基于三維探地雷達(dá)的瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整技術(shù)研究

虞將苗，唐嘉明，張肖寧，李偉雄，陳博

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

由于基層頂面平整度較差以及攤鋪施工過程中攤鋪設(shè)備調(diào)整不佳等因素，新建瀝青路面在施工過程中容易出現(xiàn)厚度不足區(qū)域比例偏高問題。為提高瀝青面層厚度分布合格率，除改善基層的平整度以及加強(qiáng)對攤鋪設(shè)備調(diào)試外，還需要在下層施工完成后，根據(jù)瀝青面層厚度分布情況，針對下承層偏薄區(qū)域采取相應(yīng)的處置措施，施工路幅全斷面厚度檢測技術(shù)是關(guān)鍵。

當(dāng)前，瀝青層厚度檢測方法主要有鉆芯法、二維探地雷達(dá)法和三維探地雷達(dá)法。鉆芯法由于對瀝青路面破壞大，樣本點(diǎn)較少，代表性不足等原因，不適用于大面積瀝青面層厚度檢測。二維探地雷達(dá)法有檢測效率高，不損壞路面結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，但單次檢測只能采集一個縱剖面數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)全斷面覆蓋掃描，同樣存在明顯的代表性不足問題。三維探地雷達(dá)檢測原理與二維探地雷達(dá)相同，其采用多通道天線，單次檢測寬度范圍接近覆蓋一條車道，可實(shí)現(xiàn)對瀝青路面厚度的全斷面掃描，是近年來較適用于開展大面積路面厚度快速無損檢測的一種新手段。

該文主要基于三維探地雷達(dá)測試技術(shù)，提出瀝青路面施工厚度的動態(tài)調(diào)整方法，結(jié)合依托工程項(xiàng)目進(jìn)行工程應(yīng)用效果評價，以提高瀝青路面施工厚度合格率與改善厚度分布均勻性。

1 三維探地雷達(dá)厚度探測原理

研究采用路用三維探地雷達(dá)系統(tǒng)，包括GeoscopeTMMKIV雷達(dá)主機(jī)、DX系列多通道空氣耦合天線陣。探地雷達(dá)探測地下狀況主要通過發(fā)射與接收特定頻率范圍的電磁波信號，進(jìn)而進(jìn)行采集分析與處理，主要工作原理如圖1所示。

圖1 三維探地雷達(dá)厚度探測工作原理示意圖

發(fā)射的電磁波在檢測物質(zhì)中傳播時，被檢測介質(zhì)的電參數(shù)(瀝青路面為非磁化，非導(dǎo)電材料，主要為介電常數(shù))發(fā)生變化，部分電磁波向后散射(被接收天線采集)，部分電磁波繼續(xù)傳播，反射電磁波電平可通過式(1)、(2)計算。

(1)

Eri=EiΓ1,2

(2)

式中：Γ1,2為電磁波傳播過程中的反射系數(shù)；εr1為入射側(cè)介質(zhì)介電常數(shù)；εr2為出射側(cè)介質(zhì)介電常數(shù)；Ei為入射側(cè)電磁波電平；Eri為反射電磁波電平。

經(jīng)過若干次折射、反射后，部分電磁波信號返回到天線并被雷達(dá)天線信號接收器接收，通過逆離散傅里葉變換(IDFT)得到電磁波在地層內(nèi)的傳播時間，結(jié)合標(biāo)定得到的介電常數(shù)，通過式(3)計算瀝青面層厚度，通過式(4)計算標(biāo)定介電常數(shù)。

(3)

(4)

式中：h為瀝青層厚度(m)；h0為標(biāo)定芯樣厚度(m)；c為光速(3×108m/s)；ε為相對介電常數(shù)；t1為到達(dá)地面被反射部分電磁波的傳播時間(s)，t2為到達(dá)瀝青層層底被反射部分電磁波的傳播時間(s)，t1、t2通過追蹤雷達(dá)圖像中的瀝青結(jié)構(gòu)層層頂和層底的反射信號獲取，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)圖像縱剖面圖

