探地雷達(dá)在瀝青路面隱性病害檢測(cè)中的應(yīng)用研究

胡德雄

(莆田市高速公路建設(shè)有限公司，莆田 351100)

瀝青路面養(yǎng)護(hù)過程中，對(duì)路表各類病害產(chǎn)生原因進(jìn)行精準(zhǔn)分析，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部各類隱性病害進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，是科學(xué)、合理制定養(yǎng)護(hù)方案的重要依據(jù)之一。通常，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的松散、開裂、脫空等隱性病害，需根據(jù)路面表觀病害類型及特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯，并對(duì)芯樣的完整性和損壞狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。取芯法能夠直接反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害類型和深度，但同時(shí)存在檢測(cè)不連續(xù)、效率低、檢測(cè)深度有限、隨機(jī)性較大、對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成損傷等不足。因此，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱性病害，往往發(fā)展至道路表面時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。

探地雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害的連續(xù)、快速、無損識(shí)別，且通過變換雷達(dá)天線頻率，可實(shí)現(xiàn)不同深度隱性病害的檢測(cè)。因此，探地雷達(dá)在道路工程的質(zhì)量評(píng)定、病害檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣受關(guān)注。Pitoňák等[1]采用頻率為2 GHz的天線，評(píng)估了某道路結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)設(shè)計(jì)厚度的符合度。Liuzzo等[2]通過對(duì)比GPR檢測(cè)和取芯法的結(jié)構(gòu)厚度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了GPR檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)層厚度的有效性。20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)逐步開展了GPR研究及其在道路工程中的應(yīng)用。趙華閣等[3]研究表明，GPR可以應(yīng)用于道路的檢測(cè)、質(zhì)監(jiān)、養(yǎng)護(hù)過程。劉恒[4]和陶向華[5]將GPR應(yīng)用于道路面層和基層的病害檢測(cè)，取得了良好效果。曹雪山等[6]系統(tǒng)介紹了GPR在路面結(jié)構(gòu)厚度、介電常數(shù)、路基和路面病害與缺陷發(fā)育、養(yǎng)護(hù)決策制定等方面的應(yīng)用原理和方法。

國(guó)內(nèi)外研究表明，GPR對(duì)結(jié)構(gòu)層厚度、結(jié)構(gòu)層內(nèi)部開裂、松散、脫空、黏結(jié)不良等病害能夠有效識(shí)別和快速檢測(cè)，在道路養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。但GPR作為一種專業(yè)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)檢測(cè)人員的操作熟練程度、工程經(jīng)驗(yàn)、病害識(shí)別與分析具有較高的要求。制定典型病害圖譜，能夠有效指導(dǎo)檢測(cè)人員的操作作業(yè)，對(duì)病害的判斷起到輔助和參考作用。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，將GPR應(yīng)用于G205國(guó)道路面結(jié)構(gòu)層的病害檢測(cè)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部開裂、脫空、黏結(jié)不良等病害的發(fā)展層位、樁號(hào)等信息進(jìn)行檢測(cè)，為后續(xù)的養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。并結(jié)合典型病害的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部開裂、黏結(jié)不良、土基不密實(shí)等典型病害的圖譜和特征進(jìn)行總結(jié)，有助于指導(dǎo)工程人員采用GPR對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)病害進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和評(píng)判。

1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)利用發(fā)射天線，將高頻電磁波發(fā)射到地面，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到存在電性差異的界面發(fā)生反射，可根據(jù)接收到反射波的波形、振幅強(qiáng)度和傳播時(shí)間推斷地下介質(zhì)的分布情況[7]。

2 探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

2.1 天線中心頻率

信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換后，在頻域占用的頻帶范圍為帶寬W，它是信號(hào)的最高頻率和最低頻率的差值[8]，在該范圍內(nèi)，天線阻抗值最小的頻率即為中心頻率fc，天線中心頻率根據(jù)式(1)計(jì)算可得[9]。

(1)

式中，fc為中心頻率，MHz；x為空間分辨率，m；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

常見路用材料的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波傳播速度[10-12]如表1所示。

表1 常見路用材料的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波傳播速度

在實(shí)際道路檢測(cè)中，土基中空洞的探測(cè)，選擇中低頻天線(80～200 MHz)；路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)缺陷的檢查，選擇中頻天線(500～1 000 MHz)；橋面鋪裝層內(nèi)缺陷或?yàn)r青路面各結(jié)構(gòu)層厚度的檢測(cè)，選擇高頻天線(>2 000 MHz)，并采用地面耦合型雷達(dá)貼地檢測(cè)[13]。

