預(yù)制試件模擬半剛性基層裂縫、空洞的探地雷達(dá)檢測(cè)定位

王 偉

（湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068）

1 研究的背景與意義

隨著道路施工問題、車輛超載行駛等日益增多，道路半剛性基層裂縫、空洞等病害逐漸增加，嚴(yán)重影響道路的使用，迫切需要研究半剛性基礎(chǔ)裂縫和空洞的無損檢測(cè)方法。本文采用LTD-2000 探地雷達(dá)，通過預(yù)制試件模擬半剛性基層裂縫、空洞的探地雷達(dá)檢測(cè)定位，研究該方法的可行性及準(zhǔn)確性。首先采用300MHz 天線進(jìn)行區(qū)域確定，然后采用900MHz 天線進(jìn)行局部精細(xì)定位檢測(cè)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理和誤差分析，達(dá)到半剛性基層裂縫、空洞的檢測(cè)定位效果，為道路后續(xù)維護(hù)檢修提供依據(jù)。

2 探地雷達(dá)的工作原理

發(fā)射天線和接收天線作為探地雷達(dá)的兩個(gè)端口，以電磁脈沖波為對(duì)象，一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)射，一個(gè)負(fù)責(zé)接收。其中當(dāng)發(fā)射天線作為發(fā)射端向地下發(fā)射時(shí)，不同介質(zhì)的發(fā)射和透射效果不同，接收天線作為接收端接收這些信息。然后發(fā)送到主機(jī)，從而達(dá)到檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的目的，見圖1所示。

圖1 工作原理圖

接收天線接收的有以下幾個(gè)方面：首先接收的是直接波信號(hào)，其通過空氣傳播直接發(fā)射到接收天線。其次是由道路表面反射回來的一次反射電磁波信號(hào)，另外還有其他電磁波信號(hào)。不同電磁波信號(hào)在探地雷達(dá)圖像中表現(xiàn)出不同的層帶，由于天線是貼近地面工作，直達(dá)波和路表反射波傳播時(shí)間相近，在圖像中層帶相鄰，且傳播工程中能量損失少，可以為圖像解析提供參考。在路面反射波之后，探地雷達(dá)接收到電磁波是地下不同介質(zhì)分界面反射回來的反射波，含有大量道路結(jié)構(gòu)層信息。通過收集、處理這些數(shù)據(jù)，可以得到道路結(jié)構(gòu)層的信息，達(dá)到檢測(cè)定位的目的。

3 探測(cè)原理

道路是由面層、基層和墊層等不同結(jié)構(gòu)層組成，而且不同結(jié)構(gòu)層采用的材料不同，每層的介電常數(shù)也不一樣。因此在道路檢測(cè)中，探地雷達(dá)電磁波在探測(cè)傳播時(shí)將變得更加復(fù)雜。如圖2，當(dāng)來自空氣中的電磁波C00以某角度入射至道路面層時(shí)，由于介質(zhì)不同，反射和折射隨即發(fā)生在空氣與面層的界面上，即C01和C11。對(duì)于面層和基層的分界面來說，C11可當(dāng)作二者界面的入射波，重復(fù)上述過程繼續(xù)產(chǎn)生C12與C21，由此傳播下去。另外在一個(gè)結(jié)構(gòu)層內(nèi)，電磁波會(huì)產(chǎn)生類似作用，如反射波C13、C14等等。

這些電磁波經(jīng)過探地雷達(dá)收集、處理后，可以得到道路的相關(guān)信息，從而達(dá)到檢測(cè)定位的目的。

4 預(yù)制試件模擬檢測(cè)

考慮半剛性材料的不均勻性和位于基層的隱蔽性，在混凝土試件上制作裂縫，驗(yàn)證檢測(cè)方法的可行性。

圖2 反射波和折射波

采用C20 標(biāo)號(hào)水泥，混凝土的配合比為水泥：砂：石：水=6：20：25：3，混凝土碎石試件的尺寸分別為100cm*10cm*10.2cm，100cm*10cm*9.8cm。將9.8cm 的混凝土試件的上表面隨機(jī)選擇一處，利用小型切割機(jī)豎直向下切割5cm 裂縫，裂縫寬3cm，將10.2cm 的混凝土試件放置上方，從而制得試件模型。以此試件模擬一公里路段測(cè)試情況，以1：2500 的比例進(jìn)行模擬。

