基于地質(zhì)雷達技術(shù)在公路路面檢測的研究

貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司

摘要：近年來，隨著我國高等級公路建設(shè)突飛猛進的發(fā)展，其養(yǎng)護管理日漸重要。為了提高公路工程的建設(shè)規(guī)模、管理質(zhì)量和運營效率，技術(shù)人員積極尋求基于地質(zhì)雷達的公路路面檢測技術(shù)，這些應(yīng)用不僅大大提高了公路路面性能檢測和工程質(zhì)量評價水平，也促使道路養(yǎng)護技術(shù)更趨科學(xué)化、合理化。

引言

公路路面檢測項目主要有路面平整度、路面承載能力、路面抗滑性能、路面厚度、路面破損檢測等。然而長期以來，我國公路路面檢測技術(shù)發(fā)展較為緩慢，普遍存在著檢測手段落后、效率不高等問題。傳統(tǒng)的檢測方法測點隨機，密度稀，速度慢，且對路面有破壞，難以準確全面地發(fā)現(xiàn)道路內(nèi)部存在的隱性病害，往往容易導(dǎo)致道路破損加劇，越來越不能適應(yīng)公路特別是高速公路快速發(fā)展的要求，因此提高路面檢測的現(xiàn)代化水平和無損性技術(shù)已是迫切的需要。

探地雷達技術(shù)應(yīng)用于公路路面檢測，具有實時檢測、簡便高效、準確無損、連續(xù)檢測、信息豐富和圖像解釋直觀等優(yōu)點，其檢測效果越來越被人們所認可，但由于公路路面結(jié)構(gòu)、材料的特殊性和對路面檢測精度要求較高的特點，加之應(yīng)用該技術(shù)開展公路路面檢測仍處于完善階段，因此很有必要對雷達在公路檢測中的應(yīng)用進行討論。

一、地質(zhì)雷達的檢測原理

地質(zhì)雷達與探空雷達的檢測原理大致相同，使用高頻電磁波主頻為數(shù)十數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖的方式，從地面進行發(fā)射天線向地下輻射，當它遇到地下介質(zhì)或者介質(zhì)分界面時發(fā)生反射，并返回發(fā)射器，被專門接收信息的接收天線接收，被計算機記錄下來，經(jīng)過信息整理之后形成雷達剖面圖。因為電磁波在介質(zhì)中運動時，其傳播路徑、磁場強度以及電磁波的波形會受介質(zhì)的特點和幾何形態(tài)影響。所以在接收到的電磁波特點、傳播時間、幅度、頻率和波形等，必須進行雷達圖像的整理，才能進行確定公路的情況。雷達圖像剖面圖是通過脈沖反射波的波形形式展現(xiàn)的。其波形通過變面積形式進行展現(xiàn)，或者通過灰度或彩色剖面形式進行展現(xiàn)。并通過同相軸或等灰線、等色線進行表示反射面的情況。在波形記錄圖上根據(jù)各測點均以測線的鉛垂方向確定波形，即可形成完整的雷達成像剖面，使人們可以清楚地看到公路路面的損壞程度。這是一種快速且非?？煽康臋z測手段，最重要的是一種無損檢測技術(shù)，對于記錄所謂每一道雷達記錄數(shù)據(jù)，都能看成是一種雷達脈沖子波和相應(yīng)的反射波其系數(shù)序列進行卷積，再通過探測雷達進行實時記錄反射波到達地面所需要的時間，以及反射波的波幅大小進行研究有關(guān)地下介質(zhì)的分布情況，并利用雷達特有的高分辨率性質(zhì)在較淺的層中進行探測，并且應(yīng)用非常廣泛。

