市政道路典型病害的地質雷達特征回波

(1.沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽 110168；2.中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 100000)

隨著基礎設施建設的發(fā)展，道路建設質量問題逐漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計，道路施工中第一次合格率達95%以上的施工企業(yè)不足20%[1-2]。并且由于規(guī)劃設計、管理、施工、材料等多方面的復雜原因，城市道路損壞現(xiàn)象不斷出現(xiàn)[3]。相比于傳統(tǒng)的有損檢測方法，地質雷達法具有連續(xù)無損、測速快、精度高、結果直觀等優(yōu)點，并能夠對路面進行全面跟蹤檢測，可確定科學合理的養(yǎng)護方法，滿足路面工程的需要[4]。針對道路工程，國內外技術人員對地質雷達中的淺地層信號處理[5-6]、路面基層應用[7]、工程勘察中的干擾因素等進行了相應的研究[8]，但由于地質雷達在市政道路檢測過程中，既無統(tǒng)一的國家規(guī)范，也沒有廣泛認可的行業(yè)標準，而現(xiàn)有的研究更多針對的是面層與基層，對基層以下的典型病害研究則較少。

由于電磁波在地下地質傳播時衰減較強，所以采集到的雷達數(shù)據(jù)存在多解性[9]。筆者通過制作幾種典型的公路病害模型，掃描分析了對應雷達圖譜，解析了特征回波，為高效、精準分辨各類市政道路典型病害提供了參考。

1 試驗方法

1.1 試驗方案

根據(jù)CJJ 37-2012《城市道路工程設計規(guī)范》鋪裝試驗道路，試驗路結構層示意如圖1所示(SBS為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)。參照實際工程中典型病害的特點，制作了病害模型(見圖2)。

(1) 脫空模型：基層中的脫空模型是由普通模板制成的、尺寸為700 mm×700 mm×200 mm(長×寬×高)的空心立方體；而處于墊層中的脫空模型材料不變，尺寸調整為700 mm×700 mm×250 mm(長×寬×高)。

(2) 裂縫模型：由塑料扣板制成、尺寸為1 800 mm×3 mm×400 mm(長×寬×高)。

(3) 不密實模型：將冰塊和道路材料混合后埋置于尺寸為700 mm×700 mm×200 mm(長×寬×高)的指定區(qū)域內。

(4) 離析模型：在尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的指定區(qū)域內由小到大分層鋪設粒徑不同的粗骨料。

(5) 蜂窩模型：由若干個模板制成的100 mm×100 mm×200 mm的小空心立方體拼接而成的尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的模型。

(6) 局部富含水模型：在尺寸為700 mm×700 mm的指定區(qū)域內預埋設兩根管徑為100 mm的聚氯乙烯(PVC)水管，在水管貼地一側開口，周圍用塑料扣板合圍。

(7) 凍融模型：將尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的素土注入水分后，放置低溫箱冷凍，待其結塊后埋置。病害模型埋設位置對應其實際工程中易發(fā)生此類病害的位置，剖面圖如圖3，4所示。

圖2 缺陷模型布置平面圖

圖3 1-1剖面圖

圖4 2-2剖面圖

1.2 試驗方案

試驗采用600 MHz空氣耦合屏蔽天線對試驗用公路進行試驗掃描，掃描樣點數(shù)為1 024，采樣分辨率為16 Bit，采樣間距為0.024 m。沿圖2的1-1、2-2剖面布置2條雷達測線V1，V2。

2 結果與分析

通過雷達掃描，取得市政道路典型病害檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過背景去噪、去除首波、頻率濾波、時變增益等處理后，得到V1，V2測線不同深度特征病害圖譜，圖5，6分別為V1，V2的測線圖譜。標注的對應病害為：離析、脫空、富含水、蜂窩、脫空、裂縫、不密實缺陷等。

圖5 V1測線圖譜

圖6 V2測線圖譜

3 特征回波分析

地質雷達檢測中，介質的介電常數(shù)和電導率直接關系著探測的精確性[10]；而混合材料的電導率和介電常數(shù)則十分復雜，相關學者普遍認為混合材料的電導率及介電常數(shù)由各組成成分的電導率及介電常數(shù)的均值和方差決定[11]。通過對雷達反射波進行后處理，得到典型病害的雷達反射波形圖，即雷達電磁波經(jīng)市政道路不同電導率和介電常數(shù)的混合材料反射形成的圖形數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)明暗對應為電磁波的反射強弱，即為反射幅值。當電磁波沿垂直界面入射材料時，反射系數(shù)R的模和幅角可表示為

(1)

(2)

a=m2/m1

(3)

(4)

式中：ω為角頻率，單次掃描試驗時假設其大小恒定；a為磁導率比；b為傳播常數(shù)比；μ1，μ2分別為界面兩側不同材料的磁導率；ε1，ε2分別為界面兩側不同材料的介電常數(shù)；σ1，σ2分別為界面兩側不同材料的電導率。

