淺析探地雷達在路面面層厚度檢測中的應用

韓志斌

摘要：本文在了解探地雷達組成及基本原理的基礎上，結合具體案例，對探地雷達在路面面層厚度檢測中的應用進行了分析與探討。

關鍵詞：探地雷達;面層厚度檢測;基本原理

一、探地雷達的組成及基本原理

（一）系統(tǒng)組成

作為一種無損檢測技術，在道路工程中，探地雷達技術多用于道路結構層厚度或病害檢測，其系統(tǒng)組成主要包括嗎，收發(fā)天線、脈沖產(chǎn)生器等。

（二）基本原理

探地雷達是基于高頻電磁波在介質(zhì)傳播的一種探測方法。在道路檢測中，探地雷達技術不會對其使用性能及運營功能造成不利影響，主要是通過對結構內(nèi)部的高頻電磁回波信號進行分析而檢測路面的結構層厚度及運營健康狀況。于路面使用性能、檢測的可行性來講意義重大。探地雷達發(fā)射機將會生成一種正弦電磁脈沖，按照一定角度通過發(fā)射天線發(fā)射到被測介質(zhì)，此時被測介質(zhì)的介電常數(shù)將會發(fā)生改變，并產(chǎn)生電磁波反射現(xiàn)象，雷達系統(tǒng)可及時處理電磁波反射的信號，從而獲取路面結構異常特征。

二、介電常數(shù)標定方法

路面結構層中的介質(zhì)是探地雷達檢測的對象，介質(zhì)物理學當中，介電常數(shù)、電導率等決定介質(zhì)的介電特性，在路面材料當中多數(shù)為非磁性材料，因此，在具體計算中，常以1為磁導率，于電磁波傳播特性而言，電導率的影響已涵蓋于介電常數(shù)的虛部內(nèi)。由此可見，路面材料介電性能當中介電常數(shù)才是最關鍵的參數(shù)。

一般情況下，可采用鉆芯取樣法、反射系數(shù)法、共點中心法等獲取路面材料介電常數(shù)。其中，最常用的兩種為鉆芯取樣法和反射系數(shù)法，具體如下：

（一）鉆芯取樣法

鉆芯取樣法是指探地雷達測線上隨機選擇一個測點進行取芯樣，從而對其實際厚度進行準確測定。主要應用的參數(shù)為雙程走時、實際厚度。通過上述2個參數(shù)，即可對此標定層內(nèi)探地雷達波的介電常數(shù)進行測定。按照相關規(guī)范要求，可按下式進行分析。

其中，剖面上此點的雙程走時可由△t表示;

空氣中電磁波的傳播速度可由c表示;

此點實測厚度可由H表示。

（二）反射系數(shù)法

反射系數(shù)法主要是基于反射系數(shù)和反射波之間的關系，將上一結構層中電磁波的傳播速度與空氣中電磁波的傳播速度設為定值，通過此定值將其在下一結構層內(nèi)的傳播速度推導出來。在實際應用中，反射系數(shù)法需要將一塊金屬板放置在路面上，從而獲取全反射振幅，作為全反射體，金屬板內(nèi)存有反射系數(shù)。在金屬板去除后，路面將會接收到反射振幅，隨后，按照分界面反射系數(shù)和此介面的反射波幅關系等，獲取各層波速。

其中，全反身月辰幅由Am表示;

反射系數(shù)由Rm表示，為1;

接收到的反射振幅由A1;

第一層波速由V1表示;

以下各層波速由Vn表示，為（n=2，3，…）電常數(shù)。理論上來看，反射系數(shù)法可獲取所有測點的介電常數(shù)，但在實際操作中，往往存在許多影響因素，如表面散射、界面不均勻等等，這種情況下難免會產(chǎn)生誤差，但基于此方法理論相對較為成熟，且可做到無損檢測，因此，在實際應用中較多，且效果良好。

三、工程概況

為驗證探地雷達在路面面層厚度檢測中的應用效果，本文選取3路段進行分析研究。（1）瀝青混凝土路面：運營時間達7年左右，檢測樣本共取5個;（2）“自+黑”改造路面：施工驗收后，取檢測樣本6個，主要對瀝青加鋪層厚度進行檢測。（3）水泥混凝土路面：該路面已產(chǎn)生病害，主要為裂縫、斷板等。取檢測樣本6個，檢測水泥混凝土路面厚度。

（一）試驗分析

為保證結果數(shù)據(jù)的準確性，本文基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法兩種方式在探地雷達檢測路面面層厚度中的應用進行比對分析。

（1）鉆芯取樣法。在路面面層厚度檢測中，采用Φ100（mm）的芯樣，確保鉆孔深度達到規(guī)定要求，隨后沿圓周對稱的十字方向通過鋼板取4處進行測量，主要測量表面到上、下層界面的高度，取平均值（精確到0.1cm）。

