探地雷達(dá)在路面面層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用與分析

王 林 寇戰(zhàn)策

（1.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230031）

1 探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)原理及特點(diǎn)

探地雷達(dá)的基本原理，是將一個(gè)寬頻譜，脈寬為亞毫微秒量級(jí)的無載波脈沖加寬到寬帶色散時(shí)域保形發(fā)射天線上，并有效的輻射到地下，當(dāng)脈沖波在地下傳播過程中遇到介質(zhì)面，目標(biāo)或其他局域介質(zhì)不均勻體時(shí)，一部分脈沖波能量反射回地面，由寬度非色散時(shí)域保形接收天線將探測(cè)到的地下的反射回波接收并傳輸?shù)綍r(shí)域?qū)拵Ы邮諜C(jī)，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理。作為一種物理檢測(cè)手段，現(xiàn)今探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用范圍愈加廣泛，如建筑工程的地質(zhì)探測(cè)、礦井探測(cè)以及公路路面厚度檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，這與它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)是分不開的，其特點(diǎn)如下：第一，可以對(duì)路面進(jìn)行無損性的探測(cè)，雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在公路路面的檢測(cè)中可以不進(jìn)行損毀就可以進(jìn)行連續(xù)的探測(cè)，因此省去了后面修補(bǔ)路面的成本和勞力，從而節(jié)約大量的成本和勞動(dòng)時(shí)間。第二，檢測(cè)效率高，雷達(dá)探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用成像的全過程，并且整個(gè)過程儀器操作較為簡單，數(shù)據(jù)采集迅速，并且在車輛實(shí)際運(yùn)行的狀況下也能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的速度達(dá)到80km/h。第三，檢測(cè)的精度高，同其它檢測(cè)方法相比，探測(cè)雷達(dá)的實(shí)際分辨率可以達(dá)到厘米的等級(jí)，并且探測(cè)深度的符合率通常都小于5cm，因此探測(cè)的精度較高。第四，探測(cè)頻帶較寬，雷達(dá)探測(cè)器的無載頻脈沖類型，可以擁有寬度較高的頻帶，因此可以通過信息處理技術(shù)的應(yīng)用來提高公路檢測(cè)的探測(cè)能力和信號(hào)的分辨效率。第五，較強(qiáng)的抗干擾能力，雷達(dá)中設(shè)有屏蔽天線，因此可以只接受地面探測(cè)的信號(hào)，避開其它電磁波的影響，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2 影響探地雷達(dá)路面厚度檢測(cè)的重要因素

1）環(huán)境電導(dǎo)率。環(huán)境電導(dǎo)率直接影響介質(zhì)傳導(dǎo)電荷的能力。因?yàn)樘降乩走_(dá)擁有較高的工作效率。電磁波的工作條件無論是在介電極限時(shí)，還是在靜態(tài)的極限時(shí)或者是在兩種情況之間時(shí)，它的深度都會(huì)也電導(dǎo)率成反比。電導(dǎo)率的數(shù)值不斷增加，電磁波的傳播深度逐漸減小。當(dāng)處于極限狀態(tài)時(shí)，環(huán)境的導(dǎo)電效果越來越低，電磁波減慢的速度逐漸降低，探測(cè)的深度逐漸增加。

2）介電常數(shù)。介電常數(shù)直接反映介質(zhì)的極化特性，彰顯介質(zhì)的貯藏作用。在介質(zhì)損耗的情況下，探地雷達(dá)的電荷通過外部的作用力產(chǎn)生了位移和摩擦，這時(shí)產(chǎn)生了一定的熱能。因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)變，影響電磁波的傳播效果，使其逐漸減弱。

3）磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率顯示了路面進(jìn)行磁化的情況。以磁導(dǎo)率的數(shù)值進(jìn)行劃分，主要可以分為三類，即反磁性材料、順磁性材料以及鐵磁性材料。不同的材料對(duì)電磁波的傳播效果不同。

4）中心頻率。在探究中心頻率時(shí)要考慮路面的深度以及天下的使用情況。通常情況下在滿足以上兩個(gè)條件時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)低中心頻率，這樣有利于提高電磁波傳播的效果。在實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)還需要考慮測(cè)量地的實(shí)際情況，設(shè)置科學(xué)的數(shù)值。

5）采樣時(shí)間。采樣時(shí)貫穿探地雷達(dá)測(cè)量的整個(gè)過程。它的取值主要由路面的實(shí)際深度和電磁波在各層結(jié)構(gòu)中的傳播速度決定。

6）采樣率。采樣率主要有采樣的間隔來決定的，它的數(shù)值越高，采集的電磁波樣品的時(shí)間就越短。目前，我國大部分的探地雷達(dá)頻帶與中心頻率的比值在0.8～1.2左右。電磁波的采用率應(yīng)該達(dá)到3.5左右，才能滿足探地雷達(dá)的正常運(yùn)行。

