基于三維探地雷達的瀝青路面層間接觸狀態(tài)智能診斷技術

王大為, 呂浩天, 湯伏蛟, 葉呈森, 劉鵬飛

(1.哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院， 哈爾濱 150090;2.德國亞琛大學道路工程研究所， 亞琛 52074， 德國)

隨著我國交通強國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，道路基礎設施建設非常迅速，公路建設里程持續(xù)增長，截止至2020年全國公路總里程達到519.81萬km，公路密度為0.541 5 km/km2. 與此同時，我國的交通量和重載超載車輛的比例也與日俱增，路面結構承受了更多的荷載次數(shù)和更高的荷載水平，導致路面平整度下降，路面疲勞損傷顯著加劇[1]，最終造成各類路面病害. 根據(jù)公路病害成因分析，各結構層之間的接觸狀態(tài)不良是導致道路損害的主要原因之一[2]. 路面結構層間接觸狀態(tài)的衰減會使各結構層的應力、應變發(fā)生變化，當層間接觸不良時，道路結構在荷載作用下面層底部會由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，極大增加發(fā)生反射裂縫的可能性[3-6]；利用有限元軟件建模分析可知，當層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)變化到完全滑動時，路面結構的力學性能明顯減弱，瀝青層底彎拉應力漲幅超過500%，瀝青層底拉應力漲幅超過100%，路面的使用壽命降低了約40%[7-10]. 因此，研究路面結構層之間的接觸狀態(tài)具有重大意義.

影響瀝青路面層間接觸狀態(tài)的因素可分為內因和外因. 內因指道路材料自身特性，例如瀝青和集料自身強度、瀝青混合料結構參數(shù)未達到工程標準，造成路面結構整體性下降，削弱路面整體抗力；外因指外界荷載、環(huán)境因素和施工質量等，例如因壓實度不足、路面溫度和濕度變化造成層間黏結不足，在車輛荷載的作用下易發(fā)生層間剪切滑移，造成路面嚴重破壞.

剪切、拉拔、扭剪等室內試驗為傳統(tǒng)路面層間接觸狀態(tài)評價方法[11]. 彭國強等[12]采用拉拔試驗研究了溫度、瀝青針入度、瀝青種類對層間黏結性能的影響. 徐世法等[13]利用剪切試驗和拉拔試驗對乳化瀝青、改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青以及橡膠SBS瀝青5種黏結材料的層間黏結性能進行了評價，研究結果表明橡膠SBS復合改性瀝青黏結性能最為優(yōu)越. 劉紅坡等[14]采用剪切- 拉拔試驗測試了不同溫度、水平推力和黏結層油用量對瀝青路面層間黏結強度的影響. 以上層間黏結性能評價方法大多在實驗室內進行，缺少實際工程現(xiàn)場驗證過程，與實際道路受力、受損情況存在一定差異.

近年來，隨著無損檢測技術的發(fā)展，探地雷達技術在國內外發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴大，在雷達硬件設備、地下目標識別、地下目標成像等方面取得了重大進展和突破，目前國內外規(guī)模較大的路用探地雷達生產(chǎn)公司如表1所示. 探地雷達在道路工程領域得到了廣泛的應用，并且取得了良好的應用效果. Sudyka等[15]利用空氣耦合探地雷達在干燥和潮濕條件下探測出瀝青路面內部幾mm寬的水平裂縫，證實了探地雷達技術評價瀝青路面層間黏結狀態(tài)的可行性. 虞將苗等[16]基于探地雷達技術，應用厚度補償原理對瀝青路面厚度進行了檢測，研究結果表明，該測試方法穩(wěn)定可靠且可操作性強，具有較大的工程實用價值. Zhang等[17]將探地雷達信號和人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結合，快速診斷瀝青路面內部水損害，準確率超過90%.

表1 國內外主要路用探地雷達生產(chǎn)公司

因此，基于電磁波發(fā)射- 接收技術的探地雷達檢測方法為道路內部病害檢測提供了一種高速、便捷的無損檢測手段. 然而，目前仍缺乏探地雷達方法對道路結構層間接觸狀況的研究. 本文基于三維探地雷達關鍵技術，結合具體工程項目，提出瀝青路面層間接觸狀態(tài)判別原理與方法并對具體工程檢測結果進行層間接觸狀態(tài)評價，可為瀝青路面養(yǎng)護和維修提供參考.

