機(jī)場(chǎng)道面地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

朱晨飛 劉曉軍 王 軍 刁軍亮 胡紅軍 李兵仁

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國(guó)航空港第九建設(shè)工程總隊(duì)，四川 成都 610000；3.94936部隊(duì)裝備部，浙江 杭州 310000； 4.蘭空后勤部機(jī)營(yíng)處，甘肅 蘭州 730000)

機(jī)場(chǎng)道面地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

朱晨飛1劉曉軍1王 軍2刁軍亮2胡紅軍3李兵仁4

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國(guó)航空港第九建設(shè)工程總隊(duì)，四川 成都 610000；3.94936部隊(duì)裝備部，浙江 杭州 310000； 4.蘭空后勤部機(jī)營(yíng)處，甘肅 蘭州 730000)

針對(duì)老舊機(jī)場(chǎng)修建資料缺失的情況，采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，通過研究地質(zhì)雷達(dá)波在機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)中的傳播反射特征，分析了道面基層缺陷情況的雷達(dá)響應(yīng)圖像，采用了以反射波幅及道面鉆芯取樣厚度遞推反算的方法，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其整體厚度進(jìn)行了反算分析，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，利用地質(zhì)雷達(dá)分析道面的結(jié)構(gòu)組成及缺陷情況具有良好的效果。

機(jī)場(chǎng)道面，地質(zhì)雷達(dá)，無損檢測(cè)，道面基層缺陷

作為一種高效、連續(xù)無損的檢測(cè)方法，地質(zhì)雷達(dá)越來越多的應(yīng)用于工程檢測(cè)中。地質(zhì)雷達(dá)的高分辨率、圖像直觀、高檢測(cè)精度等特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域中。徐宏武等[1]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)擋土墻的病害缺陷類型進(jìn)行了詳細(xì)的研究；吳火珍等[2]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)防空洞的注漿效果進(jìn)行了檢測(cè)研究；楊艷青等[3]通過對(duì)鐵路隧道整體式襯砌試件進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)非接觸式檢測(cè)模擬試驗(yàn)；徐坤等[4]通過長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)出地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌的三種常見缺陷的雷達(dá)圖像，并以此為依據(jù)研究了隧道安全性評(píng)價(jià)的方法；楊新安等[5]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)滬寧鐵路翻漿冒泥病害進(jìn)行檢測(cè)；盧成明等[6]研究了多層均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中的垂直裂縫對(duì)雷達(dá)波場(chǎng)的響應(yīng)特征，并采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)公路結(jié)構(gòu)層中的隱含裂縫進(jìn)行檢測(cè)，取得了良好的成果；馮德山等[7]通過建立高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)地球物理模型，研究了雷達(dá)監(jiān)測(cè)路面厚度的方法原理，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，效果良好。

基于以上工程實(shí)踐及理論研究，首次將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面狀況評(píng)估檢測(cè)中，通過對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的整體檢測(cè)，選擇具有代表性的部位，對(duì)道面的結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行了分析，對(duì)基礎(chǔ)缺陷類型進(jìn)行了分類總結(jié)，為機(jī)場(chǎng)道面評(píng)估提供了依據(jù)。

1 檢測(cè)原理及檢測(cè)設(shè)備

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，在地面通過天線傳入地下，遇到目標(biāo)物或地層組成改變即反射回地面，被另一天線接收。通過脈沖旅行時(shí)間及電磁波在介質(zhì)中的波速便可推算目標(biāo)物體的位置。

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測(cè))深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性。因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)產(chǎn)生回波。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，檢測(cè)設(shè)備采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000系列400 MHz型地質(zhì)雷達(dá)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 道面結(jié)構(gòu)厚度檢測(cè)

由于跑道修建年份不同，因此將跑道分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。其中Ⅰ區(qū)道面混凝土的介電常數(shù)設(shè)置為7。Ⅱ區(qū)道面混凝土的介電常數(shù)與普通混凝土相差較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反演標(biāo)定，介電常數(shù)標(biāo)定為20。通過RADAN 5.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，經(jīng)過裁剪地表、濾波、背景去除等處理后，得出如圖1，圖2所示剖面圖的二維平面界面識(shí)別。水平坐標(biāo)軸指地質(zhì)雷達(dá)天線的水平位置，縱坐標(biāo)為參考深度。

分析Ⅰ區(qū)掃描示例圖，以第一個(gè)地層反射面作為道面板與基礎(chǔ)的交界面，因此從地表到該反射面的距離即為混凝土道面板的厚度，約為25 cm，實(shí)測(cè)厚度22.7 cm；而第二個(gè)反射層面無正向反射波幅，含水率較高，與中軸線交點(diǎn)處即為塘渣基礎(chǔ)，厚度約為20 cm；深層為飽和含水的碎石及分布稀疏的拋石基礎(chǔ)，估算厚度為20 cm。Ⅱ區(qū)道面厚度先經(jīng)鉆心取樣得到實(shí)測(cè)厚度為14.8 cm，再以此基礎(chǔ)進(jìn)行介電常數(shù)的反算，得到其等效介電常數(shù)值20，將此數(shù)值設(shè)置為地質(zhì)雷達(dá)掃描時(shí)的介電常數(shù)值，掃描得到的道面板厚度為15 cm，與道面實(shí)測(cè)厚度相差很小。道面板下為約20 cm厚的手?jǐn)[石基礎(chǔ)，深層為約20 cm厚的飽和含水碎石基礎(chǔ)。地下水位估算深度約為50 cm，后經(jīng)砸板開挖驗(yàn)證了以上分析。掃描道面板厚度結(jié)果如表1所示。