3 案例分析

以某段公路為例，它之前的建設(shè)結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面，之后因?yàn)閾p害嚴(yán)重改為瀝青混凝土路面，路面的承載年限為20年。瀝青混凝土路面主要是由瀝青層和水泥層這兩部分構(gòu)成的。路面的總體厚度在70cm左右，在現(xiàn)在的路面結(jié)構(gòu)中水泥層的厚度在45cm左右，瀝青層的厚度在25cm左右。按照由淺入深的順序進(jìn)行排列依次為：沙土泥漿層厚度為3cm、瀝青粗粒堆積凝結(jié)層厚度為11cm、瀝青中粒堆積凝結(jié)層厚度為7cm、瀝青碎石堆積凝結(jié)層厚度為4cm。根據(jù)探測(cè)的要求可知被要求探測(cè)的這段路面，在道路的兩側(cè)分別設(shè)置了一條用于測(cè)量的縱線。它主要是考查這段瀝青路面在水泥層和瀝青層的實(shí)際厚度[2]。在實(shí)際的操作中需要在縱向的方向上每間隔9m的距離設(shè)置一條測(cè)線，測(cè)量這個(gè)路面在橫向上水泥層和瀝青層的厚度。以路面的實(shí)際長度為參考，按照之前的規(guī)律依次進(jìn)行鋪設(shè)工作，整個(gè)路面檢測(cè)的距離為5.0km。

1）探地雷達(dá)天線以及參數(shù)。在探班地雷達(dá)運(yùn)行中要調(diào)試好雷達(dá)的天線以及實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)。結(jié)合探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用效果來看，它能夠進(jìn)行探測(cè)的厚度應(yīng)該保持在35cm左右，探測(cè)結(jié)果的誤差值可以控制在0.8cm左右。如果在實(shí)際的測(cè)量中要求較高，并且對(duì)探測(cè)的深度有明確的要求，這時(shí)就可以采用高精度的雷達(dá)探測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量工作。例如，2016年7月某市進(jìn)行路面探測(cè)改造工作。這個(gè)路面是在原有的基礎(chǔ)上增加瀝青混合材料，表層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。路面原來的厚度為27cm，修補(bǔ)之后增加了11cm。探測(cè)時(shí)使用配套1250m耦合天線，時(shí)窗為32ns，道采樣點(diǎn)數(shù)為1029。在進(jìn)行探測(cè)時(shí)分別采用雷達(dá)探測(cè)與鉆孔兩種方式。瀝青層都采用SIR-3000型號(hào)的雷達(dá)探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量工作，為了保障測(cè)量的精準(zhǔn)性，在路面上隨機(jī)抽取4點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證工作。通過對(duì)比GPR測(cè)定的厚度和芯樣的厚底可知，這四個(gè)點(diǎn)中的誤差值都控制在0.6cm以內(nèi)，符合施工的要求。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，探地雷達(dá)技術(shù)在實(shí)際的工作中可以取代原有的技術(shù)模式。但是目前探地雷達(dá)技術(shù)在探測(cè)中的應(yīng)用率不高，因?yàn)樵趯?shí)際的操作運(yùn)行中需要一定的專業(yè)知識(shí)與技能，要擁有一定的雷達(dá)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)才能夠順利的操控設(shè)備。以上面的對(duì)比結(jié)果為依據(jù)可知：（1）在避免人為誤差、天線數(shù)值及參數(shù)誤差的前提下，探地雷達(dá)技術(shù)可以準(zhǔn)確的探測(cè)出路面的厚度。（2）要想提高雷達(dá)的使用效率，操作人員應(yīng)該多積累，學(xué)習(xí)雷達(dá)和電磁波的相關(guān)知識(shí)。（3）要想促進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展就應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的研究。

2）探測(cè)過程、資料處理和結(jié)果。當(dāng)探地雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，雷達(dá)設(shè)備在主機(jī)的引導(dǎo)下發(fā)射裝置借由天線向地下發(fā)射電磁波信號(hào)，當(dāng)?shù)叵碌碾姶挪ㄓ龅剿鄬踊蛘邽r青層時(shí)就會(huì)發(fā)生反射的情況，由地面反射回來的信號(hào)被另外一個(gè)天線接收，然后傳輸?shù)浇邮掌鲀?nèi)。同時(shí)還收集了由地面反射回來的信號(hào)。兩種信號(hào)一同被收入到探地雷達(dá)的主機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作。主機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)大、過濾、數(shù)字化等加工處理，形成一段類似于地震波紋的畫面，從而直觀展示水泥層與瀝青層的分界線。

以剖面圖作為參考，每條反射曲線的反射強(qiáng)度可以按照顏色的深淺進(jìn)行劃分。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總時(shí)，要仔細(xì)觀察電磁波掃射回波的狀態(tài)、電磁波反射的強(qiáng)度的數(shù)值和在自身剖面上的變化走向。確定出電磁波反射的屬性情況，分析瀝青層與水泥層不同反射波的形態(tài)變化，設(shè)置點(diǎn)位逐次分析，之后計(jì)算反射回波所用的準(zhǔn)確時(shí)間以及電磁波在兩個(gè)界面層傳播的速度來計(jì)算路面實(shí)際的厚度情況。

將通過測(cè)量線測(cè)量出的數(shù)據(jù)制作成表格，直觀地分析出這段路面厚度的變化情況。然后把剖面圖與表格進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出更加精準(zhǔn)的路面厚度。

4 結(jié)束語

綜上所述，一般來講，路面厚度檢測(cè)多采用鉆芯法，但這種方法一定程度上會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)，檢測(cè)完后需做及時(shí)修補(bǔ)，加之檢測(cè)結(jié)果隨機(jī)性大、效率低等情況，無法有效評(píng)估公路路面厚度。基于反射系數(shù)法的探地雷達(dá)是一種無損檢測(cè)技術(shù)，在道路結(jié)構(gòu)層厚度及病害檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛，其特點(diǎn)為無損、高效、迅速等，可有效提高檢測(cè)精度。