1 三維探地雷達系統(tǒng)及工作原理

探地雷達(ground penetrating radar，GPR)是一種無損檢測設備，它通過分析電磁波的傳播過程來獲取被測物體的相關信息，電磁波的傳播過程與材料的介電常數(shù)密切相關. 由于不同材料介電常數(shù)的差異，電磁波在穿過不同材料的過程中相位和振幅會發(fā)生變化，GPR通過電磁波相位和振幅的變化來識別被測目標的信息.

材料介電常數(shù)的差異是GPR的應用基礎. GPR發(fā)射的高頻電磁波在不同介電常數(shù)的材料中形成反射電磁波，然后探地雷達對反射電磁波進行處理，從而獲得道路結構信息. 因此，為了提高GPR探測結果分析的準確性，有必要掌握不同材料的介電常數(shù)值，分析電磁波在不同材料中的傳播規(guī)律.

電磁波振幅的變化規(guī)律應遵循反射系數(shù)公式.如果ε1<ε2，則反射系數(shù)為負，反射波的極性與入射波的極性相反；如果ε1>ε2，則反射系數(shù)為正，反射波的極性與入射波的極性相同.ε1和ε2差異越大，反射波振幅越大.

(1)

式中：R為反射系數(shù)；ε1和ε2為材料的相對介電常數(shù).

GPR工作原理如圖1所示，其中T為電磁波發(fā)射器、R為電磁波接收器、A-scan為單通道波形圖、B-scan為二維剖面圖、C-scan為多個二維剖面圖共同形成的三維圖[18]. A-scan圖中出現(xiàn)的異常振幅即為由介電常數(shù)差異反映的不規(guī)則雷達反射圖譜. 三維GPR天線發(fā)射頻率一般在50 MHz～3.5 GHz，高頻天線適用于淺部探測且精度較高，低頻天線適用于深部探測且精度較高頻天線低，進行路面結構層探測時，宜選擇高頻天線，在進行路基空洞檢測時低頻天線具有更大優(yōu)勢.

圖1 GPR工作原理圖Fig.1 Working mechanism for GPR

本文所使用的三維GPR系統(tǒng)由GeoScopeTM MK IV雷達主機和DX2125型陣列天線組成，如圖2所示. GeoScopeTM MK IV雷達主機采用數(shù)字步進頻率技術，它發(fā)射一系列具有一定階躍頻率的正弦波，并在頻域接收相應的原始數(shù)據(jù)，如圖3所示. DX2125陣列天線共有25個掃描通道，其連續(xù)頻率范圍可達200 MHz～3 GHz，與傳統(tǒng)GPR系統(tǒng)相比，具有淺層分辨率高、探測深度大等特點.

圖2 三維GPR檢測設備Fig.2 3D GPR equipment

圖3 步進頻率脈沖示意圖Fig.3 Schematic diagram of stepped frequency pulse waveform

2 試驗與方法

2.1 項目概況與雷達檢測方案

本文檢測的改擴建工程項目為雙向四車道一級公路，設計速度為80 km/h，路基寬度為25.50 m. 整體式橫斷面布置為：行車道4×3.75 m，中央分隔帶2.00 m，左側路緣帶2×0.50 m，硬路肩2×3.00 m，土路肩2×0.75 m. 該公路服役使用2年后出現(xiàn)了較為嚴重的翻漿冒泥、剝落、路表橫縫和縱縫等路面早期破壞. 本文檢測了17.2 km全幅道路層間接觸的狀況，路面結構如圖4所示. 對左幅、右幅瀝青路面的超車道、行車道和應急車道分別進行三維雷達檢測，測道布置，如圖5所示.

圖4 路面結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of pavement structure

圖5 測道布置方案Fig.5 Detection plan layout

2.2 GPR數(shù)據(jù)采集方法

三維GPR天線陣列是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的核心部件，本文采用的三維雷達發(fā)射- 接收天線結構如圖6所示，陣列包含13對發(fā)射- 接收天線，每一個發(fā)射天線都與相鄰的2個接收天線配對，從而形成25個探測點，每個通道的間距為7.5 cm，因此一次掃描可以覆蓋187.5 cm的寬度.

