高速公路路面厚度檢測(cè)中探地雷達(dá)的應(yīng)用分析

文/鐘申伯

1 前言

路面厚度是進(jìn)行高速公路路用性能及使用年限等評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)是公路質(zhì)量檢測(cè)的重要項(xiàng)目。傳統(tǒng)的鉆孔取芯及挖坑檢測(cè)等技術(shù)具有破壞性強(qiáng)、抽樣次數(shù)受到制約、缺乏代表性、檢測(cè)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等缺陷，而探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在公路路面厚度檢測(cè)方面具有檢測(cè)效率高、無(wú)損、測(cè)點(diǎn)連續(xù)、精確可靠、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)速度可達(dá)到15～20km/h，所設(shè)置測(cè)點(diǎn)可達(dá)上萬(wàn)個(gè)，其在高速公路路面厚度檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)顯著。

2 探地雷達(dá)路面厚度檢測(cè)原理

探地雷達(dá)主要通過天線向待檢測(cè)路面發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)電磁波在路面結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)遭遇不同類型介質(zhì)界面便會(huì)發(fā)生反射，反射波由接收機(jī)接收后，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)分析并成像處理。應(yīng)用實(shí)踐證明，探地雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)80km/h 的快速連續(xù)作業(yè)，屬于應(yīng)用范圍十分廣泛的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。在采用探地雷達(dá)進(jìn)行路面厚度檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)其電磁特性進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)劃分，若臨近結(jié)構(gòu)層材料電磁特性不同，則會(huì)影響射頻信號(hào)在兩個(gè)界面之間的傳播，并引發(fā)雷達(dá)信號(hào)投射及反射。探地雷達(dá)正是利用反射波波幅進(jìn)行各結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)的推求，進(jìn)而推求出結(jié)構(gòu)層厚[1]。

2.1 介電常數(shù)

路面結(jié)構(gòu)上下層介電常數(shù)與其反射系數(shù)存在如下關(guān)系：

式中，εr1、εr2為路面結(jié)構(gòu)上、下層介電常數(shù)；R為界面反射系數(shù)；R=A/Am，A為反射波幅，Am為全反射波幅。

首次反射過程中上層空氣介電常數(shù)取1，且R0=A0/Am，故：

第二次反射過程中根據(jù)已求得的上層介電常數(shù)，在R=A/Am右邊乘以反射層能量損失系數(shù)1-R20，得出A1/Am=R1( 1-R20)，所以有

按照以上過程以此類推，便可求得不同界面之間的介電常數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)層厚

求出結(jié)構(gòu)層界面之間介電常數(shù)后，按下式確定電磁波傳播速度：υ=，其中c為光速，取30cm/ns。電磁波傳播速度與結(jié)構(gòu)層往返時(shí)間一半的乘積即為結(jié)構(gòu)層厚，具體如下：

面層厚度h1=υ1?Δt1/2=?Δt1/2

基層厚度h2=υ2?Δt2/2=?Δt2/2

3 探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工程概況

某高速公路待檢測(cè)路面起訖里程K0+520～K2+741 段原為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，后來(lái)改建為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限15a，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100kN，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)主要為總厚度64cm 的水穩(wěn)級(jí)配碎石基層+瀝青層，水穩(wěn)級(jí)配碎石基層和瀝青層分別厚48cm 和16cm。瀝青層自上而下分別為：厚4cm 的瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA 面層+厚5cm 的AC16-I 中粒式瀝青混凝土中面層+厚6cm 的AC20-I 粗粒式瀝青混凝土下面層+厚1cm 的稀漿封層。

3.2 探測(cè)測(cè)線布置

根據(jù)檢測(cè)要求，在待檢測(cè)路段左右幅路面分別設(shè)置一條縱向連續(xù)測(cè)線，進(jìn)行縱向水穩(wěn)層和瀝青層厚檢測(cè)，并按照100m 間隔布置一條橫向測(cè)線，檢測(cè)該路段橫向水穩(wěn)層及瀝青層厚。首條測(cè)線里程K0+600 至最后一條測(cè)線里程K2+700 之間共設(shè)置20 條橫測(cè)線。

