地質(zhì)雷達(dá)在路面脫空檢測中的應(yīng)用

王雯珊，向陽開，熊潮波

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.重慶市南岸區(qū)交通局，重慶 400060)

地質(zhì)雷達(dá)在路面脫空檢測中的應(yīng)用

王雯珊1，向陽開1，熊潮波2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.重慶市南岸區(qū)交通局，重慶 400060)

介紹了地質(zhì)雷達(dá)探測法的基本工作原理;結(jié)合工程實例，將地質(zhì)雷達(dá)探測法應(yīng)用于水泥混凝土路面板底脫空的判定。首先進(jìn)行測點選擇和雷達(dá)參數(shù)調(diào)節(jié)，然后對雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，即可判斷路面板底脫空的位置，讀出脫空點的長度及高度，并能初步判斷脫空的原因。數(shù)據(jù)表明:與落錘式彎沉儀法相比，地質(zhì)雷達(dá)探測法在路面脫空檢測中具有更高的可信度;經(jīng)鉆芯復(fù)核，檢測準(zhǔn)確率達(dá)80%以上。

水泥混凝土路面板;脫空檢測;地質(zhì)雷達(dá);落錘式彎沉儀

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)力度的逐漸加大，公路工程得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的公路病害逐漸引起了人們的重視。應(yīng)用高效、經(jīng)濟(jì)的方法和技術(shù)來檢測公路的質(zhì)量情況，對于改善路面質(zhì)量、減少維護(hù)經(jīng)費、延長公路壽命等方面具有重要意義［1］。地質(zhì)雷達(dá)具有探測效率高、無損性、高精度、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活方便等優(yōu)點，能很好地檢測路面板底的脫空等病害。但現(xiàn)今對于地質(zhì)雷達(dá)在公路工程中的應(yīng)用還較多停留在對隧道的斷面尺寸、初期支護(hù)混凝土厚度和密實性、鋼拱架間距及斷面收斂變形等方面進(jìn)行檢查［2］，而在路面板底脫空檢測中的應(yīng)用還不廣泛。筆者以水泥混凝土路面板底脫空檢測為例，探討如何有效的利用地質(zhì)雷達(dá)對公路路面病害進(jìn)行超前預(yù)報。

1 地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是基于地下介質(zhì)電性參數(shù)的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標(biāo)地質(zhì)體的一種物探手段［2］。在探測過程中，由置于地面的發(fā)射天線將電信號轉(zhuǎn)換為高頻電磁波，并以寬頻帶短脈沖形式定向送入地下，而地層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分，不同介質(zhì)對電磁波具有不同的波阻抗，所以當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時，便會在邊界兩側(cè)發(fā)生折射和反射，部分能量經(jīng)反射返回地面，并被接收天線所接收，并轉(zhuǎn)換成電信號。地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行脫空識別主要是利用了空洞中介質(zhì)的介電常數(shù)與周邊路面材料的介電常數(shù)的差異，如果剛性路面板下存在脫空，則路面體系中增加了兩個反射界面，從而可以檢測出底板脫空的路面。原理見圖1。該檢測技術(shù)不僅可以連續(xù)測量，而且不具破壞性，是一種行之有效的無損檢測技術(shù)［3］。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于路面板底脫空的檢測時，為了能達(dá)到檢測的目的，要重視儀器參數(shù)的調(diào)節(jié)，尤其要合理的選擇天線頻率。就雷達(dá)系統(tǒng)本身來講，天線頻率越高，探測深度越小;反之，天線頻率越低，探測深度越深。對同一天線頻率來說，最大探測深度將取決于地下介質(zhì)的電屬性、探測目標(biāo)體的尺寸大小以及目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差異程度等因素。如果舊混凝土路面板底脫空高度在0～5 cm左右，根據(jù)道路材料介電常數(shù)和不同路面結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計分析，當(dāng)天線中心頻率大于2 GHz時，地質(zhì)雷達(dá)基本不能穿透舊混凝土路面板，即無法探測板底脫空情況。因此，地質(zhì)雷達(dá)脫空檢測天線中心頻率上限值為2 GHz。從分辨率角度考慮，如果舊混凝土路面板底脫空高度在0.5～3 cm范圍內(nèi)，只有最小垂直分辨率小于等于3 cm地質(zhì)雷達(dá)才能分辨脫空情況。因此探地雷達(dá)脫空檢測天線中心頻率下限值為900 MHz［4］。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測示意Fig.1 Detection diagram of ground penetrating radar

