三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測中的應(yīng)用

祝爭艷 蔡文龍 張浩浩

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211112； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211086)

近年來，隨著交通量的不斷增大，在交通荷載、環(huán)境等因素的反復(fù)作用下，高速公路路面裂縫病害逐漸增多，使用年限較長的高速公路，其裂縫病害呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。裂縫病害不僅會影響高速公路的路用性能和行車舒適度，而且隨著路表積水沿裂縫下浸，半剛性基層會被侵蝕，使基層喪失承載力與穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)卿漿、脫空等次生病害；同時在車輛荷載和溫度應(yīng)力影響下，會使裂縫向四周擴(kuò)散，縮短路面使用壽命[1]。因此，高速公路路面裂縫病害的探測與防范治理工作已經(jīng)刻不容緩。探地雷達(dá)作為一種無損的探測技術(shù)，具有較高的探測精度和分辨率，對道路裂縫的探測具有較好的效果，能夠為裂縫處治方案提供必要的資料，防范裂縫引發(fā)更嚴(yán)重的次生病害，延長路面使用壽命。三維探地雷達(dá)相比于二維探地雷達(dá)，具有覆蓋面積廣，裂縫形態(tài)判斷準(zhǔn)確等優(yōu)點，在道路裂縫精細(xì)化檢測中三維探地雷達(dá)能夠取得較好的效果。

1 探地雷達(dá)工作原理及特點

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Randa,GPR)是一種使用高頻無線電磁波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的探測方法。探地雷達(dá)不同的天線具有不同的頻率范圍，頻率范圍決定天線的探測深度和分辨率。探地雷達(dá)采用較低頻率和較窄帶寬電磁波天線進(jìn)行探測時，其探測深度較大，分辨率較低；反之，探地雷達(dá)采用較高頻率和帶寬頻率范圍電磁波天線進(jìn)行探測，其探測深度淺，但分辨率較高[2-4]。

探地雷達(dá)向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播的過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的地下介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生反射，反射回上方的電磁波被接收天線所接收，通過對接收的雷達(dá)回波信號進(jìn)行分析處理，分析其特征，可以得到路面各層的厚度、密實度及缺陷等[3,4]，如圖1所示。

探地雷達(dá)方法在道路裂縫病害檢測方面具有快速、無損、高精度、連續(xù)、高分辨率等特點。在探地雷達(dá)的檢測中，相對介電常數(shù)是反映地下介質(zhì)電性的重要參數(shù)，不同介電常數(shù)的兩種介質(zhì)交界面會引起電磁波的反射。道路中的工程介質(zhì)是具有一定電阻率的電介質(zhì)，大多是介電常數(shù)小、電阻率大的介質(zhì)，探地雷達(dá)在此類介質(zhì)中進(jìn)行探測時的效果較為理想。在對高速公路進(jìn)行檢測時，車載式雷達(dá)能夠在不封閉交通的情況下以80 km/s的速度對道路進(jìn)行檢測，檢測過程中的雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面實時傳輸，能夠直觀地顯示道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況，保證了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可靠性。而且探地雷達(dá)的抗干擾能力較強(qiáng)，不受機(jī)械振動干擾的影響，對于工業(yè)電的電磁信號抗干擾能力較好。

2 三維探地雷達(dá)技術(shù)

三維探地雷達(dá)是一種新型的無損探測設(shè)備，其工作原理是通過發(fā)射天線向路面結(jié)構(gòu)發(fā)射穿透性的高頻電磁波，由配對的接收天線進(jìn)行定向發(fā)射信號接收，再通過雷達(dá)主機(jī)的數(shù)據(jù)處理與分析，最后在電腦中重建三維性質(zhì)的路面結(jié)構(gòu)檢測信息。相比于二維探地雷達(dá)，三維探地雷達(dá)陣列天線能夠采集海量無縫拼接的雷達(dá)數(shù)據(jù)，不會造成地下信息的缺失，而且在采集過程中，能夠使用GPS進(jìn)行高精度定位，為后期的數(shù)據(jù)解釋提供位置信息。三維陣列天線實現(xiàn)了真三維采集，使得地下目標(biāo)體成像清晰、準(zhǔn)確，可對地下目標(biāo)體進(jìn)行任意深度水平切片展示[5,6]。

在數(shù)據(jù)采集方面，三維探地雷達(dá)天線系統(tǒng)采用發(fā)射天線和接收天線獨立分開，等距離交錯排列的方式，一個接收天線接收相鄰兩個發(fā)射天線發(fā)射的電磁波(如圖2所示)，實現(xiàn)了剖面間距接近電磁波主頻1/4波長的理想狀態(tài)。相比于將多個獨立的二維天線并在一起工作，得到多個合成的二維雷達(dá)剖面的多通道雷達(dá)系統(tǒng)，三維雷達(dá)系統(tǒng)可實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)體的無縫鏈接，成果為一個完整的三維數(shù)據(jù)體，可對任意深度的水平切片進(jìn)行展示。