圖6 三維探地雷達天線陣列結構Fig.6 Antenna layout of 3D GPR

2.3 GPR數(shù)據(jù)處理方法

GPR數(shù)據(jù)采集過程會受到如移動通信基站等附近信號源的電磁干擾，因此采用干擾抑制方法識別并消除外部信號源的干擾，即

(2)

式中：D(fm)為步進頻率fm的頻域信號；等式右邊第1項為目標信號；第2項為干擾信號.當步進信號fm與干擾信號fk相差超過所設閾值時，干擾信號將會被消去.

經(jīng)過天線陣列采集到的雷達原始數(shù)據(jù)為頻域數(shù)據(jù)，需要進行逆選擇性離散傅里葉變換將頻域數(shù)據(jù)轉換為時域數(shù)據(jù)[19]，有

(3)

式中：xn表示相對時域序列；Xk表示頻域中的N個樣本的序列；Ln表示給定時域指數(shù)n下，矩陣H的最后一個非零元素的頻域指數(shù).

GPR信號的功率與距離的平方成正比，因此功率很大的淺層反射信號會極大地干擾功率很小的深層反射信號形成背景噪聲，嚴重干擾雷達圖像識別，可以采用背景濾波方法減少背景噪聲.本文通過均值法進行背景濾波，假設B-scan數(shù)據(jù)X是一個M×N的二維矩陣，x(i,j)表示第i行第j列元素，均值法具體公式為

(4)

2.4 層間接觸狀態(tài)評價方法

一對雷達收發(fā)天線在某一測點采集到的數(shù)據(jù)為反射信號沿時間變化的振幅曲線，這類曲線稱為同相軸或A-scan圖. 測點數(shù)據(jù)沿行車方向排列，將同相軸振幅強弱用灰度大小表示，形成行車方向與深度方向的B-scan圖. 由于瀝青路面為層狀結構，每層材料的相對介電常數(shù)值不同，同相軸在層位交界處會產(chǎn)生振幅峰值，并且沿行車方向具有高度連續(xù)性，典型的層間接觸狀態(tài)良好的GPR特征圖譜如圖7所示. 為了準確識別層間接觸失效，必須熟練掌握路面層間雷達圖像的同相軸特點. 層間接觸失效的GPR圖像主要表現(xiàn)為：同相軸振幅明顯增強，且加強的同相軸僅僅在水平方向有影響范圍，在深度方向影響很小. 圖8給出了典型的層間黏結失效的特征圖譜. 可以看出，雷達圖像中面層與基層之間有以正起跳為主的加強同相軸，且在深度方向影響較少. 綜上所述，本文基于三維GPR數(shù)據(jù)，提取路面瀝青層與基層之間的同相軸振幅，分析得到全幅路面層位界面掃描圖，依據(jù)瀝青路面層位界面同相軸振幅強度評價層間接觸狀態(tài)：同相軸振幅越大，層間接觸狀態(tài)越差；同相軸振幅越小，層間接觸狀態(tài)越好.

圖7 層間黏結良好的GPR圖譜Fig.7 GPR results with good interlayer contact

圖8 層間黏結失效的GPR圖譜Fig.8 GPR results with bad interlayer contact

3 結果與討論

3.1 層間接觸狀態(tài)分析

根據(jù)2.4可知，兩接觸層材料相對介電常數(shù)差值越大，界面振幅強度峰值越大，層間接觸狀態(tài)越差. 將每條檢測車道劃分為1.57 m×0.95 m大小的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格內的反射波振幅強度平均值作為該網(wǎng)格振幅強度代表值，每條車道振幅強度代表值約9 600個. 表2列出了每條檢測車道層間界面振幅強度值的統(tǒng)計結果. 由表2可知，左幅、右幅應急車道層間界面振幅平均值與同側道路其他車道相比較大，說明應急車道層間接觸狀態(tài)整體較差；同一車道層間振幅強度的最大值和最小值相差約30倍，說明同一車道不同區(qū)域的層間接觸狀態(tài)相差顯著.

