探地雷達技術(shù)在公路工程的應(yīng)用與研究

劉 苗 苗

(山西路橋第二工程有限責任公司，山西 臨汾 041000)

?

探地雷達技術(shù)在公路工程的應(yīng)用與研究

劉 苗 苗

(山西路橋第二工程有限責任公司，山西 臨汾 041000)

闡述了探地雷達技術(shù)的工作原理，介紹了探地雷達天線頻率的選擇方式，并結(jié)合公路工程質(zhì)量檢測實例，探討了雷達技術(shù)在路橋質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，指出該技術(shù)具有快速、準確、測量結(jié)果直觀的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。

探地雷達，結(jié)構(gòu)層厚度，水穩(wěn)層，鋼拱架，鋼筋，雷達檢測

0 引言

近年來我省公路建設(shè)在蓬勃發(fā)展，日新月異。同時公路工程質(zhì)量檢測成為備受關(guān)注的課題。公路常見病害有路基土層不完整、路基土層存在空洞、水穩(wěn)層破碎或不連續(xù)、各結(jié)構(gòu)層厚度不均等。

探地雷達是近年發(fā)展起來的一種先進而新型的高頻電磁波無損檢測技術(shù)，正在廣泛應(yīng)用于道路、隧道、堤壩的質(zhì)量檢測與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，包括塌方位置、襯砌脫空現(xiàn)象、路基填筑分層、鋼筋數(shù)量與分布及其保護層厚度、市政地下管線等多項內(nèi)容。

因多數(shù)材料對介電特性更為敏感，探地雷達檢測方法與其他無損檢測方法相比，具有快速、準確、測量結(jié)果直觀、抗干擾能力強和分辨率高等獨特的優(yōu)勢。

大量工程檢測實例[1-6]證明，探地雷達對路橋工程質(zhì)量檢測在理論和實踐上具有較高的可行性和可靠性，并已取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。推廣探地雷達在公路工程中的應(yīng)用，對我省交通事業(yè)的長遠發(fā)展具有重要意義。

1 探地雷達基本工作原理

探地雷達主要由主機、電纜線、天線及數(shù)據(jù)處理軟件包組成，是一種基于電磁波脈沖波傳播原理的廣譜電磁技術(shù)，進而對地下或物體內(nèi)部不可見的目標或界面進行定位。通過發(fā)射天線向介質(zhì)發(fā)射寬頻帶短脈沖電磁(300 MHz～300 GHz)，電磁波在介質(zhì)中沿各方向傳播中遇到介電常數(shù)不同的分界面時會發(fā)生反射、透射和繞射現(xiàn)象[7，8]，由接收天線接收并記錄其回波信號，如圖1所示。再經(jīng)計算機和專業(yè)軟件處理后形成雷達圖像，其波形的正負峰分別以黑、白或者以灰階、彩色表示。根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強度、雙程旅時、相位等信息特征可推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。

其基本參數(shù)為：

脈沖的雙程旅時t為：

(1)

雷達波傳播速度V為：

(2)

雷達探測以位移電流為主，傳導(dǎo)電流可以忽略，其反射系數(shù)為:

(3)

其中,z為發(fā)射、接收天線的距離(H?z，故z可忽略);C為電磁波在空氣中的傳播速度(C≈0.3 m/ns);εr，ε1，ε2為各介質(zhì)的相對介電常數(shù);μ1，μ2為各介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

由式(1)～式(3)可知，因各介質(zhì)(水、空氣、混凝土及鋼筋等)相對介電常數(shù)的差異，當電磁波到達界面處會產(chǎn)生較為強烈的反射回波信號，從而目標體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行準確描述。

2 探地雷達天線頻率選擇

意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS探地雷達配備有80 MHz，600 MHz，1 600 MHz單天線及HIRES天線陣和GRED/IN/ROAD軟件。頻率高的天線發(fā)射雷達波主頻高，穿透距離??；反之，低頻天線發(fā)射雷達波主頻低,分辨率低,穿透距離大[9]。路基、路面或其他結(jié)構(gòu)相當于一個復(fù)雜的濾波器，因?qū)﹄姶挪ǖ奈粘潭炔煌捌洳痪鶆蛐詫﹄姶挪ǖ挠绊?，使得到達接收天線的脈沖波振幅減小，加之各種隨機噪聲和干擾，導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)失真[10]。而通常情況下簡易、高等級、機場跑道的路面厚度分別為10 cm～20 cm，20 cm～30 cm，40 cm。故在檢測中需根據(jù)檢測目標體深度及其最小尺寸與場地需要等選擇合理的天線中心頻率,以取得最佳效果。

3 探地雷達應(yīng)用研究

3.1 各結(jié)構(gòu)層厚度檢測

采用600 MHz天線對某新建公路各結(jié)構(gòu)層厚度進行檢測。由于面層、水穩(wěn)層(二灰結(jié)石)及填土等材料的介電常數(shù)與電阻率差異明顯，且附近及周圍無工業(yè)游散電流等干擾場源，再者公路表面平整,能夠使得發(fā)射、接收系統(tǒng)與路面接觸部分耦合良好,具備探地雷達檢測的地球物理前提。試驗結(jié)果表明,各層位間的界面探地雷達灰度圖像上反映清晰，如圖2所示的白色界線，可見該公路各結(jié)構(gòu)層厚度基本均勻。經(jīng)分析得出面層與水穩(wěn)層的平均厚度為25.5 cm和40.4 cm，基本符合設(shè)計要求；又經(jīng)與抽芯取樣標本實際量測厚度對比，誤差小于1 cm，符合有關(guān)規(guī)范要求。同時檢測出填方段下有少量管道鋪設(shè)，如圖2中的圓圈表示。