不同的探地雷達(dá)采用的信號是多種多樣的，道路工程一般采用寬頻信號源來進(jìn)行探地雷達(dá)檢測。頻率域中的寬頻信號在時間域中表現(xiàn)為脈沖形狀的窄波。這樣做的目的是為了在不同的層界面得到清晰的反射脈沖，從而獲得反射的時間點，以便計算層間距離。而要產(chǎn)生寬頻信號有兩種方法，一種是在時間域中直接發(fā)射脈沖波，另一種是在頻率域中發(fā)射步進(jìn)式頻率信號[7]。本文采用的三維探地雷達(dá)系統(tǒng)是由挪威3D-Radar公司生產(chǎn)的21通道地面耦合式探地雷達(dá)系統(tǒng)，其主要由GEOSCOPETMMK IV雷達(dá)主機(jī)、DXG1820地面耦合天線組成。GEOSCOPETMMK IV雷達(dá)主機(jī)采用頻率步進(jìn)技術(shù)，其工作頻率以階梯方式步進(jìn)，工作頻率范圍可達(dá)50 MHz～3 050 MHz，其頻率步進(jìn)脈沖見圖3。由于采用頻率步進(jìn)技術(shù)，雷達(dá)掃描可實現(xiàn)低頻率與高頻率同時進(jìn)行掃描檢測的功能，對于淺層目標(biāo)可實現(xiàn)高分辨率的雷達(dá)圖像成圖，對于深層目標(biāo)可實現(xiàn)準(zhǔn)確探測，一次檢測即可獲取全頻率數(shù)據(jù)。同時頻率步進(jìn)技術(shù)可以根據(jù)檢測目的不同，可選擇不同范圍的頻率從而實現(xiàn)更高速的檢測。在后期數(shù)據(jù)處理與重現(xiàn)過程中，可使用不同頻率的加權(quán)對數(shù)據(jù)重新處理，以便突出感興趣的特征。由于頻率步進(jìn)信號是低峰值功率信號，能有效減少其他無線電波對其的干擾。

3 裂縫形態(tài)檢測

圖4為潤揚大橋高速所測裂縫，路表裂縫為三車道貫穿，硬路肩未出現(xiàn)裂縫；3D雷達(dá)深度切片圖像中，面層的裂縫僅發(fā)展在第三車道，硬路肩未出現(xiàn)，這與路表裂縫貫穿程度一致，上基層裂縫貫穿三車道的左半側(cè)，而三車道右側(cè)在三維探地雷達(dá)切片中無法看到裂縫的圖像，而在下基層處，可看到裂縫貫穿了三車道及硬路肩。在三車道左輪跡帶取芯的芯樣中可以看到，裂縫貫穿了面層與基層，而在三車道中間取得芯樣中，裂縫僅在未完全貫穿面層。三維探地雷達(dá)檢測結(jié)果與取芯結(jié)果一致。

圖5為寧杭高速所測裂縫，路表裂縫為三車道貫穿，但硬路肩未出現(xiàn)裂縫；三維探地雷達(dá)深度切片圖像中面層的裂縫僅發(fā)展在第三車道，硬路肩未出現(xiàn)，這與路表裂縫貫穿程度一致；上、下基層均存在裂縫，且已貫穿第三車道及硬路肩。而在取芯圖中可以看出，芯樣在面層和基層均出現(xiàn)裂縫，在基層中裂縫由上向下其寬度變大，且芯樣在下基層底部出現(xiàn)松散病害，三維探地雷達(dá)檢測結(jié)果與取芯結(jié)果一致。

4 裂縫寬度定量化識別

垂直裂縫的反射波在雷達(dá)圖像同相軸上呈現(xiàn)拋物線的圖像特征，由此可判斷裂縫的空間位置，但無法依此判斷裂縫的寬度。探地雷達(dá)是根據(jù)地下介質(zhì)的電性差異進(jìn)行探測的，在介電常數(shù)不同的介質(zhì)中，電磁波的振幅會發(fā)生變化，因此可以根據(jù)探地雷達(dá)回波信號的振幅差異來對裂縫的寬度進(jìn)行判斷。本節(jié)針對裂縫病害，建立不同寬度裂縫的數(shù)學(xué)模型，采用時域有限差分法對裂縫寬度進(jìn)行數(shù)值模擬，對雷達(dá)回波信號進(jìn)行分析，建立裂縫寬度與雷達(dá)振幅之間的關(guān)系，為裂縫寬度的定量化識別進(jìn)行研究。

4.1 數(shù)值模擬

路面結(jié)構(gòu)組成采用面層與半剛性基層的組合結(jié)構(gòu)，上、中、下面層考慮到材料接近因此設(shè)置為單層18 cm，基層厚度設(shè)置為18 cm；天線頻率選擇為1 000 MHz。各層材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)一覽表

