雷達(dá)測(cè)試技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

劉志崗+劉志勝

摘 要：為了進(jìn)一步明確雷達(dá)測(cè)試在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從雷達(dá)測(cè)試技術(shù)的用途入手，對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，從而為后續(xù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明，雷達(dá)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于公路工程的材料指標(biāo)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試、病害無(wú)損診斷等方面，但都處于起步階段，各方面的研究還需要不斷完善。運(yùn)用雷達(dá)測(cè)試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，且可方便進(jìn)行多指標(biāo)的間接評(píng)價(jià)，在公路工程中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)測(cè)試技術(shù)；公路工程；路面材料；路面性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.158

在公路工程中，運(yùn)用雷達(dá)測(cè)試技術(shù)的常見(jiàn)設(shè)備即探地雷達(dá)，它是依據(jù)電磁波對(duì)地表材料的穿透性能，從路面向下反射某些模式的電磁波，通過(guò)接收、分析在地下介質(zhì)中反射回的電磁波的時(shí)延、形狀和頻譜等參數(shù)，應(yīng)用數(shù)字圖像的恢復(fù)與重建技術(shù)，對(duì)面層以下的目標(biāo)進(jìn)行成像處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的再現(xiàn)。

在道路工程中，如果應(yīng)用雷達(dá)波技術(shù)監(jiān)測(cè)路面性能，可以提供全方位的信息，包括材料的厚度、壓實(shí)度、含水率和瀝青混凝土的離析情況等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)道路不同鋪裝層的快速、高效、無(wú)損、持續(xù)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和管理提供可靠的技術(shù)支持，需要調(diào)查雷達(dá)檢測(cè)的相關(guān)情況。

1 路面材料和結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測(cè)

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)朱培民、郭士禮等人針對(duì)瀝青混合料材料復(fù)雜、空間分布隨機(jī)的特性和淺層近場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合實(shí)體工程建立了公路工程材料的隨機(jī)介質(zhì)模型，研究了隨機(jī)介質(zhì)模型參數(shù)及其與之相關(guān)的探地雷達(dá)波場(chǎng)變化規(guī)律。研究認(rèn)為，雙相離散隨機(jī)介質(zhì)模型不但能較好地模擬瀝青混凝土的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，估算等效介電常數(shù)，還能借助電磁波的傳播特征精確測(cè)量相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，從而為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。此外，相關(guān)人員借助理論分析、數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)等手段，研究了在地下隱蔽工程中垂直裂縫寬度不斷擴(kuò)展的情況下，裂縫頂部散射波振幅的變化規(guī)律。研究認(rèn)為：①當(dāng)裂縫寬度小于第一菲涅爾帶直徑時(shí)，用探地雷達(dá)圖像無(wú)法直接確定裂縫寬度。但是，裂縫頂部散射波振幅會(huì)隨著裂縫寬度的變大而增強(qiáng)，特別是當(dāng)裂縫寬度小于1/2第一菲涅爾帶直徑時(shí)，裂縫寬度與裂縫頂部散射波振幅成近似線(xiàn)性關(guān)系。②當(dāng)裂縫寬度約等于第一菲涅爾帶直徑時(shí)，振幅達(dá)到極大值。③當(dāng)裂縫寬度超過(guò)第一菲涅爾帶直徑后，振幅逐漸衰減，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí)，從探地雷達(dá)圖像中可以直接識(shí)別裂縫寬度。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚憶秋、陳鳳晨等人研究了雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)在道路工程中的適用性，分析了路面雷達(dá)監(jiān)測(cè)路面厚度的準(zhǔn)確性。依據(jù)鉆芯取樣標(biāo)定了道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)過(guò)程中的精度，并提出了控制誤差水平的取芯方法。通過(guò)檢測(cè)實(shí)體工程，提出了道路結(jié)構(gòu)病害識(shí)別方法，并驗(yàn)證了其可靠性。研究結(jié)果標(biāo)明，高頻天線(xiàn)探測(cè)的深度比較淺，精度比較高，而低頻天線(xiàn)則相反。