首先采用300MHz 天線，進(jìn)行探地雷達(dá)連續(xù)檢測(cè)，天線貼近表面檢測(cè)，得到檢測(cè)圖像如圖3所示，可以大致判斷基層裂縫的位置。

圖3 基層裂縫的連續(xù)檢測(cè)圖像

圖4 基層裂縫的人工點(diǎn)測(cè)圖像

判斷基層裂縫大致范圍后，采用900MHz 天線進(jìn)行探地雷達(dá)人工點(diǎn)測(cè)，點(diǎn)測(cè)步長(zhǎng)為20mm，探地雷達(dá)檢測(cè)圖像4 所示。將天線沿著混凝土表面進(jìn)行檢測(cè)，以開始進(jìn)行點(diǎn)測(cè)處的雷達(dá)天線中點(diǎn)為原點(diǎn)，以天線下端的水平線為X 軸，天線檢測(cè)行進(jìn)端為X 軸正向，以豎向?yàn)閅 軸，向下為正，建立平面坐標(biāo)。

利用系統(tǒng)自帶的IDSP5.0 軟件，以20mm 為一道評(píng)價(jià)路段長(zhǎng)度，一道相當(dāng)于一公里路段的50m，即按1：2500 的比例進(jìn)行模擬測(cè)試，以0.1m/ns 為計(jì)算速度，進(jìn)行厚度計(jì)算。

兩個(gè)混凝土材料相同，其介電常數(shù)可以認(rèn)為相等，根據(jù)點(diǎn)測(cè)圖像4 可以明顯確定裂縫上部混凝土層的厚度值如表1所示，將表1中計(jì)算的單時(shí)程除以速度0.1m/ns，得到單時(shí)程的電磁波傳播時(shí)間，如表2所示。如圖3，在檢測(cè)圖像中目標(biāo)體表現(xiàn)出雙曲線特征，其位于雙曲線的最高點(diǎn)，因此表2中的最小值為裂縫上端到混凝土上表面的電磁波傳播時(shí)間。

表1 裂縫上端混凝土層點(diǎn)測(cè)計(jì)算結(jié)果

7 K0+300 K0+350 201 8 K0+350 K0+400 186 9 K0+400 K0+450 172 10 K0+450 K0+500 160 11 K0+500 K0+550 153 12 K0+550 K0+600 140 13 K0+600 K0+650 128 14 K0+650 K0+700 111 15 K0+700 K0+750 112 16 K0+750 K0+800 116 17 K0+800 K0+850 126 18 K0+850 K0+900 139 19 K0+900 K0+950 151 20 K0+950 K1+000 163

表2 裂縫上端混凝土層單程傳播時(shí)間

5 計(jì)算分析

電磁波在混凝土中的速率為0.096m/ns，由表2知，第14 道的時(shí)間值最小，混凝土下表面到混凝土上表面的電磁波傳播時(shí)間為t=1.11ns，由此可計(jì)算出混凝土下表面到混凝土上表面的距離s=0.096t=10.7cm，即目標(biāo)體的Y 坐標(biāo)。表1確定的最小值的道數(shù)為14，即目標(biāo)體位于第14 個(gè)采樣點(diǎn)的下方，目標(biāo)體的X 坐標(biāo)為(14-1)*0.02+0.01=0.27m=27cm。

表3 誤差分析表與實(shí)際結(jié)果對(duì)比分析

由表3知，采用本文檢測(cè)方法對(duì)預(yù)制混凝土裂縫的位置進(jìn)行定位，水平誤差達(dá)到6.7%，豎向誤差達(dá)到4.9%，可以有效定位?；炷敛牧系慕殡娞匦耘c半剛性混凝土碎石介電特性相似，從而證明本文探地雷達(dá)檢測(cè)方法的正確性。

6 總結(jié)

針對(duì)道路半剛性基層檢測(cè)定位問題，采用300MHz 低頻天線和900MHz 高頻天線相結(jié)合的辦法。兩者特點(diǎn)各不相同，900MHz 低頻天線在分辨率上有優(yōu)勢(shì)，但探測(cè)深度小，300MHz 高頻天線則反之。首先采用300MHz 天線進(jìn)行粗測(cè)確定大概位置，然后采用900MHz 天線進(jìn)行精測(cè)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)半剛性基層裂縫、空洞等病害的有效檢測(cè)定位。本文采用的檢測(cè)方法既能準(zhǔn)確快速的進(jìn)行病害定位，同時(shí)又能取得無損檢測(cè)的效果，有較大的應(yīng)用價(jià)值。