2 基于三維探地雷達(dá)的瀝青層厚度動態(tài)調(diào)整技術(shù)

2.1 雷達(dá)厚度數(shù)據(jù)處理

三維探地雷達(dá)系統(tǒng)采集路幅全斷面三維數(shù)據(jù)點(diǎn)陣，形成清晰的雷達(dá)灰度圖像，采樣間距沿前進(jìn)方向、橫向以及深度方向依次為0.025、0.071、0.004 m。利用雷達(dá)信號處理軟件(3drExaminer)識別追蹤雷達(dá)圖像中的地面連續(xù)信號以及瀝青層底部連續(xù)信號，結(jié)合芯樣標(biāo)定數(shù)據(jù)，計算檢測路段瀝青路面厚度，賦予每個檢測點(diǎn)位二維坐標(biāo)(x軸為距中央分隔帶距離，y軸為樁號)，形成瀝青路面厚度分布矩陣。

確定三基色比例與瀝青層厚度值的線性對應(yīng)關(guān)系，組合形成漸變顏色表征不同的厚度值，進(jìn)而將厚度矩陣轉(zhuǎn)換為厚度分布云圖形式，以便更加直觀地展示路面瀝青層厚度分布情況，如圖3所示。

圖3 瀝青層厚度分布云圖示例

2.2 路面厚度的補(bǔ)償方法

首先，對檢測段落進(jìn)行單元劃分，按單元調(diào)整上層攤鋪厚度值。在劃分單元時，考慮頻繁調(diào)整攤鋪厚度會增加攤鋪施工操作難度，且施工工作面過短不利于路面平整度與離析的調(diào)整。因此，上層攤鋪厚度調(diào)整不應(yīng)過于頻繁，而單元劃分長度過長，需要調(diào)整較長區(qū)域的上層攤鋪厚度以補(bǔ)償偏薄區(qū)域?yàn)r青結(jié)構(gòu)層厚度，難以保證經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮以上因素及現(xiàn)場施工特點(diǎn)，以200 m為單元調(diào)整攤鋪施工厚度可較好地兼顧瀝青層施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。

雷達(dá)采集的全斷面厚度數(shù)據(jù)量較大，每個單元(200 m)為563 380點(diǎn)。單元厚度代表值采用t分布模型計算，自由度極大(>120)情況下，與厚度均值數(shù)值上相差極小(<1‰)，可視為相等?；隍?yàn)收標(biāo)準(zhǔn)代表值要求的厚度補(bǔ)償值可按下式計算：

(5)

基于厚度極小值要求的厚度補(bǔ)償值是為確保加鋪上層后瀝青層總厚度滿足規(guī)范驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的極小值，按下式計算：

ΔXm=Xd-P2×Xt-Xdmin

(6)

式中：ΔXm為基于極小值要求的厚度補(bǔ)償值(cm)，下同；P2為瀝青層總厚度極小值允許偏差；Xdmin為下層瀝青層厚度最小值。

厚度補(bǔ)償值應(yīng)同時滿足厚度代表值、厚度極小值的要求，按下式計算：

ΔX=max(ΔXL,ΔXm)

(7)

式中：ΔX為厚度補(bǔ)償值(cm)。

2.3 攤鋪厚度的動態(tài)調(diào)整方法

計算檢測道上層厚度調(diào)整值，應(yīng)同時滿足需補(bǔ)償厚度和設(shè)計的要求，按下式計算：

Xu=max(ΔX+Xut,Xut)

(8)

式中：Xu為檢測道上層厚度調(diào)整值(cm)；Xut為上層瀝青層設(shè)計厚度(cm)。

單檢測道寬度為1.5 m，單元寬度為行車道寬度(>3 m)，需要設(shè)置兩個或以上的檢測道以實(shí)現(xiàn)單元的全覆蓋檢測，而瀝青層攤鋪施工同一橫斷面攤鋪厚度相同，需要根據(jù)各檢測道厚度調(diào)整值確定單元的厚度調(diào)整值。為保證調(diào)整后單元內(nèi)每一檢測道瀝青層厚度均滿足要求，單元的上層厚度調(diào)整值取各檢測道上層厚度調(diào)整值的最大值，按下式計算：