表2 層間界面振幅強度值統(tǒng)計結果

圖9 各振幅區(qū)間的頻率Fig.9 Frequency distribution with amplitude interval

由于振幅強度值的分布范圍較廣，因此根據(jù)振幅分布范圍劃分了若干個振幅區(qū)間，并計算了各區(qū)間振幅的頻率，如圖9所示. 可知，無論是右幅、左幅任意車道，層間界面振幅均服從對數(shù)正態(tài)分布；區(qū)間(0.25 mm, 1.00 mm)內振幅頻率最大，累計相對頻率均大于70%. 左幅超車道為左側道路層間接觸狀況最好車道，區(qū)間(0 mm, 0.50 mm)內相對頻率最高；右幅行車道為右側道路層間接觸狀況最好車道，區(qū)間(0 mm, 0.50 mm)內相對頻率最高.

關昌余等[20]根據(jù)層間黏結系數(shù)的大小將瀝青路面結構層間接觸狀態(tài)分為層間接觸良好、層間接觸一般、層間接觸較差3個狀態(tài). 基于此，本文將層間界面振幅的分布范圍劃分成3個區(qū)間，分別為(0 mm, 1 mm)、(1 mm, 2 mm)、大于2 mm，并以此為依據(jù)對層間接觸狀況進行判斷. 圖10統(tǒng)計了上述3個振幅區(qū)間的頻率. 可知，當層間振幅小于1 mm時，應急車道振幅的頻率為70%左右，行車道和超車道振幅的頻率為80%左右，說明行車道和超車道的層間結合情況比應急車道好；振幅大于2 mm時，各車道累計相對頻率不超過3%. 公路建成后，各車道的材料特性相同，并且受到的環(huán)境作用相同，所以3條車道的層間接觸狀態(tài)差異主要由荷載狀況和施工質量決定. 現(xiàn)場進行雷達檢測時發(fā)現(xiàn)，行車道和超車道的交通量遠遠大于應急車道的交通量，受到的荷載水平較大，荷載作用次數(shù)較多，這2條車道的層間接觸狀態(tài)卻優(yōu)于應急車道.

圖10 各振幅區(qū)間的頻率Fig.10 Frequency distribution with amplitude interval

3.2 層間接觸狀態(tài)衰退規(guī)律分析

瀝青路面不同區(qū)域受到的車輛荷載- 溫度影響狀況不同，所以在荷載- 溫度耦合作用下，路面不同區(qū)域會表現(xiàn)出不同的層間接觸狀態(tài). 環(huán)境溫度過高或過低都會降低層間黏結材料的黏結強度，并且溫度越低，黏結強度衰減越明顯[7]；荷載水平增加時，瀝青層層底拉應力、應變將顯著增大，表現(xiàn)為明顯的非線性變化趨勢；高溫、重載情況時，非線性現(xiàn)象更加明顯[4]，極大地加速層間黏結強度衰減. 荷載- 溫度影響顯著的區(qū)域層間接觸狀態(tài)較差，振幅值較大；荷載- 溫度影響較小的區(qū)域層間接觸狀態(tài)較好，振幅值較小. 綜上所述，瀝青路面長期在車輛荷載反復作用和環(huán)境因素的耦合作用下，層間接觸狀態(tài)由強變弱的速率呈現(xiàn)先慢后快的趨勢.

為了研究層間接觸狀態(tài)衰退規(guī)律，本文將每條車道約19 000個層間振幅代表值按照振幅值大小進行排序，并繪制了相應的曲線圖，結果如圖11所示. 可以看出，各條車道的層間振幅值變化規(guī)律一致，且應急車道振幅值較其余2條車道大.

圖11 層間振幅變化規(guī)律Fig.11 Amplitude variation of contact layers for the three lanes

4 結論

本文基于三維GPR技術提出了瀝青路面層間接觸狀態(tài)評價原理和方法，并分析了某改擴建道路的層間接觸狀態(tài).

1) 層間接觸不良在雷達圖像中主要表現(xiàn)為層間連接處出現(xiàn)強反射，連接處波形振幅較大. 因此，利用層間界面反射波振幅可以較好地描述瀝青路面層間接觸狀態(tài).

2) 各車道層間界面振幅均服從對數(shù)正態(tài)分布. 當層間振幅小于1 mm時，應急車道振幅的頻率為70%左右，行車道和超車道振幅的頻率為80%左右，說明行車道和超車道的層間結合情況較應急車道好.

3) 當瀝青路面層間接觸狀態(tài)衰減到一定程度后，在車輛荷載作用下，路面結構層內部應力應變響應顯著.

4) 應當在層間接觸狀態(tài)一般時及時跟進預防性道路養(yǎng)護處治措施，最大程度延長道路使用壽命.