地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)道路結(jié)構(gòu)的理論及應(yīng)用探究

顏魯春

（甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展中，公路建設(shè)屬于城市建設(shè)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)，實(shí)際質(zhì)量檢驗(yàn)也成為相關(guān)部門關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)我國(guó)實(shí)踐發(fā)展提出的道路建設(shè)規(guī)范要求，公路建設(shè)質(zhì)量檢驗(yàn)最常見的操作方法有兩種，一種是指常規(guī)土工實(shí)驗(yàn)方法，另一種是指鉆探取芯的實(shí)驗(yàn)方法。結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用角度來看，這兩種方法都會(huì)造成路面或多或少的破損。而地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)擁有極強(qiáng)功能的淺層地球物理探測(cè)儀器，不僅能準(zhǔn)確計(jì)算速度，還可以全面掌握道路結(jié)構(gòu)和電磁波的反射特征。因此，本文研究提出了全新的波束計(jì)算方法，以便在道路無損檢測(cè)中獲取更為有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 原理分析

地質(zhì)雷達(dá)也被稱作地質(zhì)勘探雷達(dá)系統(tǒng)，主要是向所檢測(cè)的地面下方發(fā)射高頻電磁波束，并接收源自地下介質(zhì)層面反射波，由此了解地下介質(zhì)分布的地球物理探測(cè)設(shè)備。從實(shí)踐角度來看，這類設(shè)備在實(shí)踐操作中可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)圖像變化，整體系統(tǒng)操作靈活便捷，更可以從中得到準(zhǔn)確定位和極高的分辨率[1]?，F(xiàn)如今，這一技術(shù)理論已被廣泛運(yùn)用到生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、工程質(zhì)量的無損檢驗(yàn)、礦產(chǎn)資源的深入探究等多個(gè)領(lǐng)域，并且在實(shí)踐推廣中獲取了更多的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)屬于一種運(yùn)用高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布情況的非破壞性檢測(cè)儀器，會(huì)利用剖面掃描的方式獲取地下剖面的圖像信息。

雷達(dá)在利用地面移動(dòng)的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻的電磁波，而相應(yīng)電磁波在介質(zhì)中傳播，實(shí)際強(qiáng)度和波形將會(huì)跟隨介質(zhì)的幾何狀態(tài)和電性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。根據(jù)接收波的旅行時(shí)間、波形資料、幅度變化都可以準(zhǔn)確判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。一般情況下，雷達(dá)圖像經(jīng)常利用脈沖反射波的形式進(jìn)行記錄，波形的正負(fù)峰要利用黑白兩種方式來表示。這樣可以在相同數(shù)軸上利用等射線何等灰度來呈現(xiàn)地下的反射面。下圖1為波形的記錄信息，在實(shí)踐探究中利用簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型得到波形記錄信息，可以在圖形中利用側(cè)線的鉛垂方向記錄圖形變化，由此得到雷達(dá)時(shí)間的剖面，而對(duì)這一圖像進(jìn)行解讀判斷可以掌握地下介質(zhì)或地質(zhì)體的空間位置和結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 雷達(dá)波形記錄的示意圖

2 道路結(jié)構(gòu)與電磁波的特征

結(jié)合下圖2所示分析可知，道路結(jié)構(gòu)通常分為三層，按照所選材質(zhì)和道路等級(jí)進(jìn)行劃分，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)層次厚度也會(huì)發(fā)生改變。一般來講，面層厚度控制在8到30厘米之間，基層厚度要控制在20到40厘米之間，路基層的厚度變化更大。假設(shè)各層的電性存在較大差異，那么將會(huì)在界面中得到直觀呈現(xiàn)，換句話說就會(huì)產(chǎn)生反射。

圖2 結(jié)構(gòu)層次及地質(zhì)雷達(dá)掃描波形

在上述圖形中，△t1和△t2代表雷達(dá)脈沖經(jīng)過面層和基層的雙程旅行，反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度和介面的波反射系數(shù)、穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)有直接關(guān)系，主要會(huì)受周邊介質(zhì)和反射體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)所影響[3]。

在計(jì)算衰減系數(shù)的過程中，實(shí)際波的吸收水平和衰減系數(shù)有直接關(guān)系，可以利用以位移電流為核心的煤質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析，由此可以得到衰減系數(shù)的近似數(shù)值為：