鄭州大學(xué)王復(fù)明等人研究了材料的復(fù)合介電特性及其三相體積比的關(guān)系，提出了壓實(shí)度、空隙率、含水量和瀝青含量等技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)思路，并探索了快速檢測(cè)瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的情況，推導(dǎo)了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的計(jì)算方法，編制了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度反演的程序SIDTHK。應(yīng)用該程序檢測(cè)實(shí)際路面的厚度，可以有效提高工程檢測(cè)的精度。在此過(guò)程中，推導(dǎo)了含水率、壓實(shí)度的反算公式。含水率的反算公式為：

（1）

壓實(shí)度的反算公式為：

（2）

式（1）（2）中：εb、εs為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基層、基層固體顆粒的介電常數(shù)；ws為基層材料密度；Gs為骨料比重；rs常取25.9 kN/m3；w為試樣的含水率。

由此可以看出，對(duì)于新鋪瀝青面層，假定沿路線(xiàn)方向?yàn)r青含量不變，且瀝青混合料中不含水，則瀝青混合料的介電常數(shù)影響因素主要由固（骨料）、液（瀝青）、氣（空氣）三相比例決定。當(dāng)瀝青混合料被壓實(shí)時(shí)，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加。瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系如圖1所示。至此，確定了瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系為：VV=Ae-Bε.

2 無(wú)損檢測(cè)

湖南大學(xué)涂文戈、鄒銀生等人針對(duì)雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播特性和衰減特性，建立了雷達(dá)信號(hào)在混凝土介質(zhì)中傳播和衰減的數(shù)學(xué)模型。基于探地雷達(dá)的工作機(jī)理，他們提出了針對(duì)被接收的雷達(dá)反射波信號(hào)衰減的補(bǔ)償方法，并且給出了相應(yīng)的衰減補(bǔ)償公式，即：

式（5）中：αi為傳播介質(zhì)中的衰減因子；T（i）為透射系數(shù)。

研究標(biāo)明，采用這種方法對(duì)有裂縫、孔洞和混凝土不密實(shí)區(qū)域的混凝土構(gòu)件進(jìn)行雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)，掃描圖像可以較為清晰地顯示混凝土構(gòu)件深部的病害和缺陷。

3 路基壓實(shí)質(zhì)量和病害監(jiān)測(cè)

鄭州大學(xué)張蓓、王海濤等人針對(duì)路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)中存在的不足，開(kāi)展了路基土的介電特性試驗(yàn)研究。從微觀極化機(jī)理分析了土介質(zhì)電磁特性的基本規(guī)律，闡述了土介質(zhì)極化模型的分類(lèi)和介質(zhì)介電特性測(cè)量方法，從宏觀和微觀角度研究了路基土的組成成分對(duì)路基土介電特性的影響規(guī)律。同時(shí)，還明確了路基材料干密度、含水量和模量等性能指標(biāo)與介電特性的關(guān)系。

研究認(rèn)為，在28 d齡期內(nèi)，土質(zhì)試件的介電常數(shù)逐漸下降，前期降低速度比較快，7 d齡期后衰減趨于平緩，介電常數(shù)值開(kāi)始趨于穩(wěn)定。同時(shí)，路基土的介電特性與壓實(shí)指標(biāo)之間有較好的相關(guān)關(guān)系，路基土介電常數(shù)和含水量回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2都在0.9以上，介電常數(shù)和壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)R2都在0.86以上，且回歸方程的極值對(duì)應(yīng)值都在最佳含水量附近。

在山西省吉河高速公路建設(shè)期內(nèi)，山西省交通科學(xué)研究院董立山采用地質(zhì)雷達(dá)分析了路面結(jié)構(gòu)的整體特性。研究人員認(rèn)為，地質(zhì)雷達(dá)可間接、定性評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)程度和路基中的空洞病害。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，在公路工程中，雷達(dá)技術(shù)已被應(yīng)用，但技術(shù)尚未成熟?，F(xiàn)有研究主要從材料與性能測(cè)試、大體積結(jié)構(gòu)無(wú)損監(jiān)測(cè)、病害診斷3個(gè)方面開(kāi)展，得出的結(jié)論是：①雷達(dá)測(cè)試波的特性、材料介電常數(shù)的變化規(guī)律可以間接表征路面材料的壓實(shí)度、空隙率、含水量等指標(biāo)，為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)；②在病害區(qū)域，可通過(guò)測(cè)試?yán)走_(dá)信號(hào)的衰減規(guī)律確定大體積結(jié)構(gòu)缺陷的所在位置，并直觀描述線(xiàn)性工程的地下空間分布情況。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