二、基于地質(zhì)雷達技術(shù)在公路路面檢測的應(yīng)用

1.公路路面脫空檢測。由于水泥混凝土板下基層與底基層之間要求有一定的透水性，當基層透水性不好時，水容易通過接縫等路面的薄弱處進入面板與基層之間的位置并在此處積累，行車荷載等使水產(chǎn)生動水壓力，進而對周圍的基層材料產(chǎn)生沖刷，水沖刷下來的細集料隨著唧泥被帶走，沖刷量逐漸積累而在此處逐漸形成充水的脫空區(qū)。有時基層透水性雖好，但粒料級配不合適，細顆粒會被下滲雨水帶走，從而形成充氣的脫空區(qū)。脫空區(qū)的路面在反復(fù)荷載作用下，混凝土路面板將發(fā)生斷裂、破碎，嚴重影響道路的使用壽命。地質(zhì)雷達發(fā)射出的電磁波若遇上路面板下脫空，則會有兩條反射波，由此就可檢測出路面下是否有脫空現(xiàn)象。地試驗選擇公路路面已經(jīng)有損傷區(qū)域，雷達成像剖面中顯示該區(qū)域基層損傷比較大，而且墊層與路床界面出現(xiàn)凹凸不平的狀況，則表示基層、墊層內(nèi)部出現(xiàn)介質(zhì)橫向上的現(xiàn)象，并且損壞嚴重。一般情況下，天線頻率的高低決定探測深度的大小。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，若天線的頻率超過2GHz，則無法探測出路面是否存在脫空現(xiàn)象，只有在天線中心頻率的下限值為900MHz時，地質(zhì)雷達才能檢測到較為準確的路面脫空情況。因此，在使用地質(zhì)雷達對路面板下的脫空進行檢測時，應(yīng)選擇較為合適的天線頻率。此外，雷達的探測深度還受地下的介質(zhì)的影響，遇到不同的介質(zhì)，反射的度數(shù)不同，則電磁波長短不一。若遇到同屬性的介質(zhì)，電磁波的反射則會產(chǎn)生差異，即探測不出地下的脫空情況。

2.路面厚度檢測。我國道路面層絕大部分為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，其厚度直接影響到道路的整體質(zhì)量，因此，瀝青路面的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計是路面設(shè)計的核心。通常，道路結(jié)構(gòu)分為路基、基層、面層。一般面層的厚度為8—26 cm，基層的厚度為10～30 cm，具體的厚度視材料的種類和交通等級而定。目前我國高等級公路一般采用改性瀝青或水泥混凝土等材料修筑面層，一般采用有機結(jié)合料穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定粒料、石灰穩(wěn)定粒料、石灰土、水泥混凝土、石灰粉煤灰等材料修筑基層。每個層面所用的材料不同，雷達在不同介質(zhì)傳輸?shù)乃俣纫膊煌?，所以，在雷達顯示屏上能很明顯地區(qū)分出每層的分界線。地質(zhì)雷達檢測機理是向地下發(fā)射脈沖形式的高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，遇到電性差異的地下目標體，如路面結(jié)構(gòu)的分層等，就會發(fā)生反射和散射，反射波到達地面時由接收天線接收，在對接收到的反射波進行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)反射波的波形、強度和雙程走時等參數(shù)來推斷地下目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性和幾何形態(tài)。由于所需要探測的部位為瀝青層，因此，所使用的雷達只需顯示出瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度，而使用1600MHz的雷達天線能夠高精度、高分辨率地檢測出0.5m深度范圍內(nèi)的目標。

3.路面密度和壓實度檢測。瀝青路面的厚度、壓實度是路面工程質(zhì)量控制和養(yǎng)護管理決策中需要嚴格控制的指標之一。路面雷達并不能直接識別出密度、壓實度等路面性能指標，但可以基于介電常數(shù)的研究加以實現(xiàn)，這是因為這些指標的改變將直接導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。根據(jù)混合介質(zhì)介電常數(shù)均方根模型，即混合料的介電常數(shù)的均方根等于其相應(yīng)組成成分介質(zhì)的介電常數(shù)的均方根乘以該介質(zhì)所占混合料的體積比。當空氣的體積比越來越大（骨料的體積比越來越?。r，瀝青混合料的密度和介電常數(shù)隨之越來越小。實際工程中瀝青混合料油石比相對較穩(wěn)定，對于新鋪瀝青面層其含水量微弱。因此，當瀝青混合料介電常數(shù)較小時，可以肯定其空氣含量大、密度小。路面雷達正是利用瀝青混合料的介電常數(shù)、體積比、密度三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，依據(jù)是否有異物進而能夠判斷出壓實的程度。通過大量的實驗證明，路基壓實的程度主要可分為三種類型，即壓實不均勻?qū)?、密實層以及不密實層。由于雷達的檢測能夠檢測雷達的圖像會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，所以，可以利用瑞雷波的方法來確定產(chǎn)生不均勻的異常區(qū)，瑞雷波的壓實度值、波速值以及承載力值，進而能夠判別出路基是否達到相應(yīng)的質(zhì)量指標。

三、結(jié)語

雷達作為一種檢測工具在公路路基路面的檢測中得到了較為廣泛的應(yīng)用，具有很多優(yōu)點，如快速、無損等，主要用于結(jié)構(gòu)密實度的檢測、結(jié)構(gòu)層厚度、路基的含水量以及存在缺陷的檢測等多個方面。同時，我國是世界上最早使用地質(zhì)雷探測公路病害的國家之一，必須竭盡全力開拓地質(zhì)雷達在公路路面檢測的應(yīng)用，對以后公路工程質(zhì)量的控制及減少經(jīng)濟損失提高效益做出巨大貢獻。

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