在公式1中，β代表衰減系數(shù)，單位為Np/m，σ代表介質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為s/m，μ0代表真空狀態(tài)下的磁導(dǎo)率，ε代表介電常數(shù)，εt代表地下介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

在計(jì)算研究反射系數(shù)的過程中，不管是道路檢測(cè)經(jīng)常運(yùn)用的頻率范圍，還是接收天線和發(fā)射天線之間的距離，地質(zhì)雷達(dá)波形變化都可以看作是法向入射，根據(jù)斯奈爾定律分析可知，反射系數(shù)R12可以簡(jiǎn)化成：

在公式2中，ε1代表第一層的相對(duì)介電常數(shù)，ε2代表第二層的相對(duì)介電常數(shù)，R12代表反射系數(shù)。

在計(jì)算分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中，要從以下三點(diǎn)入手：

第一，要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和之前研究的波束計(jì)算方法，準(zhǔn)確研究各個(gè)層次的波束變化，再根據(jù)電磁波傳播的雙程旅行計(jì)算公式得到不同層次的厚度，具體公式如下所示：

在公式3中，H代表反射點(diǎn)的埋深，單位為m；v代表電磁波在介質(zhì)之中的傳播速度，單位為m/ns；t代表電磁波傳播的雙程旅行的時(shí)間；x代表發(fā)射天線與接收天線之間的距離。

第二，從理論角度分析，電磁波的傳播速度v和介質(zhì)之間的相對(duì)介電常數(shù)εr具備一定的關(guān)聯(lián)性，由此入手研究介電常數(shù)和介質(zhì)的水分體積分?jǐn)?shù)ψ，可以得到彼此之間的近似關(guān)系如下所示：

在公式4中，εt代表地下介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，ψ代表介電常數(shù)和介質(zhì)的水分體積分?jǐn)?shù)。

同時(shí)，還要運(yùn)用地球物理測(cè)井零中最常見的梯級(jí)模型估計(jì)分析混凝土中所包含的水分體積分?jǐn)?shù)。假設(shè)道路結(jié)構(gòu)的某一層次選用了固體填料、水、空氣進(jìn)行填充，那么在混合介質(zhì)包含水的情況下，最小水分體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式如下所示：

結(jié)合上述分析還可以得到最小水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體計(jì)算公式如下所示：

在公式5和公式6中，ψwmin代表最小水分體積分?jǐn)?shù)，ε代表混合介質(zhì)的靜電場(chǎng)數(shù)，εs代表固體填料的介電常數(shù)，εw代表水的介電常數(shù)，Wwmin代表，d代表固體填料的密度。假設(shè)這一數(shù)值的取值范圍控制在最大干容重，那么所得到的最小水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和實(shí)際結(jié)果相接近。

第三，在明確水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w之后，要利用近似公式研究壓實(shí)度K，具體公式如下所示：

在公式7中，K代表壓實(shí)度，dmax代表檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的最大干容重，w代表水質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 道路結(jié)構(gòu)中的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)用

當(dāng)前，城市建設(shè)發(fā)展所構(gòu)建的高速公路大都存在壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)、含水量過高等問題，從而導(dǎo)致路基在應(yīng)用期間出現(xiàn)過量沉陷，最終形成空洞等問題。道路結(jié)構(gòu)中的面層在自然風(fēng)化和行車載荷的影響下，必然會(huì)出現(xiàn)路面受損。針對(duì)這一現(xiàn)象，如何在道路運(yùn)輸管理中，準(zhǔn)確掌握出現(xiàn)病害的主要原因，成為當(dāng)前相關(guān)部門和科研學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。以往選用的檢測(cè)方式不僅操作過程繁瑣，而且對(duì)路面會(huì)造成一定的影響，最終也無法準(zhǔn)確掌握道路內(nèi)部的隱藏病害。在不影響道路車輛正常運(yùn)行的情況下，也不會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)，科研學(xué)者提出優(yōu)先選用無損檢測(cè)技術(shù)，這也是當(dāng)前道路結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)管理發(fā)展的必然方向。需要注意的是，公路無損檢測(cè)方法的應(yīng)用要滿足三項(xiàng)條件，首先要準(zhǔn)確判斷道路缺陷的大小、形狀、深度等基礎(chǔ)信息，其次要對(duì)路面進(jìn)行無損檢測(cè)操作，最后可以在大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)操作，且不會(huì)受周邊環(huán)境的影響[4]。

