淺談短脈沖雷達(dá)檢測技術(shù)在現(xiàn)代公路路面檢測中的應(yīng)用

王佳賓

道路橋梁 Roads and Bridges

淺談短脈沖雷達(dá)檢測技術(shù)在現(xiàn)代公路路面檢測中的應(yīng)用

王佳賓

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 230054）

本文在簡述地質(zhì)雷達(dá)基本原理和工作方法的基礎(chǔ)上，將探地雷達(dá)的道路厚度檢測技術(shù)與常規(guī)的鉆孔取芯方法進(jìn)行對(duì)比,并根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果,說明探地雷達(dá)在公路厚度結(jié)構(gòu)檢測方面有廣闊應(yīng)用前景。

短脈沖雷達(dá)；鉆孔取芯；厚度檢測

在現(xiàn)代路面工程施工中，每個(gè)路面層次的厚度和道路的整體強(qiáng)度有著密不可分的關(guān)系。在路基路面設(shè)計(jì)中，不管面層選用剛性路面，還是柔性路面，最終要決定路面整體強(qiáng)度的都是各個(gè)層次的厚度，因此只有在保證道路每層厚度的情況下，才能讓路面的各個(gè)層次及整體的強(qiáng)度得到保證。在之前道路路面層厚度一直沿用傳統(tǒng)的檢測方法——鉆孔取芯法，它是通過公路試驗(yàn)規(guī)程隨機(jī)選點(diǎn)的方法，鉆孔、取樣，測得路面層厚度，然后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到最終試驗(yàn)結(jié)果。這種方法雖然相對(duì)直觀，但是在一定程度上破壞了路面結(jié)構(gòu)層，造成路面的局部強(qiáng)度、防水出現(xiàn)破壞。另外，由于測點(diǎn)選擇是隨機(jī)的、稀疏的，使得檢測結(jié)果缺乏代表性，不能夠說明道路厚度的實(shí)際情況。路面雷達(dá)測試系統(tǒng)則是一種非接觸式、非破損的路面厚度無損檢測技術(shù)，它不僅適用于水泥混凝土路面、瀝青路面隔層厚度、路面總厚度測試、探測路面下的空洞、路面下的相對(duì)高濕度區(qū)域檢測，以及路面下破損狀況檢測等等。

隨著科技水平的發(fā)展，越來越多的無損檢測技術(shù)應(yīng)用在公路工程的檢測中，他可以在不破壞待測物質(zhì)的原有狀態(tài)的前提下，來獲取與待測物品質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容、性質(zhì)等信息，而雷達(dá)監(jiān)測路面厚度的方法就是其中較為成熟的技術(shù)，也將更多的應(yīng)用于現(xiàn)代道路工程現(xiàn)場檢測中。

1 雷達(dá)檢測車的基本原理與工作方法

SIR-20型地質(zhì)探測雷達(dá)儀是車輛以一定速度在待測路面上行駛，路面探測雷達(dá)儀向路面發(fā)射出電磁脈沖，電磁脈沖在短時(shí)間內(nèi)穿過被檢測的路面，產(chǎn)生的脈沖反射波被無線接收機(jī)接收，儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則記錄電磁脈沖的返回時(shí)長和待測路面結(jié)構(gòu)中的出現(xiàn)的不連續(xù)電介質(zhì)常數(shù)等突變情況。由于路面各結(jié)構(gòu)層材料的電介質(zhì)常數(shù)因?yàn)榻M成材質(zhì)明顯不同，因而材料的電介質(zhì)常數(shù)出現(xiàn)突變的地方，就是兩不同結(jié)構(gòu)層的界面。根據(jù)測定所知的各種路面材料的電介質(zhì)常數(shù)、波速，通過計(jì)算，可以得到路面各結(jié)構(gòu)層的厚度、給出待測路段結(jié)構(gòu)層的含水量、出現(xiàn)損壞的位置等資料。人們將雷達(dá)波脈沖持續(xù)時(shí)間在毫秒級(jí)以下的脈沖波成為——短脈沖，這類波型在實(shí)際檢測過程中，具有抗干擾能力強(qiáng)、距離分辨力高、強(qiáng)雜波背景下目標(biāo)檢測能力強(qiáng)、信號(hào)處理(DSP)方式相對(duì)簡化等優(yōu)勢，因此可以較好地適應(yīng)各種公路檢測中的復(fù)雜環(huán)境。

2 雷達(dá)檢測車在S105公路路面厚度檢測中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 檢測路段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

要求檢測的S105合肥至巢湖段為安徽省省道的改建項(xiàng)目，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為瀝青砼路面，路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為后軸載BZZ-100KN，該路段的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是由水穩(wěn)層（水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層）和瀝青面層組成，總厚度為72cm，其中水穩(wěn)層厚度為56cm；瀝青層總厚度為16cm，由上到下分別為AC-13改性瀝青面層（厚4cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）。