表1 道面板厚度統(tǒng)計(jì)表

掃描得到的道面板典型剖面圖如圖3所示。

由圖3可以看出，淺層部位掃描圖的顯示顏色較好，而深層的顯示顏色較差，這主要是由于電磁波在傳播過程中各頻率分量之間的相位關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致信號(hào)失真，產(chǎn)生色散現(xiàn)象[8,9]。圖中細(xì)灰色線條為道面板混凝土與基層的分界線。

2.2 基礎(chǔ)材料及缺陷

2.2.1 基礎(chǔ)材料

地質(zhì)雷達(dá)掃描圖及砸板勘探顯示，部分區(qū)域道面下部為有規(guī)律的、厚度分布均勻且粒徑為20 cm左右排列緊密的手?jǐn)[石基礎(chǔ)，下部由粒徑在2 cm～5 cm范圍的碎石基層組成。同時(shí)在探測(cè)圖樣深部出現(xiàn)顏色較淺的較大反射弧，同相軸連續(xù)性好，由于塊石的介電常數(shù)與混凝土相似甚至小于混凝土，因此該物體應(yīng)為粒徑較大的淤泥拋石產(chǎn)生的特征圖樣(見圖4)；手?jǐn)[石排列緊密且大小不一，雷達(dá)反射波同相軸相互疊加，且反射性較弱。同時(shí)由圖5可以看出，反射波同相軸不連續(xù)，扭曲錯(cuò)動(dòng)且反射較強(qiáng)，可推測(cè)該區(qū)域地基基層不密實(shí)，成層情況差。

2.2.2 基礎(chǔ)缺陷

空洞或間隙由于空氣的存在，致使其電阻率高、介電常數(shù)低，電磁波波速快，在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖上表現(xiàn)為雙曲線形態(tài)。經(jīng)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)掃描圖分析，發(fā)現(xiàn)在掃描圖淺層部位出現(xiàn)明顯的連續(xù)弧狀反射波形且波形較尖[10]，可以判斷為基礎(chǔ)間隙或空洞產(chǎn)生的特征圖樣，且雷達(dá)波進(jìn)入空洞部位，被吸收衰減的很快，可以推斷是由于地下水位所致，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)砸板勘探證實(shí)了這一推論，地下水位深度為50 cm。

具體圖樣如圖6所示。

2.2.3 排水盲溝

由于修建資料缺失，必須借助地質(zhì)雷達(dá)對(duì)排水盲溝的位置進(jìn)行確定。由于排水盲溝空氣和水同時(shí)存在，電磁波到達(dá)排水盲溝后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，雷達(dá)剖面圖中會(huì)有非常明顯的異常。特征圖樣如圖7所示。

根據(jù)電磁波反射特征，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)具有明顯幾何形狀的物體探測(cè)均為拋物線形狀，且該拋物線頂部為排水溝頂部；該等距離拋物線的最底部弧頂即為排水溝底部。因此可以根據(jù)圖中拋物線的弧頂位置推算排水溝尺寸約為30 cm～40 cm。

3 結(jié)語

1)經(jīng)過檢測(cè)，Ⅰ區(qū)道面平均厚度為23.49 cm，道面板下方由20 cm厚塘渣基層以及20 cm厚拋石基層組成；Ⅱ區(qū)道面平均厚度為14.99 cm；道面板下方均由20 cm厚手?jǐn)[石基層及20 cm厚碎石基層組成。

2)通過地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面基礎(chǔ)缺陷類型進(jìn)行了分析總結(jié)，對(duì)各類缺陷的雷達(dá)響應(yīng)圖像進(jìn)行了整理。另外，通過雷達(dá)掃面對(duì)排水盲溝的位置進(jìn)行了確定，經(jīng)圖像分析得出其修建尺寸約為30 cm～40 cm。

3)經(jīng)過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)道面混凝土及基層無損檢測(cè)，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)組成、各結(jié)構(gòu)層的厚度及成層情況有了更直觀詳細(xì)的了解，對(duì)基層空洞或間隙、排水盲溝等的位置、尺寸大小進(jìn)行了初步確定。這為地質(zhì)雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中積累了經(jīng)驗(yàn)，表明將該種無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)中是切實(shí)可行的。

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The application of ground penetrating radar nondestructive testing technology in airport pavement

Zhu Chenfei1Liu Xiaojun1Wang Jun2Diao Junliang2Hu Hongjun3Li Bingren4

(1.AerospaceEngineeringCollege,AirforceEngineeringUniversity,Xi’an710038，China； 2.TheNinthConstructionEngineeringCorpofChinaAirHarbor,Chengdu610000,China； 3.94936ArmyEquipmentDepartment,Hangzhou310000,China； 4.AirforceLogisticsDepartmentofLanzhou,Lanzhou730000,China)

In view of the old airport lacking of building information, ground penetrating radar nondestructive testing technology was used to test the structure of airport pavement for the first time. By research the reflection characteristics of radar wave in pavement structure, analyzed the radar response image of the pavement-based defects, used the method of recursive inversion by the data of reflection amplitude and pavement core sampling thickness, to analysis the dielectric characteristic of pavement structure materials and the overall thickness of pavement, field application indicated that using ground penetrating radar to analysis the pavement structure and defects was satisfactory.

airport pavement， ground penetrating radar， nondestructive testing， pavement-based defects

1009-6825(2015)30-0133-03

2015-08-16

朱晨飛(1991- )，男，在讀碩士

U212.2

A