公路路基路面無損檢測技術(shù)研究

張爾明

(山西路橋集團試驗檢測中心有限公司，山西 太原 030000)

公路路基路面施工完成后，需對其進行檢測，為避免對完工的路基路面造成破壞，應(yīng)優(yōu)先考慮無損檢測。在公路工程領(lǐng)域，探地雷達憑借各方面優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，成為路基路面無損檢測最常用也是最有效的方法。

1 工程概況

某高速公路C標段處在山嶺重丘區(qū)當中，存在很多陡坡和連續(xù)轉(zhuǎn)彎。近幾年，伴隨交通量不斷增加，特別是上坡段行車速度較為緩慢，而下坡段車輛剎車容易失控，導(dǎo)致事故發(fā)生率大幅上升，對道路的通行能力與行車安全都造成了很大影響。對此，專門為該標段設(shè)置了爬坡車道與避險車道。根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，爬坡車道路面結(jié)構(gòu)由上到下依次為：面層采用AC-16C中粒式改性瀝青混凝土，厚度為5 cm；封層采用同步碎石封層；再生層采用瀝青冷再生料，厚度為28 cm；基層采用4.5%水穩(wěn)碎石，厚度為20 cm；底基層采用3.5%水穩(wěn)碎石，厚度為20 cm；路床采用砂礫石，厚度為80 cm。因公路路面采用的是層狀結(jié)構(gòu)，路面上不同材料在介電性方面有很大差異，在這種情況下，對路基路面進行檢測時，可采用探地雷達。在正常情況下，基層結(jié)構(gòu)雷達異常圖像，其同相軸或者是色譜圖一般呈近似水平線進行展布，不同結(jié)構(gòu)層的信號強度大體相同，在圖像上沒有明顯的變化；但基層中不同界面卻有明顯負峰，其同相軸或者是色譜線條表現(xiàn)為平緩和近水平的狀態(tài)，以在地面接收的反射脈沖為依據(jù)，結(jié)合其反射時間與速度，能通過計算確定不同結(jié)構(gòu)層的厚度?，F(xiàn)圍繞該高速公路標段實際情況，對其路基路面的無損檢測做如下深入分析。

2 檢測技術(shù)概述

探地雷達系統(tǒng)主要由以下五個部分構(gòu)成：其一，主機，即主控單元；其二，發(fā)射裝置；其三，發(fā)射天線；其四，接收裝置；其五，接收天線，在此基礎(chǔ)上還可配備定位裝置、電源和手推車。在以上幾個組成部分當中，發(fā)射與接收天線往往成對出現(xiàn)，其作用在于向地下持續(xù)發(fā)射雷達波，并接收完成反射后的雷達波。系統(tǒng)的主機實際上是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負責(zé)向發(fā)射裝置發(fā)送與接收各類控制命令，如開始和終止的時間、頻率、重復(fù)次數(shù)。發(fā)生裝置以主機發(fā)出的控制命令為依據(jù)向測區(qū)地下連續(xù)發(fā)射雷達波，并由接收裝置以控制命令為依據(jù)對數(shù)據(jù)信息進行采集，之后通過采樣與轉(zhuǎn)換，使反射信號變?yōu)閿?shù)字信號，對其進行保存與顯示。

隨著公路工程無損檢測需求不斷擴大和探地雷達技術(shù)不斷發(fā)展，產(chǎn)生了很多不同類型的系統(tǒng)，目前在國際上有較大影響力的是由GSSI公式研發(fā)生產(chǎn)的SIR系列探地雷達。從當前的發(fā)展趨勢看，該系統(tǒng)主要具有下列特點。

(1)功能專業(yè)，可針對不同對象與目標來設(shè)計，有效解決某個方面存在的具體問題；

(2)小型化，借助DSP與液晶顯示面板可以有效減小設(shè)備體積與重量，為攜帶與野外作業(yè)提供方便。比如由GSSI公司研制生產(chǎn)的SIR-3000系列探地雷達以及由SSI公司研制生產(chǎn)的Noggin系列探地雷達，其主機已經(jīng)十分輕便，僅采用單人即可實現(xiàn)走動測量；

(3)功能與通道越來越多，通過對多道及多陣列天線陸續(xù)開發(fā)及使用，可實現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)的采集，以此提供更為豐富、真實和準確的地下信息。