（2）反射系數(shù)法。根據(jù)工程實際情況，采用脈沖式探地雷達進行路面面層厚度檢測，1GHz為頻率?？紤]到鉆芯取樣等情況，決定結構層介電常數(shù)的標定點采用第一個樣本。

（二）結果探討

通過三路段鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩次檢測，可得檢測結果如下：

（1）路段一：本路段共取5個檢測樣本，芯樣號為1～5號，實測芯樣厚度范圍為9.9～11.5cm，其中芯樣1號實測厚度為11.4cm，為鉆芯取樣法的標定點，相對誤差為0.0%，1～5號芯樣的相對誤差范圍為0.0～11.7%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為10.4～11.2cm，相對誤差為1.8～9.6%。

（2）路段二：本路段共取6個檢測樣本，芯樣號為6～11號，實測芯樣厚度范圍為10.0～10.9cm，其中芯樣6號實測厚度為10.2cm，為鉆芯取樣法的標定點，相對誤差為0.0%，6～11號芯樣的相對誤差范圍為0.0～6.0%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為10.0～11.0cm，相對誤差為0.9～5.8%。

（3）路段三：本路段共取6個檢測樣本，芯樣號為12～17號，實測芯樣厚度范圍為18.6～27.2cm，其中芯樣12號實測厚度為23.1cm，為鉆芯取樣法的標定點，相對誤差為0.0%，1217號芯樣的相對誤差范圍為0.0～21.5%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為22.3～29.6cm，相對誤差為2.6%～19.9%。

由此可見，路段一內(nèi)，瀝青面層實測厚度約10cm，兩種檢測方法中，變異性較小。路段三內(nèi)，水泥混凝土面層厚度在18.6～27.2cm之間，存在較大差異性。路段二屬于“白+黑”改造路段的驗收階段，在鉆芯取樣法應用中，相比路段一、路段三，其面層厚度計算誤差明顯小很多，究其原因，此方法主要選擇單點介電常數(shù)進行分析，對路段的均勻性具有較強依賴性。因此，當路段各層材料較為均勻的情況下，檢測精度較高。若路段存有病害或路用性能下降，因為不同位置的同層材料性能不同，取樣點的介電常數(shù)無法真賣反映其他點位的特性，這種情況下，將大大增加檢測誤差率，甚至誤差在2仔外以上。而反射系數(shù)法的應用，在三個不同路段檢測計算當中同樣存在誤差，其中誤差最大的為路段三，基本達到20%左右。其根本原因在于采用此方法進行推定計算中，假設電磁波在層內(nèi)傳播時無能量損耗現(xiàn)象，也就是說。為道路材料電導率，但現(xiàn)實當中，道路材料根本達不到這一條件，因此，必須做進一步修正。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，并對17組數(shù)據(jù)點進行擬合繪制曲線圖。通過與實測值進行對比分析，可知鉆芯取樣法和反射系數(shù)法均和實測值之間具有良好的相關性，其中鉆芯取樣法的相關系數(shù)R²為0.92，反射系數(shù)法的相關系數(shù)R為0.93。相比實測值，基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩種探地雷達方法計算值均具有更大趨勢，為此，在后期研究中需采用更多有效樣本對該趨勢的正確性進行驗證與評價。

（三）兩種方法顯著性分析

圖1為基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩種探地雷達法計算所得面層厚度值擬合效果圖。其中，0.94為相關系數(shù)R時，擬合程度更高，由此說明兩種方法之間的相關性較好。

通過F對該擬合效果進行檢驗，按照四舍五入的原理，F(xiàn)值最終計算所得為103.90對于服從自由度為（1，12）的F分布，在給定的顯著性水平0.01下，由表3可知，9.33為F（1，12）所得值，由此可見，F(xiàn)>F（1，12），說明兩種檢測方法之間存在顯著的線性關系。為此，在路面面層厚度檢測中，采用探地雷達法時，鉆芯取樣法可采用反射系數(shù)法代替，這樣可以克服鉆芯取樣法破壞路面結構的缺陷，能夠通過反射系數(shù)法真正賣現(xiàn)無損、便捷、高效地檢測。

四、結束語

綜上所述，公路工程質(zhì)量檢測中，結構層厚度測試是探地雷達檢測的重點任務。每個結構層的厚度與公路整體強度息息相關，特別是面層厚度。路面結構層設計當中，無論是剛性路面，或半剛性路面，均要確定面層或基層等各個結構層次的厚度。一般來講，路面厚度檢測多采用鉆芯法，但這種方法一定程度上會破壞路面結構，檢測完后需做及時修補，加之檢測結果隨機性大、效率低等情況，無法有效評估公路路面厚度?；诜瓷湎禂?shù)法的探地雷達是一種無損檢測技術，在道路結構層厚度及病害檢測中應用較為廣泛，其特點為無損、高效、迅速等，可有效提高檢測精度。

參考文獻：

[1]田磊.探地雷達在地下管線探測中的應用研究[J].測繪科學技術，2014，2（04）：56-60.