3.1 識(shí)別反射波

這項(xiàng)操作涉及到對(duì)道路結(jié)構(gòu)各個(gè)層面的反射波幅值變化和位置判斷。其中，地表的反射波變化非常明顯，原因在于其相應(yīng)的幅值變化是最大的，所以很容易進(jìn)行人工識(shí)別。而掃描波形中存在多種反射波，所以計(jì)算機(jī)很難自動(dòng)識(shí)別不同反射波的源頭，此時(shí)要對(duì)各類反射波進(jìn)行深入探討，并輔助計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行判斷分析。常見的判斷，依據(jù)分為兩種，一種是指時(shí)間特征，另一種是指幅值變化。不同層次所發(fā)射的波形幅值都具有局部極大值的特征。假設(shè)在面呈和基層只進(jìn)行一次反射，那么地表反射波之后的第一個(gè)波幅極大值通常就是基層的反射波。在檢測(cè)道路之前，工作人員要完善了解道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的厚度變化，并及早估算反射層的旅行時(shí)間特征，并由此為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)識(shí)別的初始數(shù)值，以此提升數(shù)據(jù)解釋的有效性[5]。

3.2 明確波速

反演波束的精確度直接影響著道路結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演結(jié)果。因?yàn)楫?dāng)前道路結(jié)構(gòu)檢測(cè)厚度的精確度要求非常高，通常要換算成毫米，所以根據(jù)常規(guī)的速度計(jì)算方法很難達(dá)到實(shí)踐檢測(cè)要求，因此本文在研究中提出了準(zhǔn)確度更高的應(yīng)用方法，也就是振幅補(bǔ)償法。這種方法在實(shí)踐應(yīng)用中會(huì)將實(shí)際觀測(cè)到的雷達(dá)波曲線及其在金屬板檢測(cè)所獲取的標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)波反射曲線進(jìn)行對(duì)比分析，而后明確雷達(dá)波在面層和基層的傳播速度[6]。

結(jié)合上文分析可知，在平面雷達(dá)波垂直進(jìn)入電性分析界面的情況下，介質(zhì)所包含的雷達(dá)波速度公式為：

在公式8中，v代表雷達(dá)波速度，εr代表電性分析界面的介質(zhì)，m/ns是單位。

從道路結(jié)構(gòu)的層次分析角度來看，通常情況下下部分雷達(dá)波的速度要比上半部分高，具體公式如下所示：

在公式9中，R12代表反射系數(shù)，v2代表傳播速度，v1代表空氣中雷達(dá)波傳播速度，為0.3m/ns。

在明確道路結(jié)構(gòu)層雷達(dá)波傳播速度的過程中，先假設(shè)v1代表空氣中雷達(dá)波傳播的速度，Ap代表路面反射波的振幅變化，Am代表金屬板表層反射波的振幅變化，通過對(duì)實(shí)際檢測(cè)到的振幅變化進(jìn)行補(bǔ)償，那么就可以得到如下所示的公式：

在公式10中，R12代表反射系數(shù)，Am代表標(biāo)定金屬板表層反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅。

整合上述公式分析，可以計(jì)算出雷達(dá)波在道路面層中的傳播速度，具體公式如下所示：

在公式11中，Am代表標(biāo)定金屬板表層反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅，v2代表傳播速度。

上述計(jì)算方法可以明確雷達(dá)波在路面介質(zhì)中的傳播速度，而后利用鉆孔標(biāo)定法對(duì)實(shí)際建筑施工所面臨的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)問題提供依據(jù)，控制數(shù)據(jù)處理期間存在的誤差，既能明確檢測(cè)所運(yùn)用的反射波及其波速，又可以全面掌握道路結(jié)構(gòu)特征。

4 結(jié)語

綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)依據(jù)自身具備的高精度和高效性在道路結(jié)構(gòu)研究中展現(xiàn)出了積極作用，并在實(shí)踐應(yīng)用中取得了優(yōu)異成績(jī)。但從整體角度來看，由于所處地形和工程任務(wù)各有差異，選用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)要涉及不同的雷達(dá)參數(shù)和頻率天線，所以在科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展中，科研學(xué)者需要在持續(xù)開發(fā)探索雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，并充分展現(xiàn)其所表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。