2.2 探測(cè)時(shí)窗

探測(cè)時(shí)窗是指GPR接收信號(hào)從開始到結(jié)束的時(shí)間長(zhǎng)度，時(shí)窗長(zhǎng)度的設(shè)置主要受檢測(cè)深度和介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)影響[14-15]，計(jì)算公式見(2)。

(2)

式中，D為探測(cè)時(shí)窗，ns；H為最大探測(cè)深度，m；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns。

3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波處理步驟如圖1所示。重采樣可提高圖像縱向可視精度，靜校正可移除淺部無效信息(去除空氣部分的雷達(dá)波)，增益可以放大深部信號(hào)，背景去除可以去除圖像中整體存在的水平干擾成分，巴特沃斯帶通濾波可有效去除信號(hào)中無用的高頻和低頻部分，滑動(dòng)平均可以使圖像更加平滑，進(jìn)一步去除圖像中存在的毛刺噪聲。

圖1 雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波處理步驟

濾波效果對(duì)比如圖2所示。根據(jù)圖2(b)中雷達(dá)波形態(tài)的不同，可對(duì)路面結(jié)構(gòu)層狀況和路面內(nèi)部病害進(jìn)行分析，如是否存在基層開裂、松散、層間黏結(jié)不良等病害。

(a) 原始雷達(dá)灰度

4 工程應(yīng)用分析

本次雷達(dá)檢測(cè)路段為G205國(guó)道K1120+500～K1121+350雙向行車道。檢測(cè)當(dāng)天天氣良好，現(xiàn)場(chǎng)路面無積水等不良狀況。

4.1 雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

探地雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如表2所示，其中，測(cè)距方式為測(cè)距輪。

表2 探地雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

4.2 雷達(dá)檢測(cè)圖像分析

4.2.1 上行方向K1120+550段行車道

該路段瀝青面層已進(jìn)行銑刨，銑刨后基層表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫、松散等情況。根據(jù)雷達(dá)灰度圖分析，未發(fā)現(xiàn)基層開裂等病害。上行方向K1120+550段輪跡帶雷達(dá)檢測(cè)圖像如圖3所示。

(a) 右側(cè)輪跡帶

由圖3可知，右側(cè)輪跡帶除局部存在上下基層黏結(jié)不良外，未見反射裂縫、松散等病害，基層整體狀況良好，未見明顯結(jié)構(gòu)性病害。土基與下基層之間出現(xiàn)多次強(qiáng)烈反射，判斷存在局部脫空、層間富水等病害。左側(cè)輪跡帶的上下基層存在局部黏結(jié)不良問題，土基部位雷達(dá)波分界面出現(xiàn)起伏，初步判斷存在土基不均勻沉降現(xiàn)象。

4.2.2 上行方向K1120+970段行車道

該路段瀝青路面表面未見明顯病害。上行方向K1120+970段行車道雷達(dá)檢測(cè)圖像如圖4所示。

圖4 上行方向K1120+970段行車道雷達(dá)檢測(cè)圖像

由圖4可知，該路段基層整體情況良好，上下基層間存在局部黏結(jié)不良問題。土基層與下基層的分界面存在起伏，判斷存在輕微的不均勻沉降現(xiàn)象，造成局部脫空。此外，在檢測(cè)區(qū)段發(fā)現(xiàn)兩條自下基層至上基層頂面的貫穿裂縫，在雷達(dá)圖像中該路段面層與基層間同相軸連續(xù)、無雜波，裂縫位置同相軸不連續(xù)、波形上凸，初步判斷為半剛性基層開裂導(dǎo)致的反射裂縫。上行方向K1120+970段反射裂縫如圖5所示。

(a) K1120+990段

4.2.3 上行方向K1121+150段超車道

該路段超車道可見多條橫向裂縫，局部伴隨坑槽和唧漿現(xiàn)象。上行方向K1121+150段雷達(dá)檢測(cè)圖像如圖6所示。

圖6 上行方向K1121+150段雷達(dá)檢測(cè)圖像

由圖6可知，該路段基層與面層之間的黏結(jié)狀況不良，上下基層之間存在分離狀況?；鶎泳植看嬖谳p微松散狀況，在雷達(dá)圖像中該位置同相軸不連續(xù)、波形雜亂且不規(guī)則，裂縫主要產(chǎn)生于瀝青面層，預(yù)計(jì)為疲勞裂縫。上行方向K1121+150段局部病害如圖7所示。

