的进一步研究与完善具有显著的经济

社会效益和广阔的推广应用前景,对保证工程质量和我国检测技

术的发展具有重要意义。

参考文献:

[1]　王复明,刘文廷.路面无损检测与评价技术的研究与应用

[J ].中国科学基金,1988(2):18219.

[2]　张　蓓.GPR 与FWD 在旧路性能综合评价中的应用[J ].中

外公路,2008(5):40241.

[3]　张　蓓.路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系

统识别方法———路面雷达关键技术研究[D ].重庆:重庆大

学博士论文,2003.

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542・　　第36卷第7期2010年3月

　　　　　　　　　　　　刘　勇:探地雷达在道路工程中的应用研究

文章编号:100926825(2010)0720246202

贝雷梁临时路面系统在地铁车站施工中的应用

收稿日期:2009211211

作者简介:林　强(19762),男,工程师,中铁隧道集团有限公司,河南洛阳　471009

叶跃林(19722),男,高级工程师,中铁隧道集团有限公司,河南洛阳　471009

林　强　叶跃林

摘　要:以南京地铁2号线一期工程上海路站为工程背景,介绍了车站受站址位置及交通疏解的制约和影响,在基坑上

方铺设贝雷梁临时路面系统保证车辆通行的施工方法,该临时路面系统具有梁体轻便、组装容易、无需大型起重设备的特点。

关键词:贝雷梁,临时路面系统,地铁车站,施工,应用中图分类号:U231文献标识码:A

1　工程概况

南京地铁2号线一期工程上海路站主体部分位于汉中路与

上海路的交叉路口,呈东西向跨路口布置,主体结构为地下两层三跨钢筋混凝土箱形框架结构,岛式站台,全长211.4m ,宽21.8m ,高度为12.66m ,基坑开挖深度为15.56m ～16.36m ,总建筑面积11305m 2,主体围护结构为密排的<1200人工挖孔桩,桩芯相切,护壁咬合。因车站位于南京商业中心新街口商业圈内,所处的汉中路和上海路是南京市中心的两条东西和南北向的交通主干道,施工时不具备道路全幅临时改道的条件,综合考虑道路交通和地下管线等因素,经南京市交管部门批准,决定采用盖挖顺作法(实际上是半盖挖)的施工方案,即在车站主体结构北半侧修建一座临时路面系统后,车道改迁到临时路面系统及北侧原有部分路面,车站采用半侧明挖,半侧盖挖施工。

2　贝雷梁临时路面系统及施工期间交通组织方案2.1　现场交通状况及交通组织目标

汉中路道路规划红线宽度43.5m ,为双向六车道,上海路规划红线宽度40.0m ,为双向四车道,地面交通十分繁忙,车站施工期间确保汉中路双向四车道通行,并保证上海路、莫愁路方向交通畅通。

2.2　临时路面系统设计与使用2.2.1　主梁构造

选用结构形式为“321”桁架(贝雷梁)作为基坑临时路面梁,利用车站两侧围护桩顶冠梁作为现浇钢筋混凝土承台,按城市—A 级荷载考虑,通过验算主梁采取横向布设,纵向间距1.0m 。

根据基坑宽度和《321式贝雷钢便梁手册》进行贝雷梁构件和组合装配的选择。每片主梁要由8片3m 的标准件拼装成24m 长。在贝雷梁上面的通车部位上铺设14b 号槽钢为纵梁,间距为0.2m ,另外在两榀贝雷梁之间设置剪刀斜杆联结系,以加强主梁整体稳定和沿基坑的纵向刚度。2.2.2　

临时路面板在基坑北侧设临时路面系统,在贝雷梁上铺纵向槽钢,槽钢与贝雷梁之间用U 形螺栓连接后,施工时在槽钢与贝雷梁交点处要垫放橡胶垫,缓冲车辆通行时产生的动载。在连接好的槽钢上铺6mm 厚花纹钢板作路面板。花纹钢板与槽钢用电焊连接,焊接时在钢板上压重以保证钢板与槽钢贴紧。2.2.3　

出土口(材料运输口)设置由于贝雷梁纵向间距仅1.0m ,考虑工程施工出土方便,在基

坑南侧明挖区段设置出土口兼作材料运输口。该处采取拉大出土口所在处贝雷梁间距(2.8m )并加密出土口两侧紧靠的两片贝雷梁间距(0.45m )的措施。2.2.4　

临时路面系统的使用临时路面系统完成后,按设计要求的城市—A 级道路标准试

通车,通车检验无误后,对连接螺丝全面再紧一次,然后正式通车。

为保证汽车行驶安全和施工安全,临时路面系统在使用过程中,除采用监控量测手段监测贝雷梁杆件的受力、跨中挠度变化外,还必须进行经常性的检查与维护,发现问题及时处理,避免发生安全事故。

2.3　施工期间交通组织方案

在车站主体结构施工期间,按照临时路面宽度不小于15.5m (双向四车道+南侧非机动车道)进行设计,根据现场情况,采取在车站主体基坑北侧贝雷梁上铺盖15.5m (含冠梁部分)宽的盖板和结构外侧至既有路缘石之间的现有非机动车道(0.9m ～1.5m 宽)一同作为汉中路在上海路站主体结构施工阶段的临时路面系统,跨上海路段采用满铺总宽度40.5m 的盖板作为上海路在车站主体结构施工期间的临时路面,以满足该道路位置结构倒边施工的需要,见图1。贝雷梁架设和车站施工期间采取分期围挡来满足道路交通的疏解需要。

第一期围挡:占用汉中路北侧14.5m 宽度的机动车道实施围挡,保留汉中路主干道南侧车道15m 宽度的路面,保证汉中路双向四车道,施工主体基坑北侧的围护结构和北半幅临时桥面系

On application research on ground penetrating radar in road projects

L IU Yong

Abstract :The paper introduces the research situation ,the equipment component and working principle of ground penetrating radar ,through engineering example analysis ,proves the application necessity of this technique in road construction in China ,and points out broader develop 2ment perspective of the technique in engineering construction.

K ey w ords :nondestructive testing ,ground penetrating radar ,identification of diseases

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2・第36卷第7期2010年3月　　　　　　　　　　山西建筑SHANXI 　ARCHITECTURE

　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.36No.7Mar.　2010