表1中面層與基層介電常數(shù)為通過現(xiàn)場實際測量厚度反算得到的介電常數(shù)，裂縫處介電常數(shù)為空氣介電常數(shù)。

ε=(c/v)2。

v=2×(h/t)。

其中，c為光速，3×108m/s；v為波速，m/ns；h為芯樣厚度，面層芯樣為17.9 cm，基層芯樣為17.3 cm；t為測試時間，面層測試時間為2.3 ns，基層測試時間為4.5 ns。

通常情況下導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率均為1 H/m；由于面層與基層導(dǎo)電率極低，因此電導(dǎo)率設(shè)置為0.000 1 S/m，而空氣不導(dǎo)電因此為0 S/m。

為了正演不同寬度的裂縫雷達(dá)回波信號的特點，選擇了2 mm，5 mm，10 mm，20 mm，40 mm，50 mm，80 mm及150 mm的裂縫寬度，裂縫設(shè)置為貫穿面層與基層，垂直向下延伸一直到模擬的底部，裂縫內(nèi)部的充填介質(zhì)設(shè)置為空氣，見圖6。

通過圖7正演后的探地雷達(dá)響應(yīng)圖可以看出：

1)通過原始路面結(jié)構(gòu)正演模型可知，面層與基層界面的時間深度為3 ns。

3)裂縫寬度在2 mm,5 mm,10 mm,20 mm,40 mm,50 mm 處探地雷達(dá)在面層與基層交界面無法識別裂縫的準(zhǔn)確寬度，只有當(dāng)裂縫寬度為80 mm,150 mm時，裂縫響應(yīng)的開口寬度才能識別出裂縫的真實寬度。

4.2 模型理論分析

根據(jù)上述不同寬度裂縫的探地雷達(dá)正演模擬，對于寬度小于探地雷達(dá)理論分辨率寬度的裂縫，僅從圖像上無法準(zhǔn)確辨別哪一處裂縫更加嚴(yán)重，但是由于裂縫寬度不同導(dǎo)致其周圍介電常數(shù)差異與正常道路結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)存在差異，因此電磁波在不同寬度裂縫中的界面反射波振幅存在明顯的差異，可以根據(jù)同一層位不同程度的振幅強(qiáng)度與該層位未出現(xiàn)裂縫的振幅強(qiáng)度進(jìn)行對比，分析振幅差異，從而對裂縫寬度進(jìn)行定量化識別。

其中，e為振幅差異；An為存在異常處振幅；A0為參考振幅。

探地雷達(dá)正演模擬結(jié)果見圖8。

通過裂縫寬度與振幅差異的相關(guān)性分析可以看出：

1)不同寬度裂縫與回波信號的振幅差異存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達(dá)到97.95%；

2)隨著裂縫寬度的不斷增加，回波信號的振幅差異增加速度逐漸變慢，因此裂縫寬度不斷增加后對于振幅差異的影響會逐漸減??；

3)在進(jìn)行探地雷達(dá)裂縫寬度定量化識別研究中，可以通過振幅差異與裂縫寬度的關(guān)系進(jìn)行深度分析，從而得到實際工程中基于振幅差異的定量化指標(biāo)。

4.3 實測裂縫分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，裂縫寬度與振幅差異之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，即裂縫寬度越大，裂縫處振幅與正常無病害處振幅差異越大，通過對16個斷面的38個芯樣進(jìn)行了現(xiàn)場檢測及取芯統(tǒng)計，見圖9。

通過裂縫寬度與振幅差異相關(guān)性分析可知：

1)裂縫寬度與振幅差異相關(guān)性較好，相關(guān)性為84.91%；

2)隨著裂縫寬度的增加，裂縫的寬度對振幅差異的影響逐漸減小，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

本文通過三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測中的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

1)三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測中，具有定位準(zhǔn)確，覆蓋面積廣，裂縫形態(tài)清晰等優(yōu)點，在道路裂縫探測中能夠取得較好的效果，實踐表明，三維雷達(dá)探測結(jié)果與取芯檢測結(jié)果基本一致，其無損檢測特點不會對道路結(jié)構(gòu)造成損害，不同深度的雷達(dá)剖面切片圖有利于對裂縫的形態(tài)及發(fā)展層位進(jìn)行判斷，能夠為后期的養(yǎng)護(hù)決策方案提供依據(jù)。

2)本文通過建立不同寬度裂縫的模型進(jìn)行正演模擬，提出了基于振幅差異的裂縫寬度定量化識別方法，數(shù)值模擬結(jié)果表明裂縫寬度與振幅差異之間存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達(dá)到97.95%，且隨著裂縫寬度的增加對于振幅差異的影響逐漸減小。

3)本文通過現(xiàn)場檢測及取芯取樣，驗證了振幅差異在實際工程中與裂縫寬度之間存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達(dá)到84.91%。因此本文提出的采樣振幅差異進(jìn)行裂縫寬度的定量化識別具有較高的可行性，后期需要進(jìn)一步收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)完善模型，提高識別精度。