李余春

摘要 路基的填筑質(zhì)量和沉降是評(píng)價(jià)路基工程質(zhì)量和性能的重要指標(biāo)，探究路基的填筑質(zhì)量和沉降檢測(cè)方法對(duì)于保障公路運(yùn)輸?shù)陌踩蜁惩ň哂兄匾饬x。文章分別采用瑞雷波法和三維激光掃描技術(shù)對(duì)公路路基填筑質(zhì)量及長期沉降進(jìn)行檢測(cè)，并將其檢測(cè)結(jié)果分別與路基壓實(shí)度傳統(tǒng)灌砂法及水準(zhǔn)測(cè)量路基沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，采用瑞雷波法檢測(cè)的路基填筑質(zhì)量與壓實(shí)效果均較好，根據(jù)相關(guān)參數(shù)建立了路基壓實(shí)度預(yù)測(cè)公式，整體預(yù)測(cè)誤差在0～1%；采用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量路基斷面整體沉降的誤差較小，與水準(zhǔn)測(cè)量的點(diǎn)、線沉降最大誤差為1.9 mm，小于容許誤差±3 mm。

關(guān)鍵詞 公路路基；填筑質(zhì)量；沉降；檢測(cè)方法

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0141-03

0 引言

公路路基的性能直接影響行車的安全和舒適性[1]，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸需求的增加，公路交通負(fù)荷不斷加大，對(duì)路基的要求也越來越高。如何準(zhǔn)確、快速地評(píng)估路基的填筑質(zhì)量和沉降，成為公路工程領(lǐng)域亟待解決的問題之一[2-3]。目前，已有多位學(xué)者針對(duì)公路路基檢測(cè)開展了相關(guān)研究，周輝林等[4]結(jié)合探地雷達(dá)技術(shù)和路基病害特征，提出了一種新穎的高速公路路基病害自動(dòng)檢測(cè)算法，并利用該算法對(duì)江西省昌九高速公路南昌段采集的GPR數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。在現(xiàn)有研究中，尚無對(duì)公路路基填筑質(zhì)量及沉降的無損檢測(cè)技術(shù)。鑒于此，該文對(duì)瑞雷波法及三維激光掃描技術(shù)在公路路基檢測(cè)中的應(yīng)用開展研究，研究成果可以為公路工程建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)和技術(shù)支持，推動(dòng)公路工程質(zhì)量的提升，促進(jìn)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。

1 工程概況

該研究依托某公路路基擴(kuò)建工程，該路段全長約43 km，通車至今約20年，路基寬度為28 m，為雙向四車道公路。對(duì)公路路基兩側(cè)拼寬進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后路基寬度約43 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。施工場(chǎng)地內(nèi)地形復(fù)雜，為丘陵地貌，地形高低起伏、高差較大，場(chǎng)地內(nèi)地層主要為人工填土層、雜填土層和耕植土層。

2 檢測(cè)方法

2.1 路基填筑質(zhì)量檢測(cè)

瑞雷波檢測(cè)方法是一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，用于評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)中的缺陷、損傷或異物。該方法利用瑞雷波在材料表面或結(jié)構(gòu)中的傳播特性，通過監(jiān)測(cè)波的傳播速度、衰減和反射等信息推斷目標(biāo)區(qū)域的性質(zhì)。瑞雷波是一種沿著表面?zhèn)鞑サ臋M波，其震動(dòng)方向與傳播方向垂直，因此對(duì)材料中的表面和近表面的缺陷或變化具有較高的靈敏度。瑞雷波法主要分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法，瞬態(tài)法的震源瞬間產(chǎn)生，無連續(xù)震動(dòng)；穩(wěn)態(tài)瑞雷波法是利用電磁激振器以固定頻率產(chǎn)生震動(dòng)，設(shè)備復(fù)雜且成本較高，在工程中常采用瞬態(tài)法。將檢波器安裝在路基內(nèi)部，利用檢波器檢測(cè)瑞雷波。依據(jù)檢波器的數(shù)量不同可劃分為多道及單道檢波器，其中單道檢波器信號(hào)采集量較少，誤差較大，常用在地基勘察領(lǐng)域；多道法在豎直方向上檢測(cè)分辨率高，結(jié)果精度較高，因此該文采用多道法計(jì)算波速。

2.2 沉降檢測(cè)

該研究采用相位式激光掃描儀檢測(cè)路基沉降，該儀器主要包括激光測(cè)距儀、角度傳感器、控制馬達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等。三維激光掃描儀檢測(cè)公路路基沉降的基本原理是激光掃描儀通過發(fā)射激光束并記錄其反射回來的時(shí)間和角度信息，獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在檢測(cè)公路路基沉降時(shí)，將激光掃描儀安裝在適當(dāng)位置，可以對(duì)路面進(jìn)行全方位的掃描。隨著時(shí)間的推移，路基可能會(huì)發(fā)生沉降，導(dǎo)致路面高度發(fā)生變化，激光掃描儀可以在不接觸路面的情況下快速、精確地獲取路面各點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過比對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出路基沉降情況。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 路基填筑狀況分析

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況布置測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用網(wǎng)格布置，分為三排三列。其中，新建路基、舊路基和新舊路基連接處各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)橫豎間距均為3 m。路基波速深度曲線如圖1所示，觀察圖1可知，三種路基的波速深度曲線呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。其中，拼寬路基與新建路基波速隨深度的變化規(guī)律相似，隨著路基深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小再持續(xù)增大的規(guī)律，在1～2 m深度范圍內(nèi)存在拐點(diǎn)；舊路基波速深度曲線較為光滑，總體上呈增加趨勢(shì)，無明顯拐點(diǎn)，表明舊路基壓實(shí)性較好且相對(duì)均勻，這是由于舊路基經(jīng)過了較長時(shí)間的使用和車輛行駛，壓實(shí)作用使得路基土壤密實(shí)，并且在不同深度的壓實(shí)效果相對(duì)均勻；拼寬路基的波速變化幅度最大，在路基1～3 m深度范圍內(nèi)波速變化與新建路基相近，在3 m深度以下隨著深度增大，波速逐漸增加，這是由于拼寬路基是由新建路基與舊路基拼接而成。上述分析表明路基的填筑質(zhì)量總體較好。