2.2 雷達(dá)天線及參數(shù)選擇

在本次檢測中，由于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精度要求比較高，因此選擇使用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)探測雷達(dá)系統(tǒng)的4105NR型高頻空氣耦合天線。4105NR型號(hào)地質(zhì)雷達(dá)天線用于高速和高分辨率測量路面厚度測量和橋梁板分析。天線設(shè)計(jì)能滿足車載式高分辨率測量的需求；高速測量的同時(shí)而不會(huì)損害或者磨損天線。而且，GSSI公司的RADAN后處理軟件能夠把地面反射波和直達(dá)波分開，因此能夠準(zhǔn)確測量路面厚度。

瀝青路面的最小厚度多為40mm，因此這里規(guī)定最小分辨層厚為不超過40mm。雷達(dá)垂直分辨率理論值為雷達(dá)波波長的一半，即A/2，這同時(shí)也對(duì)天線主頻提出了要求。例如，雷達(dá)波在道路面層材料中的傳播速率為10cm/ns，那么為了能夠更好的分清層厚40mm，設(shè)置天線主頻就要大于1. 25GHz。但要說明的是，天線主頻不是越大越好，天線頻率與可探測深度是成反比的，為了探測較大的面層厚度，在誤差允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低天線頻率：電子產(chǎn)品一般都需要進(jìn)行通電穩(wěn)定，雷達(dá)設(shè)備也不例外。在正式開始檢測之前，應(yīng)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行充分預(yù)熱和必要的參數(shù)設(shè)置（如設(shè)置采樣間隔、時(shí)間窗、增益等），防止因預(yù)熱不充分產(chǎn)生零漂移現(xiàn)象。

2.3 雷達(dá)檢測工作過程、數(shù)據(jù)處理及檢測結(jié)果

在路面厚度檢測過程中，SIR-20型地質(zhì)探測雷達(dá)儀向路面下發(fā)出的超高頻電磁波，遇到瀝青層底界面和水穩(wěn)層底界面就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反射，反射波被天線接收送入接收器，并傳入主機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理【1】，主機(jī)對(duì)反射波進(jìn)行放大、濾波、數(shù)字疊加等處理后的，就會(huì)在顯示器上顯示出類似于地震反射時(shí)間剖面的雷達(dá)連續(xù)探測彩色剖面，圖1即是本次檢查路段的厚度探測結(jié)果的一段原始彩色雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面。

由于路面層以下各層的材料介質(zhì)均具有不同的介電常數(shù)，因而造成各種材料介質(zhì)具有不同的電導(dǎo)性，而這種電導(dǎo)性的差異，則會(huì)影響電磁波在材料層之間的傳播速度。在檢測過程中，一般采用下式來計(jì)算電磁波在不同材料介質(zhì)中的傳播速度：

根據(jù)測定電磁波在不同材料介質(zhì)中的雙程走時(shí)長以及材料介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，可以采用下式計(jì)算，來確定各面層的厚度。

式中： T 代表材料介質(zhì)厚度，mm；

圖1 雷達(dá)檢測路段數(shù)據(jù)剖面

經(jīng)過實(shí)際測點(diǎn)開挖后驗(yàn)證，通過厚度數(shù)據(jù)分析技術(shù)測得的路面厚度值，與實(shí)際路面測定厚度結(jié)果情況非常吻合，證明，通過短脈沖雷達(dá)檢測可以準(zhǔn)確的測得道路格結(jié)構(gòu)層的實(shí)際厚度值。

3 結(jié)語

短脈沖雷達(dá)是目前公路行業(yè)路面厚度無損檢測應(yīng)用最廣泛一種檢測方法，它具有測值精度高、工作穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。用于檢測路面厚度的雷達(dá)天線頻率一般設(shè)置在1.0GHz以上。這樣就可以滿足測試過程中準(zhǔn)確度和垂直分辨率的要求。

短脈沖雷達(dá)檢測可以適用于新、改建路面工程質(zhì)量驗(yàn)收和舊路加鋪路面設(shè)計(jì)的厚度調(diào)查。改建路面工程中的檢測需要注意一些問題。如果遇到重新鋪筑的瀝青路面，由于新鋪筑的面層與原有基層材料的差異較大，層面分界信號(hào)會(huì)非常清晰，這樣的路面類型比較適合使用雷達(dá)測試路面厚度；如果是在原有的瀝青面層上加鋪新的面層材料，那就需要在施工路段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，通過檢測新舊瀝青面層材料的介電常數(shù)的差異性，如果新舊面層之間的差異性過小，將難以區(qū)分清新舊面層之間的位置，這種情況下就不適合用此雷達(dá)法測試加鋪路面厚度。

雷達(dá)發(fā)射的電磁波在道路面層傳播過程中會(huì)逐漸衰減。雷達(dá)最大探測深度是由雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)以及路面材料的電磁屬性決定的。對(duì)于材料過度潮濕或飽水以及有高含鐵量的礦渣集料的路面不適合用本方法測試。雷達(dá)波受環(huán)境條件的影響

表1 設(shè)置測量參數(shù)

以下表格增加在 2.2雷達(dá)天線及參數(shù)選擇 這部分中

[1]鄧春為.金開大道地質(zhì)雷達(dá)檢測[R].煤炭科學(xué)研究總院重慶分院檢測報(bào)告，2003雷達(dá)字第005號(hào)3-21

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