3.2 水穩(wěn)層破碎與路基填土檢測

采用600 MHz～1 600 MHz天線陣對路基水穩(wěn)層及填土進行檢測，可見該公路個別路段存在水穩(wěn)層破碎(約40 cm處)或路基填土不完整的現(xiàn)象(約90 cm處)，具體的檢測統(tǒng)計結(jié)果見表1。水穩(wěn)層完好或路基土層連接性完整的雷達圖像為同向軸連續(xù)性和一致性較好，擾動較少；反之，則其同向軸錯亂或錯斷，波形混亂。同時波組雜亂與水穩(wěn)層破碎或填土不完整程度直接相關(guān)，其中K106+820～K106+700段較前三段更為嚴重。而K106+920～K106+860段波組同向軸錯亂之外向下傾斜，說明水穩(wěn)層有下降的趨勢。

表1 水穩(wěn)層破碎與路基填土檢測結(jié)果統(tǒng)計表

里程存在問題K93+40～K92+930路基土層連接性不完整K93+760～K93+580水穩(wěn)層混凝土不密實K106+920～K106+860水穩(wěn)層破碎且有下沉趨勢K106+820～K106+700水穩(wěn)層破碎,路基土層含水且連接不完整

3.3 水隧道初砌鋼拱架與鋼筋檢測

采用600 MHz及1 500 MHz天線對該公路隧道初砌進行檢測，判斷其鋼拱架及鋼筋位置及其間距。從圖3，圖4明顯可見，該隧道素混凝土鋼拱架位于埋深約80 cm處，因鋼構(gòu)件較多而弧線重疊較多。鋼筋埋深則不等，范圍在20 cm～60 cm處。鋼拱架及鋼筋的雷達灰度圖為開口向下的拋物線，其定點即為位置，如圖中圓圈所示。

4 結(jié)語

1)根據(jù)目標體深度選擇合適的天線頻率，雷達技術(shù)可以直觀地確定公路缺陷及病害的位置特點和分布情況，測試效率和精度較高。

2)水穩(wěn)層破碎或路基填土連接不完整在雷達采集圖像上均表現(xiàn)為同向軸不連續(xù)，錯斷紊亂；而鋼拱架或鋼筋則為開口向下的雙曲線弧，曲線頂點即為其位置。

3)探地雷達對檢測公路隧道的內(nèi)部狀態(tài)是可行有效的方法，具有快速無損、連續(xù)檢測、檢測結(jié)果直觀的優(yōu)點，在公路工程檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 孫 軍，應(yīng)后強，王國群.探地雷達在公路檢測中的應(yīng)用[J].公路，2001，3(3):59-61.

[2] 胡 平，肖 都，方 慧.高頻探地雷達技術(shù)在香港工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].物探與化探，2004,28(4):361-364.

[3] 葛雙成，江 影，顏學(xué)軍.綜合物探技術(shù)在堤壩隱患探測中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進展，2006,21(1):263-272.

[4] 楊艷青，賀少輝，齊法琳，等.鐵路隧道初砌地質(zhì)雷達非接觸檢測模擬試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(9):1761-1771.

[5] Damian Beben,Arkadiusz Mordak,Wojciech Anigacz.Identification of viaduct beam parameters using the ground penetrating radar(GPR)technique[J].NDT&E International，2012(49):18-26.

[6] Vincenzo Barrilea,Raffaele Pucinotti. Application of radar technology to reinforced concrete structures: a case study[J].NDT&E International，2005(38)：596-604.

[7] 潘海結(jié)，黃福偉.探地雷達在橋梁預(yù)應(yīng)力管道定位檢測中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2012，29(1):67-70.

[8] 魏宇偉，劉 立，金 昊，等.地質(zhì)雷達在米亞羅隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,30(6):108-112.

[9] 曾昭發(fā)，劉四新，馮 暄.探地雷達原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[10] 周黎明，王法剛.地質(zhì)雷達法檢測隧道襯砌混凝土質(zhì)量[J].巖土工程界，2003，6(3):74-76.

Application and study on ground penetrating radar technology in highway engineering

Liu Miaomiao

(ShanxiRoad&BridgeSecondEngineeringCo.,Ltd,Linfen041000,China)

The paper describes the working principles of GPR technology, introduces GPR antenna frequency selecting methods, explores the application of GPR technology in highway bridge quality detection by combining with highway engineering quality detection example, and finally points out that its advantages, such as fast, accurate and obvious measurement results. Therefore, it has wide application prospect.

Ground Penetrating Radar(GPR), structural layer thickness, water stabilized layer, steel truss, steel reinforcement, radar detection

1009-6825(2016)05-0170-02

2015-12-09

劉苗苗(1986- )，女，助理工程師

P631

A