3.2 壓實(shí)度分析

采用瑞雷波法檢測(cè)路基不同深度的壓實(shí)度，并與傳統(tǒng)灌砂法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?；谙嚓P(guān)參數(shù)建立的路基壓實(shí)度與波速的關(guān)系式為：

（1）

式中，K、ρ0——壓實(shí)度、土體的最大干密度（g/cm3）；a、b——相關(guān)系數(shù)；VR——瑞雷波波速（m/s）。

將由灌砂法測(cè)得的干密度與瑞雷波法波速進(jìn)行擬合，如圖2所示，不同深度波速與干密度擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.8，表明相關(guān)性比較顯著。

將各擬合式中的擬合參數(shù)a、b數(shù)值代入式（1），得到不同深度路基瑞雷波波速與壓實(shí)密度之間的關(guān)系式如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

將瑞雷波法不同深度實(shí)測(cè)波速代入上述各式，即可得到路基壓實(shí)度預(yù)測(cè)值。選取3處測(cè)點(diǎn)，將預(yù)測(cè)值與傳統(tǒng)灌砂法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。根據(jù)表1可知，兩種方法的絕對(duì)誤差在0～1.0%之間，表明采用瑞雷波法預(yù)測(cè)的路基壓實(shí)度精度較高，誤差較小，路基的壓實(shí)效果良好。

3.3 沉降分析

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況布置觀測(cè)區(qū)，分別在新建路基、拼寬路基、舊路基中各選取一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共選取3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在設(shè)置測(cè)站時(shí)應(yīng)遵循掃描區(qū)域全覆蓋、布置站數(shù)最少、相鄰測(cè)站間標(biāo)靶數(shù)不低于3個(gè)等原則。對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行掃描獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)路基進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，不同斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化如圖3所示。

觀察圖3可知，采用水準(zhǔn)測(cè)量的新建路基監(jiān)測(cè)斷面1中的測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的沉降量分別為0.6 mm、0.67 mm、0.79 mm和0.68 mm，平均沉降量0.69 mm；舊路基中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的沉降量分別為0.62 mm、0.61 mm、0.6 mm和0.58 mm，平均沉降量0.6 mm；拼寬路基中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的沉降量分別為0.61 mm、0.6 mm、0.7 mm和0.81 mm，平均沉降量為0.68 mm?？傮w上，新建路基、拼寬路基與舊路基的平均沉降量相差不大，表明路基的壓實(shí)質(zhì)量較好，同時(shí)也證明了采用瑞雷波法檢測(cè)路基壓實(shí)度準(zhǔn)確率較高。

在沉降監(jiān)測(cè)初期，采用三維激光掃描儀對(duì)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描并記錄數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)，再次掃描，將兩次掃描的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加處理，即可得到監(jiān)測(cè)斷面的整體沉降。通過三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析斷面整體沉降變化，并與水準(zhǔn)測(cè)量的點(diǎn)、線沉降進(jìn)行對(duì)比。從結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)斷面1的整體沉降為0～0.13 cm，與采用水準(zhǔn)測(cè)量方法獲得的點(diǎn)線沉降之間的誤差約為0.06 cm；監(jiān)測(cè)斷面2的整體沉降在0～0.25 cm，與所測(cè)得的點(diǎn)線沉降間的誤差約為0.19 cm；監(jiān)測(cè)斷面3的整體沉降為0～0.067 cm，誤差較小，基本與點(diǎn)、線沉降測(cè)量值一致。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，沉降測(cè)量的容許誤差為±3 mm，表明采用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量路基沉降的精度較高。

4 結(jié)論

（1）新建路基與拼寬路基波速隨著路基深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小再持續(xù)增大的規(guī)律，在1～2m深度范圍內(nèi)存在拐點(diǎn)；舊路基波速隨深度變化總體上呈增加趨勢(shì)，無明顯拐點(diǎn)。

（2）將瑞雷波法波速與灌砂法測(cè)得的干密度進(jìn)行擬合，建立了波速與土體干密度的關(guān)系，并給出了不同深度路基壓實(shí)度的預(yù)測(cè)公式，與灌砂法測(cè)量結(jié)果相比，誤差在0～1%之間。

（3）新建路基、拼寬路基壓實(shí)效果較好，在監(jiān)測(cè)過程中與舊路基的平均沉降量相差不大；采用三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)路基斷面的整體沉降結(jié)果準(zhǔn)確率較高，最大誤差為1.9 mm，小于規(guī)范中要求的±3 mm。

參考文獻(xiàn)

[1]李丹楓， 楊廣慶， 劉偉超. PFWD模量控制的路基承載力動(dòng)力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2021（6）： 117-128.

[2]蔣紅光， 陳思涵， 孫輝， 等. 黃泛區(qū)中高液限黏土動(dòng)、靜態(tài)回彈模量及預(yù)估模型研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2021（3）： 103-112.

[3]陳靖宇， 蔡袁強(qiáng)， 曹志剛， 等. 非飽和公路路基填料長期動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2018（10）： 2406-2414.

[4]周輝林， 姜玉玲， 徐立紅， 等. 基于SVM的高速公路路基病害自動(dòng)檢測(cè)算法[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2013（2）： 42-47.