3.3 參數(shù)選擇

通常情況下，電磁波頻率越高，探測(cè)深度越小，垂直分辨率越高，故選擇高速公路路面厚度檢測(cè)探地雷達(dá)天線時(shí)，必須充分考慮路面檢測(cè)深度和精度要求。該公路路面厚度檢測(cè)精度要求較高，且厚度不大，故選取GSSI公司所產(chǎn)SIR-14H 型探地雷達(dá)900MHz 高頻屏蔽天線，將采樣天線時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)定為20ns，并選取自動(dòng)增益檢測(cè)模式。

3.4 資料處理

在檢測(cè)路面厚度的過程中，SIR-14H 型探地雷達(dá)在主機(jī)控制下發(fā)射器通過天線向路面結(jié)構(gòu)層發(fā)射定向超高頻電磁波，電磁波在向下傳播過程中如遇瀝青層底界面、水穩(wěn)層底界面等電性差異界面便會(huì)發(fā)生反射，天線將所接收到的反射波與沿地面?zhèn)鞑サ闹边_(dá)波一起送入接收器，經(jīng)主機(jī)進(jìn)行放大、濾波、疊加等數(shù)字化處理后在顯示器上顯示出與地震反射時(shí)間剖面所類似的雷達(dá)連續(xù)探測(cè)剖面，具體如圖1所示。從雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面圖中可以看出，水穩(wěn)層及瀝青層底界面處分別存在一條反射強(qiáng)烈的連續(xù)界面，剖面橫坐標(biāo)反映的是沿測(cè)線向的里程距離（m），表示測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位置；縱坐標(biāo)表示時(shí)間（ns）或深度（m），反映的是各條反射波往返時(shí)間/目標(biāo)深度。隨距離的增大，反射曲線反射強(qiáng)度按灰度顯示，構(gòu)成探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)剖面。在進(jìn)行資料整理時(shí)，必須先處理數(shù)據(jù)，即結(jié)合回波形態(tài)、反射強(qiáng)度進(jìn)行判斷其目標(biāo)性質(zhì)，并明確水穩(wěn)層底界面和瀝青層底界面反射波形狀，追蹤分析層位，并根據(jù)回波反射的傳播時(shí)間、傳播速度等計(jì)算水穩(wěn)層及瀝青層厚度，結(jié)果如圖1所示[2]。

圖1 左幅路縱測(cè)線二段路面厚度檢測(cè)剖面

3.5 檢測(cè)結(jié)果

公路路面厚度檢測(cè)結(jié)果分析時(shí)，按照10m 間距統(tǒng)計(jì)出2 條縱向測(cè)線水穩(wěn)層、瀝青層厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)，再按照1m 間隔將所檢測(cè)出的厚度數(shù)據(jù)繪制成厚度變化剖面成果圖；按照1m 間距統(tǒng)計(jì)出水穩(wěn)層、瀝青層厚度，并按1m間隔將所檢測(cè)路面厚度數(shù)據(jù)繪制成剖面成果圖。根據(jù)剖面成果圖進(jìn)行檢測(cè)路段水穩(wěn)層、瀝青層厚度橫縱向變動(dòng)趨勢(shì)的直觀分析。該公路路面瀝青層厚度統(tǒng)計(jì)中，橫縱向測(cè)線檢測(cè)路面厚度均值均為0.15m，與設(shè)計(jì)厚度0.16m 僅相差0.01m，水穩(wěn)層檢測(cè)的厚度均值與設(shè)計(jì)厚度僅相差0.12m，表明水穩(wěn)層施工中厚度較薄。