Xuw=max(Xu1,Xu2,…，Xui,…，Xun)

(9)

式中：Xuw為單元上層厚度調(diào)整值(cm)，下同；Xui為第i個檢測道上層厚度調(diào)整值(cm)。

在實(shí)際攤鋪施工時，應(yīng)根據(jù)混合料的類型和壓實(shí)工藝，確定上層攤鋪松鋪系數(shù)，確定單元上層攤鋪厚度調(diào)整值，按下式計算：

X=K×Xuw

(10)

式中：X為單元上層攤鋪厚度調(diào)整值(cm)；K為攤鋪施工采用的松鋪系數(shù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

廣東某新建高速公路采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。檢測段落瀝青層具體結(jié)構(gòu)為：上面層為4.5 cm GAC-16C；中面層為5.5 cm GAC-20C；下面層為8 cm GAC-25C。設(shè)計要求瀝青層總厚度代表值允許偏差為0.9 cm(5%)，即要求大于17.1 cm；單檢測點(diǎn)瀝青層總厚度值允許偏差為1.8 cm(10%)，即要求大于16.2 cm。此次項(xiàng)目在中面層施工完成后，擬對上面層施工厚度進(jìn)行調(diào)整，上面層混合料攤鋪的松鋪系數(shù)采用1.24。

3.2 檢測方案

在上層鋪筑前以及上層鋪筑后，均采用三維探地雷達(dá)對K0+000～K6+000右幅，總長為6 km的段落進(jìn)行瀝青層厚度檢測。其中前半段(路段1)采用施工厚度動態(tài)調(diào)整技術(shù)進(jìn)行上層施工厚度調(diào)整，路段長度為3 km，將其劃分為15段單元，編號為1～15；后半段(路段2)為正常施工段落，上層施工厚度按設(shè)計厚度進(jìn)行常規(guī)攤鋪，路段長度為3 km，將其劃分為15段單元，編號為16～30。

單幅斷面設(shè)置5個檢測道，實(shí)行全斷面覆蓋掃描。掃描參數(shù)的采樣間距設(shè)置為2.5 cm，時窗為35 ns。

3.3 攤鋪厚度調(diào)整值計算

利用雷達(dá)信號處理程序，自動追蹤地面信號連續(xù)軌跡以及瀝青層層底反射信號連續(xù)軌跡；將信號時間值t1、t2導(dǎo)出；結(jié)合芯樣標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4)標(biāo)定介電常數(shù)。以單元13為例，該段落標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 芯樣標(biāo)定數(shù)據(jù)匯總

因此標(biāo)定介電常數(shù)為5.64，采用標(biāo)定介電常數(shù)計算單元所有區(qū)域的瀝青層厚度。同時，為驗(yàn)證瀝青層厚度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度，在檢測段落內(nèi)鉆取4個芯樣對檢測結(jié)果進(jìn)行比對(表2)。

表2 芯樣數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證

芯樣數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證結(jié)果表明:誤差均值為0.1 cm，最大值為0.2 cm，表明瀝青層厚度計算結(jié)果誤差小于2 mm，基本滿足上層攤鋪厚度計算精度要求。計算單元13下層瀝青層厚度及上層攤鋪厚度調(diào)整值結(jié)果如表3所示。

表3 單元13檢測數(shù)據(jù)計算結(jié)果匯總

單元13上層攤鋪厚度調(diào)整值為6.3 cm，按單元13計算方法計算單元1～15的厚度補(bǔ)償值及上層厚度調(diào)整值。路段1各單元攤鋪厚度調(diào)整結(jié)果見圖4。