3 數(shù)據(jù)采集和圖像處理

以工程現(xiàn)場實際情況為依據(jù)，對該標段中的某個爬坡車道采用探地雷達實施路基路面無損檢測，該段長度為1 370 m，在車道的中線進行測線的布置。探地雷達型號為TerraSIRch SIR-3000型，由GSSI公司生產(chǎn)，并配備地面耦合天線，其頻率采用400 mHz，采用測距模式，按照3 m的間隔距離打標，每50 ns記錄一次，總采樣點數(shù)量為512個，介電常數(shù)取4.0。

數(shù)據(jù)處理由RADAN完成，將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)出之后，需完成以下各方面處理環(huán)節(jié)：(1)水平刻度調(diào)整；(2)疊加、抽道和加密；(3)反射波信號具體位置的確定；(4)信號延時信息調(diào)整；(5)介電常數(shù)的設(shè)置與修改；(6)信號振幅增益調(diào)整；(7)水平相關(guān)分析；(8)雪花噪聲干擾的去除；(9)水平疊加；(10)背景去除與濾波。完成以上處理后，方可輸出成圖，同時要對成果予以解釋。

4 結(jié)果與分析

雷達檢測會受到材料自身性質(zhì)存在的差異與磁場環(huán)境等因素的干擾和影響。對于雷達波而言，它屬于高頻電磁波，容易受到同一空間內(nèi)其它類型電磁波的影響，對此，在實際檢測過程中需盡可能減小或避免電磁對波形造成的影響；公路路面是一個各向保持同性且均勻的水平層介質(zhì)，通過鉆孔標定可以反推出不同介質(zhì)對應(yīng)的電磁波速，所得結(jié)果的誤差一般不超過3%～8%。路面材料自身含水量對其介電常數(shù)有很大的影響，這是因為水的介電常數(shù)可以達到80，而面層材料介電常數(shù)只有4～6，降雨后或路段較為潮濕時，將對最后的計算精度造成很大影響。因此，在現(xiàn)場檢測過程中應(yīng)注意在晴朗的天氣條件下進行，且路段不能潮濕，盡可能保持干燥。

通過鉆孔標定可得測區(qū)內(nèi)面層與再生層總厚為35.7 cm，根據(jù)雷達圖像，該部位反射波對應(yīng)的雙程走時為11.9 ns，通過計算可以確定面層與再生層中電磁波速等于0.06 m/ns。結(jié)合施工單位提供的相關(guān)資料，該段公路的基層和底基層均采用水泥穩(wěn)定碎石，其電磁波速的經(jīng)驗值為0.08 m/ns，由此通過計算可以得出以下結(jié)果：

(1)面層+再生層厚度：最大、最小值分別為0.387 m和0.280 m，平均值為0.337 m，標準差為0.067 m；

(2)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度：最大、最小值分別為0.582 m和0.427 m，平均值為0.534 m，標準差為0.019 m；

(3)水泥穩(wěn)定碎石底基層厚度：最大、最小值分別為0.835 m和0.611 m，平均值為0.730 m，標準差為0.032 m。

在此基礎(chǔ)上，通過交互式解釋能得出具體的檢測圖像、對比圖像和曲線圖。根據(jù)以上檢測結(jié)果可知，每個結(jié)構(gòu)層的平均檢測結(jié)果都和相關(guān)設(shè)計要求相符，標準差的最大值不超過0.067 m，然而水泥穩(wěn)定碎石底基層的檢測結(jié)果沒有滿足設(shè)計要求。考慮到鉆孔會對路面結(jié)構(gòu)造成破壞，故在此次檢測過程中僅鉆取一個芯樣，以此對探地雷達對應(yīng)的檢測結(jié)果進行標定。在這種實際情況下，探地雷達實際檢測結(jié)果的精度將存在一定程度的誤差。

5 結(jié) 語

綜上所述，探地雷達技術(shù)在路基路面的無損檢測過程中應(yīng)用合理可行，可真實反映出路基路面結(jié)構(gòu)層厚度，為質(zhì)量檢驗與評價等工作提供可靠參考借鑒。然而，由于探地雷達檢測難免受到天氣與磁場等因素的影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果精度變差，所以在實際的檢測與分析過程中，還應(yīng)借助其它處理與分析軟件。目前，該工程路基路面無損檢測工作順利完成，所得檢測結(jié)果真實可靠，說明檢測中使用的方法合理可行，可為類似工程提供參考借鑒。