地質雷達法測試水泥混凝土路面面層厚度的探討

周文淵 李 博

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004)

1 概述

水泥混凝土路面具有較高的力學強度，但其彎拉強度遠小于抗壓強度，為使水泥混凝土路面板能夠在車輛荷載多次重復作用下而不發(fā)生破壞，要求混凝土板必須有足夠的厚度[1]。

因此，JTG F80/1—2017公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程里把水泥混凝土面層厚度檢測作為關鍵的檢查項目。CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工與質量驗收規(guī)范把水泥混凝土面層厚度作為質量檢驗的主控項目?？梢姡炷谅访鎸雍穸仍谑┕べ|量評定時的重要性。

鉆芯法是最常用的水泥混凝土道路路面結構層厚度測試方法。優(yōu)點是能夠取出混凝土板的完整芯樣，檢測結果直觀、準確、爭議性小。但鉆芯法測試水泥混凝土路面層厚度也有局限性。首先，鉆芯法只能用于測點的隨機抽樣檢測，不能對路面進行全覆蓋或大批量的測試。其次，鉆芯法對混凝土路面造成一定程度的損壞，破壞路面的完整性。而且開展鉆芯法工作時需要的設備復雜，取樣效率低，且有一定的危險性。

隨著我國測試技術的發(fā)展，地質雷達法作為一種無損檢測技術有了更廣泛的應用。地質雷達具有分辨率高、效率高、易于操作、實時圖像顯示等優(yōu)點。

本文采用地質雷達法對某工程水泥混凝土面層厚度進行了測試，并與鉆芯法的結果進行對比，探討了地質雷達法測試水泥混凝土路面層厚度的適用性。

2 地質雷達儀器與原理

2.1 地質雷達儀器

主機為美國勞雷公司生產的GSSI SIR20型地質雷達儀，選配中心頻率為1 500 MHz的探測天線，使其在滿足探測深度的前提下具有最大的分辨率。

2.2 地質雷達測試原理

地質雷達是根據(jù)電磁波在不同介質中傳播特性不同的原理進行工作的。

地質雷達通過發(fā)射天線(T)發(fā)出的具有一定頻率的電磁波，電磁脈沖向目標體傳播，當目標體存在差異時，會產生電性差異，進而導致存在差異的界面發(fā)生反射，反射波被雷達接收天線(R)接收并被儀器記錄下來。探測原理見圖1。

反射脈沖總是滯后于發(fā)射脈沖一段時間，這個時間是電磁脈沖通過穿透介質的速度和目標體埋藏深度的函數(shù)，即下式：

t=2z/v。

其中，t為電磁波的雙程走時，ns，1 ns=10-9s；z為目標體的埋藏深度，m；v為電磁波在穿透介質中的傳播速度，m/ns。

測試系統(tǒng)把發(fā)射的電磁脈沖信號以時間和振幅的函數(shù)記錄下來，稱之為一次掃描。當收發(fā)天線沿地面移動時，記錄地面不同位置上的多次掃描，得到時間域脈沖信號的剖面，構成地質雷達記錄。

不同的介質一般具有不同的介電常數(shù)，電磁波在不同介電常數(shù)的界面會產生反射，通過對反射波的振幅及相位等波形特征進行研究，即可對地下目標體的性狀作出一定程度的判別。

3 地質雷達測試方法應用

3.1 測試方法

地質雷達測試系統(tǒng)一般由主機、天線、數(shù)據(jù)線、計算機、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件等組成。測試工作時，拖動天線沿布置好的測線，連續(xù)移動。地質雷達儀的天線一般是收發(fā)一體的天線。發(fā)射天線向路面發(fā)射一定主頻的電磁波，電磁波在路面介質中傳播，遇到不同介質會產生波的反射。反射波被接受天線接收，通過數(shù)據(jù)線傳回數(shù)據(jù)采集軟件并被記錄。

測試時，沿測線以一定的速度移動天線，連續(xù)采集測試數(shù)據(jù)，經數(shù)據(jù)后處理軟件，即可獲得該測線沿探測深度的一個剖面圖。

3.2 儀器參數(shù)設置

被測試路段的水泥混凝土面層設計厚度為20.0 cm，其下為水泥穩(wěn)定土基層。

根據(jù)混凝土面層的厚度，設定測試參數(shù)。測試系統(tǒng)的主要參數(shù)設置為：增益為5點線性增益，時窗長度為8 ns，有效探測深度約40 cm。主頻1 500 MHz，高頻截止頻率3 000 MHz，低頻截止頻率為500 MHz。

3.3 測線布置

測線沿道路走向布置在混凝土板的中間位置。并在測線旁邊放置皮尺，記錄距離位置。

共布置3條測線，每條測線長20 m。具體測線編號與樁號信息如下：

1號測線：樁號0+100～0+120；

2號測線：樁號0+200～0+220；

3號測線：樁號0+300～0+320。

測試時，把收發(fā)天線沿測線路面移動，連續(xù)掃描。

3.4 測試結果

3條測線測試結果經該雷達圖像經濾波、反褶積、零點校正、增益調整、遷移等數(shù)據(jù)處理后的雷達圖像見圖2～圖4，每幅圖像長度為20 m，橫軸為水平距離(樁號)，每1 m打一個標記，縱軸為深度，單位為m。

用橫向白色虛線把設計厚度、分界面線分別在圖上標記出來，方便查看。通過交界面的深度可以計算出該處混凝土路面層的厚度。

從測試結果的雷達圖像可以看出，水泥混凝土路面面層與水泥穩(wěn)定土基層具有明顯的交界面。說明選擇合適的天線和參數(shù)設置，地質雷達法的分辨率是能夠滿足測試水泥混凝土路面層厚度的要求的。

3.5 地質雷達法與鉆芯法的對比

鉆芯法按照JTG 3450—2019公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程中的“T003—2019鉆芯和切割取樣方法”章節(jié)要求操作。

通過分析各測線的雷達圖像，鉆芯取樣位置選擇在交界面波動較大，混凝土路面層厚度與設計偏離較大，容易產生爭議的地方，各對比驗證取樣位置見圖2～圖4。

各對比驗證點的鉆芯法測試結果與地質雷達法測試結果見表1。

分析表1的數(shù)據(jù)可知，地質雷達法測試的混凝土面層厚度與鉆芯法測試結果相差不大，鉆芯法測試結果稍小于地質雷達法?？赡苁怯捎阢@取芯樣時，不能完整取出水泥穩(wěn)定土基層與混凝土面層交界面處的混凝土。從一定角度上來講，地質雷達法測試更確切的反映了混凝土面層的實際厚度。

表1 地質雷達法與鉆芯法測試結果匯總表

4 結語

本文通過開展地質雷達法對水泥混凝土路面面層厚度進行了測試，并與鉆芯法測試結果進行了對比，通過分析可知：

地質雷達法分辨率能夠滿足測試水泥混凝土路面層厚度的要求，且測試結果與鉆芯法測試結果相差不大。

相比于鉆芯法，地質雷達法更方便、快捷，自動化程度更高，提高了工作效率，能完成對道路全段進行不間斷的測試，而且測試結果直觀。

對地質雷達法探測有爭議的部位，可配合鉆芯法進行驗證，更客觀、真實的反映出測試結果。