圖4 路段1各單元上層攤鋪厚度調(diào)整結(jié)果

由圖4可得:路段1所有單元厚度補(bǔ)償值均值為0.4 cm，最大值為0.6 cm，最小值為-0.3 cm。路段1的15個單元中，有14個單元存在厚度偏薄區(qū)域，需要增加上層攤鋪厚度補(bǔ)償瀝青層總厚度。單元11不存在厚度偏薄區(qū)域，補(bǔ)償值為-0.3 cm，但為保證上層的單層結(jié)構(gòu)厚度滿足設(shè)計要求，建議上層厚度調(diào)整值采用設(shè)計值4.5 cm，即對應(yīng)的攤鋪厚度為5.6 cm。

在各單元段落中，上層建議厚度調(diào)整值最大值為5.1 cm，補(bǔ)償值為0.6 cm。JTG F80/1-2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》要求高速公路路面縱斷面高程偏差小于1.5 cm，因此調(diào)整上層攤鋪厚度后，對縱斷面高程的影響在容許范圍內(nèi)。

4 工程應(yīng)用效果評價

4.1 單元厚度分析

瀝青層總厚度按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)判定是否合格，下層瀝青層厚度合格判定采用和瀝青層總厚度值相同的允許偏差(1.8 cm)，即要求大于11.7 cm。

從單個單元厚度分布云圖出發(fā)研究瀝青層厚度分布變化情況。路段1中的單元3鋪筑前后瀝青層厚度分布云圖如圖5所示。路段2中的單元16鋪筑前后瀝青層厚度分布云圖如圖6所示。

圖5 采用厚度調(diào)整值的瀝青路面厚度分布云圖(單元3)

圖6 常規(guī)法施工的瀝青路面厚度分布云圖(單元6)

由瀝青層厚度分布云圖可以看出：單元3及單元16的下層瀝青路面厚度分布均呈現(xiàn)較顯著的變異性，主要體現(xiàn)在沿著行車方向出現(xiàn)橫向厚度偏薄帶(淺色區(qū)域)，主要與現(xiàn)場施工的攤鋪設(shè)備、基層平整度等因素有關(guān)。

單元16采用設(shè)計厚度標(biāo)準(zhǔn)鋪筑上層結(jié)構(gòu)，成型后的瀝青層結(jié)構(gòu)厚度分布仍然呈現(xiàn)明顯的橫條帶狀波動，施工前后對比可見，下層厚度偏薄區(qū)域依然為不合格狀態(tài)，局部區(qū)域甚至有擴(kuò)散趨勢，不合格率由8.6%略微上升到9.1%。

采用推薦的攤鋪厚度值進(jìn)行單元3路面施工調(diào)整后，瀝青結(jié)構(gòu)層厚度合格率得到明顯的改善，不合格率由8.3%下降到0.6%。理論上，依照攤鋪厚度調(diào)整值進(jìn)行施工，不應(yīng)再存在厚度不足區(qū)域。然而，實(shí)際施工路段仍然在道路邊部存在偏薄路面。究其原因，主要與以下因素有關(guān)：① 瀝青層壓實(shí)前后的厚度比值與壓實(shí)功、混合料級配、瀝青含量等因素密切相關(guān)，各個因素在瀝青層的分布都存在一定的不均勻性，導(dǎo)致了瀝青層壓實(shí)前后厚度比值存在不均勻性。采用不變的松鋪系數(shù)與瀝青層壓實(shí)前后厚度的實(shí)際比值存在誤差，從而瀝青層壓實(shí)后厚度與上層厚度調(diào)整值存在誤差；② 實(shí)際攤鋪過程中，受攤鋪機(jī)穩(wěn)定性與邊部布料不到位、邊部離析以及道路排水橫坡等因素影響，實(shí)際攤鋪厚度與設(shè)計攤鋪厚度值存在誤差。

4.2 路段厚度分析

統(tǒng)計路段1、2各單元檢測段落上層鋪筑前后厚度不合格區(qū)域分布比例的變化情況如圖7所示。

由圖7可知：上層施工前，路段1各單元路面厚度不合格比例均值為7.9%，最大值為12.0%，最小值為0%。采用推薦的厚度調(diào)整值施工后，不合格區(qū)域比例均值為1.3%，最大值為1.9%，最小值為0%。路面厚度合格率達(dá)98%以上，較施工前的下層厚度合格率提升了6.6%。路段2各單元路面厚度不合格比例均值為6.8%，最大值為10.8%，最小值為3.9%。采用常規(guī)的設(shè)計厚度值施工后，不合格區(qū)域比例均值為6.9%，最大值為10.9%，最小值為3.4%。施工前后的路面厚度合格率變化不大，未達(dá)到95%的合格率。