4 探地雷達(dá)檢測(cè)路面厚度的可行性

4.1 準(zhǔn)確性

以K0+520～K0+920 段為試驗(yàn)段，利用SIR-14H 型探地雷達(dá)進(jìn)行面層厚度檢測(cè)試驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣和芯樣驗(yàn)證，根據(jù)首個(gè)鉆孔芯樣厚度和雷達(dá)波傳播時(shí)間進(jìn)行傳播速度標(biāo)定，并依據(jù)傳播時(shí)間推算其余孔位厚度。根據(jù)推算結(jié)果，具體點(diǎn)位上雷達(dá)檢測(cè)厚度值和鉆孔取芯測(cè)量厚度值絕對(duì)誤差最大和最小值分別為1.4cm和0.02cm，相對(duì)誤差最大達(dá)17.04%；但試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)雷達(dá)檢測(cè)厚度值和鉆孔取芯測(cè)量厚度值絕對(duì)誤差為0.16cm，相對(duì)誤差僅為2.23%。因此，進(jìn)行本高速公路路面整體施工質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)采用區(qū)段檢測(cè)方式。

試驗(yàn)段檢測(cè)結(jié)果存在一定誤差，究其原因主要在于高速公路路面施工質(zhì)量要求較高，且介質(zhì)均勻，雷達(dá)波傳播速度標(biāo)定時(shí)通常采用相同的介電常數(shù)，并根據(jù)個(gè)別鉆孔取芯點(diǎn)所標(biāo)定出的傳播速度表征全段速度。但不同路段介電常數(shù)并非完全相同，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。根據(jù)鉆孔取芯結(jié)果，各芯樣介電常數(shù)值存在一定差異，這主要與施工工藝、原材料、公路運(yùn)行環(huán)境等有關(guān)。若采用完全相同的介電常數(shù)值進(jìn)行雷達(dá)波傳播速度標(biāo)定，則所得到的雷達(dá)探測(cè)厚度值必定存在誤差[3]。

4.2 經(jīng)濟(jì)性

以本高速公路起訖里程K0+520～K2+741 段待檢測(cè)路面水穩(wěn)層厚度檢測(cè)為例進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)與鉆孔取芯檢測(cè)成本的比較，探地雷達(dá)檢測(cè)過程中所耗費(fèi)的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)、其余直接費(fèi)及間接費(fèi)分別為0.34 萬(wàn)元、0.21 萬(wàn)元、0.35 萬(wàn)元、0.19 萬(wàn)元、0.76 萬(wàn)元，工程成本合計(jì)1.85 萬(wàn)元；而傳統(tǒng)鉆孔取芯檢測(cè)方式下所耗費(fèi)的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)、其余直接費(fèi)及間接費(fèi)分別為1.21 萬(wàn)元、0.48 萬(wàn)元、0.35 萬(wàn)元、0.17 萬(wàn)元、0.78 萬(wàn)元，工程成本總計(jì)為2.99 萬(wàn)元。通過比較發(fā)現(xiàn)，探地雷達(dá)檢測(cè)成本能比鉆孔取芯檢測(cè)技術(shù)節(jié)省40%左右，如果將該技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度更長(zhǎng)的高等級(jí)公路路面厚度檢測(cè)中，則會(huì)產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行高速公路路面厚度檢測(cè)具有快速、連續(xù)、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，在具體點(diǎn)位檢測(cè)結(jié)果的精確度較差，而在特定區(qū)段檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較高，完全可以取代鉆孔取芯檢測(cè)方式。為提升結(jié)果的精確性，在選取電磁波速度參數(shù)時(shí)最好進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。與常規(guī)的公路水穩(wěn)層厚度檢測(cè)技術(shù)相比，探地雷達(dá)技術(shù)能有效減少人為因素對(duì)檢測(cè)過程及結(jié)果的干擾，縮短檢測(cè)周期，降低檢測(cè)成本，且該技術(shù)對(duì)于公路路面缺陷及病害探測(cè)也較為適用，應(yīng)用前景十分廣闊。