2 應(yīng)用實例

2.1 工程的概況

重慶市南岸區(qū)茶園黃明路于1998年通車，為雙車道水泥混凝土路面。近年來，路面裂縫、斷板、錯臺等病害嚴(yán)重，當(dāng)?shù)毓芾聿块T已對其裂縫、斷板等進(jìn)行過數(shù)次維修治理，但其效果不佳，治理后再次出現(xiàn)病害的情況嚴(yán)重。裂縫、破碎板等幾乎都與板底脫空有關(guān)，而一些即使當(dāng)時看來既沒有破碎又沒有裂縫的板塊，其板底仍可能存在脫空［5］。

2.2 測點的選擇

通過現(xiàn)場調(diào)查，采用傳統(tǒng)的方法初步判斷可能出現(xiàn)路面板底脫空的路段:當(dāng)重車經(jīng)過時，處于相鄰板的人能感到板塊的翹動;雨后觀測板邊接縫處出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象;相鄰板出現(xiàn)明顯錯臺;填縫材料出現(xiàn)大量脫落等［6］。于是，根據(jù)上述方法初步挑選出黃明路K13+150～K13+400右側(cè)(1#路)和 K15+520～K15+690左側(cè)(2#路)作為此次試驗的地質(zhì)雷達(dá)檢測路段。

理論計算［7-8］與實測數(shù)據(jù)表明，脫空一般都發(fā)生在剛性道面板的縫邊與板角處［9］。脫空前期在行車荷載作用下，該處的受力狀態(tài)類似于懸臂梁，會產(chǎn)生過大的應(yīng)力、應(yīng)變和豎向變形，極易導(dǎo)致路面板的斷裂和破碎等損壞［10］，因而板邊是檢測的重點位置。

2.3 參數(shù)的調(diào)節(jié)

應(yīng)用美國GSSI-SIR-20地質(zhì)雷達(dá)對選取的路面板板邊進(jìn)行檢測，通過對電磁波反射信號(即回波信號)的時頻特征、振幅特征、相位特征等進(jìn)行分析，便能了解地層的特征信息(如層厚、缺陷、空洞等)［4］。在實際檢測中，還應(yīng)注意的是，雖然從分辨率角度考慮，所選雷達(dá)天線的頻率越高越好，但是中心頻率越高其探測深度越小，所以應(yīng)合理地選擇天線中心頻率，以兼顧探測深度和分辨率，且在整個檢測過程中采用的參數(shù)要前后一致，以便于后期數(shù)據(jù)的對比。

2.4 數(shù)據(jù)的處理和分析

將現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)通過GSSI軟件RADAN處理后可得到相關(guān)圖像。雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理過程較為靈活，在處理過程中進(jìn)行多次降噪和多次濾波處理，并時時觀察其成像效果，以獲得最佳圖像效果。數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后如圖2。該路段路面板下結(jié)構(gòu)層之間由于材料不同，出現(xiàn)明顯的層次，因而說明可以通過地質(zhì)雷達(dá)檢測出水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層的厚度。由圖2看出，該段路面相鄰的結(jié)構(gòu)層之間材料黏接良好，未出現(xiàn)空洞，所以可以判斷1#路段第26號、第27號路面板板底情況良好且無脫空現(xiàn)象。

圖2 1#路段第26、27號路面板檢測示意Fig.2 Detection diagram of No.26 slab and No.27 slab of 1#road

1#路段第15號和第17號路面板形成了板底脫空，脫空處的介電常數(shù)和周圍材料不同，反射信號強(qiáng)，圖像上的反映如圖3。圓圈處即為面層與基層之間出現(xiàn)的脫空點，而矩形框處則是基層不密實或欠密實出現(xiàn)的脫空，可以判斷該處是由于基層出現(xiàn)問題，致使混凝土板的局部范圍不再與基層保持連續(xù)接觸，所以是由于基層出現(xiàn)問題而導(dǎo)致路面板下脫空。

圖3 1#路段第15號、17號路面板檢測示意Fig.3 Detection diagram of No.15 slab and No.17 slab of 1#road