圖7 瀝青路面厚度不合格區(qū)域比例統(tǒng)計

通過兩種施工方法對比可明顯看出:采用上層攤鋪厚度調(diào)整值的動態(tài)調(diào)整法能夠有效提升路面施工厚度合格率，確保瀝青層總厚度合格比例達(dá)到98%以上，滿足工程需求，可保證瀝青路面不因?yàn)r青層厚度不足而發(fā)生早期損壞。同時，對于厚度分布狀態(tài)良好路段，則無需進(jìn)行厚度補(bǔ)償，有助于保障工程經(jīng)濟(jì)性。

4.3 路面厚度均勻性評價

分別計算各路段各單元的瀝青結(jié)構(gòu)層厚度均值，繪制其厚度波動曲線圖，如圖8所示。

分析圖8可得：

圖8 各路段攤鋪前后單元厚度均值變化

(1)路段1上層攤鋪前厚度均值為13.5 cm，變化范圍為13.1～14.0 cm；路段2上層攤鋪前厚度均值為13.5 cm，變化范圍為13.1～13.9 cm。表明路段1與路段2在上層攤鋪前厚度均值、變化范圍等指標(biāo)均較接近，即攤鋪施工工藝水平相近。

(2)路段1上層攤鋪后厚度均值為18.5 cm，變化范圍為18.2～18.6 cm；路段2上層攤鋪后厚度均值為18.1 cm，變化范圍為17.7～18.4 cm。路段1厚度均值比路段2略高，主要與各單元的厚度補(bǔ)償有關(guān)。路段1的厚度變化幅度小于路段2，說明路段1各單元施工厚度分布較穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步評價路段1與路段2的厚度分布均勻性，分別計算各路段的變異系數(shù)，如圖9所示。初始狀態(tài)下，路段1各單元厚度變異系數(shù)為1.9%，與路段2的變異系數(shù)基本一致；而攤鋪上面層瀝青混合料后，路段1瀝青結(jié)構(gòu)層厚度變異系數(shù)約為0.8%，明顯小于路段2施工后的變異系數(shù)(1.9%)。充分說明路段1的路面厚度分布均勻性優(yōu)于路段2，也進(jìn)一步論證了采用厚度動態(tài)調(diào)整技術(shù)能夠有效提高瀝青路面施工厚度分布的均勻性。

圖9 厚度均值變異系數(shù)變化

5 結(jié)論

利用三維探地雷達(dá)探測技術(shù)快速獲取瀝青結(jié)構(gòu)層的全斷面厚度分布數(shù)據(jù)，可繪制較為直觀的路面結(jié)構(gòu)厚度分布云圖，直觀展示整個路面厚度分布情況，為瀝青層施工厚度的動態(tài)控制提供技術(shù)支撐。通過工程應(yīng)用實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

(1)基于三維雷達(dá)厚度數(shù)據(jù)提出瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整技術(shù)，根據(jù)厚度補(bǔ)償法提出上層攤鋪厚度調(diào)整值，確保瀝青層施工厚度指標(biāo)滿足設(shè)計與驗(yàn)收要求。

(2)根據(jù)依托工程檢測結(jié)果，大部分瀝青路面厚度難以達(dá)到95%合格率，而采用厚度調(diào)整值指導(dǎo)上層攤鋪，可以有效提高路面施工厚度合格率，厚度合格率達(dá)到98%以上。

(3)采用施工現(xiàn)場厚度動態(tài)調(diào)整方法能夠顯著降低施工厚度變異系數(shù)，提高厚度分布均勻性，有助于改善瀝青路面施工質(zhì)量，具有較大的工程實(shí)用價值。