根據(jù)電磁學理論，用介質的傳導電流密度|JC|和位移電流密度|JD|的比值來確定耗損度。

(5)

式中：s為電導率;ε為介質的介電常數(shù)。

試驗模型所用的材料相關參數(shù)如表1所示。

表1 試驗模型所用材料的相關參數(shù)

根據(jù)上述理論分析各病害的特征回波。

圖7 脫空病害標準圖譜及波形

(1) 脫空：空氣的介電常數(shù)遠小于道路材料的介電常數(shù)，脫空上界面處的反射系數(shù)R為負，下界面處的反射系數(shù)R為正，兩界面處的反射波為一負一正。脫空病害標準圖譜及波形如圖7所示，由圖7可知，由于周圍介質存在電性差異，所以其邊界存在電磁波繞射現(xiàn)象。相較于其他典型病害，脫空在內部結構上存在較大的連續(xù)性特征，峰尖擾射曲線變寬，在圖譜上表現(xiàn)為上邊界平整，顏色由亮至暗再至亮，且差別明顯。

(2) 局部富含水：電磁波從高阻介質入射到低阻介質時，入射波與出射波反相，反之同相。注水后，由于水的相對介電常數(shù)大，界面反射系數(shù)大，道路內部出現(xiàn)低阻區(qū)域，其反射波與天線發(fā)出的電磁波反相，局部富含水病害標準圖譜及波形如圖8所示。缺陷產(chǎn)生強反射，回波信號強，由于水對電磁波的衰減，電磁波能量大幅衰減，在圖譜上表現(xiàn)為缺陷處圖譜明暗交錯，缺陷下方信號弱，回波噪聲明顯。

圖8 局部富含水病害標準圖譜及波形

與其他病害圖譜相比，局部富含水區(qū)域土層兩邊介質的電磁參數(shù)差別大，反射系數(shù)也大，同樣反射波的能量也大[12]。由于土層中的介質向水中擴散，該介質層中液體的介電常數(shù)降低，而電導率增加。當角頻率一定時，由式(5)可知，該層介質對電磁波的耗損程度變大，缺陷下方信號幅值衰減快。

(3) 蜂窩：由于蜂窩缺陷的結構特征，所以其波形類似于多個小脫空的疊加，蜂窩病害標準圖譜及波形如圖9所示，電磁波經(jīng)過多次的反射折射，在圖譜上顯示局部波形雜亂，橫向上同相軸錯斷，呈現(xiàn)出“蜂巢”狀。

圖9 蜂窩病害標準圖譜及波形

由于土層中的空氣團較分散且體積較小，所以其對于整個界層的介電常數(shù)、電導率等相關參數(shù)的影響并不顯著。但蜂窩病害形成中存在明顯的連續(xù)性特征，其他病害則一般不具備。

(4) 離析與不密實：內部材料疏松，介電參數(shù)的差異大。疏松病害的頂、底反射信號在剖面上不對稱。電磁波在界面上反射較弱，圖譜上顯示局部波形雜亂，橫向上同相軸錯斷，顏色亮暗交錯。相較于蜂窩缺陷，不密實及離析與其較為相似，在實際工程中較易發(fā)生誤判，最大不同在于其構造上相對分散且不具有蜂窩缺陷連續(xù)的特征。離析病害標準圖譜及波形如圖10所示，不密實病害標準圖譜及波形如圖11所示。

圖10 離析病害標準圖譜及波形

(5) 裂縫：裂縫中空氣的存在使得回波信號幅值明顯增強，圖譜特征表現(xiàn)為上下兩條雙曲線波組，其中，頂端和低端的雙曲線組二者相位剛好相反。這與脫空病害較為相似，但裂縫寬度比脫空病害的寬度小，波形圖中峰尖擾射曲線寬度與脫空病害擾射曲線寬度相比較窄，局部回波特征明顯。裂縫病害標準圖譜及波形如圖12所示。

圖12 裂縫病害標準圖譜及波形

(6) 凍融：工程中凍融區(qū)域與富含水區(qū)域是基本一致的，兩者的區(qū)別主要是外界溫度的變化導致水的形態(tài)不同。對應的特征信號基本相似，同相軸錯段，整體呈弧形。凍融病害標準圖譜及波形如圖13所示。

圖13 凍融病害標準圖譜及波形

對比較為相似的不密實區(qū)域，凍融土層中混入的冰水混合物的介電常數(shù)、電導率更大，反射波中的A0明顯高于其他幅值。不密實區(qū)域的反射波強度較弱。

4 結語

通過對試驗得到的特征回波波形進行分析，論證了地質雷達法對市政道路進行檢測并準確辨析典型病害的可行性。根據(jù)電磁波傳播理論及地質雷達反射圖譜的成像原理進行分析，得出各典型病害的回波特征及雷達圖譜特點，得到了裂縫與脫空、凍融與不密實、離析及不密實、蜂窩等病害相似雷達圖譜的細節(jié)差別。