由圖4雷達(dá)檢測2#路段第20號和第21號路面板的圖像可見，圓圈處的基層出現(xiàn)嚴(yán)重問題，但基層和面層卻黏接較好，經(jīng)過現(xiàn)場勘查可以知道該路面上雖無斷板現(xiàn)象，但有明顯的錯臺，因而可以判斷當(dāng)基層出現(xiàn)不均勻支撐，路面板在荷載作用下，隨著基層一起發(fā)生一定的沉降，這是發(fā)生路面斷板的早期現(xiàn)象，如得不到較好的治理，久之就會發(fā)生斷板現(xiàn)象。通過地質(zhì)雷達(dá)的準(zhǔn)確檢測，可以對該位置處的基層進(jìn)行治理，如大面積板底灌漿治理等，使路面板不再發(fā)生整體沉降。

圖4 2#路段第20號、21號路面板檢測示意Fig.4 Detection diagram of No.20 slab and No.21 slab of 2#road

利用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件RADAN分析，還能大致讀出各脫空點的長度及脫空點的最大高度(表1)，這為后期確定病害的治理方法和技術(shù)提供了方便。

表1 地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)Table 1 Detection data of ground penetrating radar

2.5 與FWD檢測的對比分析

在水泥混凝土路面板下地基脫空評定中，國內(nèi)外應(yīng)用無損檢測設(shè)備落錘式彎沉儀(FWD)已取得了很多成果［11］，在路面使用性能評價中得到了廣泛的應(yīng)用［9］。為了檢驗地質(zhì)雷達(dá)對于檢測水泥混凝土路面板底脫空的準(zhǔn)確性，采用落錘式彎沉儀(Dynatest 8 000 FWD)對該路段進(jìn)行對比檢測，即檢測同一點位置的脫空情況。結(jié)合試驗路段的實際支撐情況，將處理后的FWD測量數(shù)據(jù)中的彎沉差Ld1(靠路中線的板角的彎沉值-路面板中心的彎沉值)大于110 μm或彎沉差Ld2(靠路中線的板邊中點的彎沉值-路面板中心的彎沉值)大于45 μm作為板下脫空的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Ld1大于210 μm為相對嚴(yán)重的脫空。通過比較兩種儀器的檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種儀器對于路面板底脫空的檢測結(jié)果大致相同，但也有一些路面板通過兩種儀器檢測后得到不同的結(jié)論，如表2。

表2 兩種檢測數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of two kinds of detection data

2.6 鉆心取樣

就表2的測點進(jìn)行鉆芯取樣，得出雷達(dá)檢測出無脫空的路面確實不存在脫空，因而說明雷達(dá)檢測比FWD檢測具有更高的可信度。再對雷達(dá)檢測出有脫空或無脫空的10塊路面板進(jìn)行后期鉆芯復(fù)核，通過芯樣長度判斷水泥混凝土路面板底的脫空情況。可以看出，雷達(dá)對于路面板底脫空檢測的準(zhǔn)確率能達(dá)到80%以上，見表3。

表3 雷達(dá)檢測與鉆芯檢測結(jié)果對比Table 3 Comparison of detection data between ground penetrating radar and drilling core

通過一系列的對比，可以看出雷達(dá)較FWD更能快速地、直接地、定性地檢測路面脫空，但比較難于進(jìn)行脫空處力學(xué)分析，而在很多路面檢測中為了趕工期，往往不需要很精確的數(shù)據(jù)，因而選用地質(zhì)雷達(dá)能夠滿足需求。

3 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)作為目前較為先進(jìn)物探儀器，可以應(yīng)用于水泥混凝土路面板底脫空的檢測。通過合理選擇檢測天線、采集參數(shù)和計算機(jī)處理數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達(dá)能快速、準(zhǔn)確地檢測出路面各結(jié)構(gòu)層的厚度及脫空點的位置、長度、高度，并能初步判斷路面板下脫空的原因，這種檢測手段具有無損、便捷、連續(xù)、滿足一定精度要求等優(yōu)點。經(jīng)過后期與FWD脫空檢測結(jié)果的對比分析，以及對鉆芯取樣的觀察分析，可以判斷出地質(zhì)雷達(dá)用于檢測路面板底脫空較FWD檢測更具有準(zhǔn)確性，且準(zhǔn)確率能達(dá)到80%以上。通過雷達(dá)對路面脫空情況的準(zhǔn)確判斷及預(yù)測，在公路路面病害超前預(yù)報中，為路面維修保養(yǎng)及安全營運提供可靠的檢測數(shù)據(jù)，因而地質(zhì)雷達(dá)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］于陽，楊磊.地質(zhì)雷達(dá)和瑞雷波檢測公路工程質(zhì)量技術(shù)研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2009，30(4):87-90.