(a) 面層裂縫

下基層與土基間存在脫空狀況，推測(cè)為土基不均勻沉降造成，上行方向K1121+150段土基病害如圖8所示。

(a) 雷達(dá)灰度

4.2.4 上行方向K1121+250段行車道

上行方向K1121+250段雷達(dá)檢測(cè)圖像如圖9所示。

圖9 上行方向K1121+250段雷達(dá)檢測(cè)圖像

由圖9可知，該路段的基層與面層存在局部黏結(jié)不良、土基不均勻沉降等問題，在雷達(dá)圖像中該處同相軸彎曲且下凹，部分段落脫空較嚴(yán)重。

4.2.5 下行方向K1121+200段超車道

下行方向K1121+200段基層病害雷達(dá)檢測(cè)圖像如圖10所示。該路段存在密集橫向裂縫，輪跡帶位置出現(xiàn)縱向裂縫，伴隨唧漿現(xiàn)象。

(a) K1121+244處土基沉陷

由圖10可知，該路段基層與土基層間同相軸彎曲下凹，判斷土基出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。K1121+244段和K1121+320段超車道，上下基層間同向軸不連續(xù)、波形雜亂且不規(guī)則、嚴(yán)重區(qū)域高亮顯示，判斷基層出現(xiàn)松散病害。K1121+356段瀝青面層與基層間同相軸連續(xù)，下基層裂縫呈拋物線上凸至上基層處，未貫穿至上基層頂面，判斷為自基層至面層的反射裂縫。K1121+220段出現(xiàn)基層碎裂。

4.3 探地雷達(dá)檢測(cè)典型病害圖譜

4.3.1 黏結(jié)不良

層間脫空雷達(dá)灰度圖如圖11所示。黏結(jié)不良或脫空通常出現(xiàn)在面層與基層、上下基層間，在雷達(dá)圖像中主要表現(xiàn)為：①同相軸連續(xù)，但反射強(qiáng)度大于層間黏結(jié)較好位置處的反射強(qiáng)度。圖11方框指示區(qū)域表現(xiàn)為雷達(dá)圖像中該層位處顯著區(qū)別于周圍的高亮區(qū)域。②層間黏結(jié)處振幅增大。圖11橢圓指示區(qū)域表現(xiàn)的脫空層位處的雷達(dá)波振幅幅值為該道雷達(dá)波中振幅最大值。

圖11 層間脫空雷達(dá)灰度圖

4.3.2 土基不均勻沉降

土基不均勻沉降雷達(dá)灰度圖如圖12所示。土基不均勻沉降識(shí)別特征為：①?gòu)穆坊辽匣鶎禹敳烤鶗?huì)出現(xiàn)同相軸錯(cuò)段、波形雜亂，如圖12方框標(biāo)識(shí)位置所示，基層與土基間分界線不平整；②從路基延伸至基層頂部均有強(qiáng)反射振幅，如圖12橢圓指示區(qū)域雷達(dá)波的振幅，即表示由基層頂部向下均振幅強(qiáng)烈。

圖12 土基不均勻沉降雷達(dá)灰度圖

4.3.3 裂縫

裂縫雷達(dá)灰度圖如圖13所示。裂縫的識(shí)別特征為：路表同相軸連續(xù)，無雜波，上下基層間同相軸不連續(xù)，裂縫位置波形上凸，圖13凸型曲線指示位置為基層反射裂縫，橢圓指示區(qū)域表現(xiàn)為裂縫處雷達(dá)波振幅變大。

圖13 裂縫雷達(dá)灰度圖

4.3.4 土基不密實(shí)

土基不密實(shí)雷達(dá)灰度圖如圖14所示。土基不密實(shí)識(shí)別特征為：①界面反射信號(hào)強(qiáng)，信號(hào)為強(qiáng)反射信號(hào)。②同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷。③一般區(qū)域化分布，如圖14方框指示。

圖14 土基不密實(shí)雷達(dá)灰度圖

5 結(jié)論

本文采用探地雷達(dá)對(duì)G205國(guó)道瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害進(jìn)行了檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果看，探地雷達(dá)能夠?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的開裂、松散、脫空、黏結(jié)不良等隱性病害進(jìn)行有效識(shí)別和檢測(cè)，且該法具有無損、高效、交通干擾小等優(yōu)勢(shì)。

(1) 本檢測(cè)路段行車道基層狀況良好，局部存在少量松散和反射裂縫等問題。檢測(cè)路段中，除下行方向K1121+200～K1121+370段基層破損較嚴(yán)重外，其余路段基層完整性良好。

(2) 土基的不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響主要體現(xiàn)為下基層與土基間的脫空，部分嚴(yán)重路段可造成貫穿型反射裂縫。

(3) 本檢測(cè)路段路表橫向裂縫主要類型為反射裂縫和疲勞裂縫，縱向裂縫多為車道間的施工縫，下基層一般伴隨松散病害。

(4) 本文提供了開裂、層間黏結(jié)不良、土基不密實(shí)等典型路基路面隱性病害雷達(dá)圖譜，結(jié)合雷達(dá)灰度圖，介紹了病害的識(shí)別要素，為其他同類病害檢測(cè)提供了參考。