Yu Yang，Yang Lei.Application of gelogical radar and rayleigh wave in highway engineering quality inspection［J］.Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2009，30(4):87-90.

［2］劉康云.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道施工中的應(yīng)用［J］.遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報，2010，12(2):1-5.

Liu Kangyun.The application of GPR in highway tunnel construction［J］.Journal of Liaoning Provincial College of Communications，2010，12(2):1-5.

［3］張智蔚.公路探地雷達(dá)技術(shù)在隧道檢測中的應(yīng)用探討［J］.公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2008(4):141-143.

Zhang Zhiwei.The application of GPR in detection of tunnel［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development:Application，2008(4):141-143.

［4］劉志聲.路用探地雷達(dá)脫空檢測參數(shù)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(20):163-166.

Liu Zhisheng.Parameter research of ground penetrating radar on detecting cavity［J］.Modern Electronics Technique，2009(20):163-166.

［5］邱麗章，王瑞宜.水泥混凝土路面脫空及其檢測方法［J］.中南公路工程，2007，32(3):106-108.

Qiu Lizhang，Wang Ruiyi.Voids under the concrete slabs and the detective methods［J］.Central South Highway Engineering，2007，32(3):106-108.

［6］胡章立.FWD在舊水泥混凝土路面板底脫空判定中的應(yīng)用［J］.華東公路，2009(5):74-76.

Hu Zhangli.The application of FWD in void detection under the old concrete slabs［J］.East China Highway，2009(5):74-76.

［7］周玉民，談至明，劉伯瑩.水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的荷載應(yīng)力［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，35(3):341-345.

Zhou Yumin，Tan Zhiming，Liu Boying.Loading stresses in cement concrete pavement slab with void underneath［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2007，35(3):341-345.

［8］曾小軍，曾勝，許佳，等.水泥混凝土路面板角脫空狀態(tài)下最不利荷位轉(zhuǎn)移規(guī)律［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，28(5):865-869.

Zeng Xiaojun，Zeng Sheng，Xu Jia，et al.Metastatic pattern of the worst loading position at slab corner of cement concrete pavement under voidage［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28(5):865-869.

［9］張寧，錢振東，黃衛(wèi).水泥混凝土路面板下地基脫空狀況的評定與分析［J］.公路交通科技，2004，21(1):4-7.

Zhang Ning，Qian Zhendong，Huang Wei.Void detection under PCC pavement［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21(1):4-7.

［10］曾勝，曾小軍，許佳.基于彎沉比的水泥混凝土路面板底脫空識別方法［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，5(2):14-19.

Zeng Sheng，Zeng Xiaojun，Xu Jia.Recognition method of void beneath Cement Concrete Slab Based on Ration of Deflection［J］.Journal of Cangsha University of Science and Technology:Natural Science，2008，5(2):14-19.

［11］韓西，陳上均，鐘厲，等.砼路面板脫空檢測方法綜述［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2006，25(4):73-76.

Han Xi，Chen Shangjun，Zhong Li，et al.Comprehensive detective methods of voids under the concrete slabs［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(4):73-76.

Application of Ground Penetrating Radar on Detecting Voids of Pavement

Wang Wenshan1，Xiang Yangkai1，Xiong Chaobo2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Road Transport Bureau in Nan’an District of Chongqing，Chongqing 400060，China)

The basic tenets of the ground penetrating radar detection method were introduced;based on the engineering practice，the ground penetrating radar detection method was used in the cavity detection of cement concrete slabs.Firstly the test points were selected and radar’s parameter was accommodated;then the radar’s detection data which was coped with software could directly judge the position of the road’s voids，read the length and height of cavity，and obtain the preliminary judgment of the cavity reason.The data shows that the radar’s cavity detection，compared with the falling weight deflectometer’s has higher reliability;with the help of drilling core，the data’s accuracy of cavity detection can reach more than 80%.

cement concrete slabs;detecting voids;ground penetrating radar;falling weight deflectometer

U412.22

A

1674-0696(2012)04-0811-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.19

2011-12-16;

2012-01-05

王雯珊(1986—)，女，四川自貢人，碩士研究生，主要從事工程控制技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。E-mail:745260119@qq.com。