探地雷達(dá)在道路工程檢測(cè)中的應(yīng)用分析

何鵬程

（蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，江蘇 南京 211100）

1 路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)中探地雷達(dá)的應(yīng)用

1.1 原理和方式

通常情況下，一定距離范圍內(nèi)的道路路面結(jié)構(gòu)層的厚度是相同的。根據(jù)相關(guān)工程的設(shè)計(jì)需要，每一層的材料都需要相同，并且每一層的材料在鋪設(shè)過(guò)程中都需要分層進(jìn)行碾壓以及維護(hù)。因此，每個(gè)結(jié)構(gòu)層對(duì)于探地雷達(dá)所使用的電磁波來(lái)說(shuō)，都屬于一種具有良好導(dǎo)電性且導(dǎo)電分布均勻的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，使用探地雷達(dá)所要檢測(cè)的結(jié)構(gòu)層相當(dāng)于一個(gè)假設(shè)性的模型。

電磁波以及其他波在傳播的方式和規(guī)律方面都相同，其中最主要的一個(gè)特點(diǎn)是：電磁波傳播時(shí)，如果碰到了具有一定差異性的介電特征，可能會(huì)反射電磁波。而探地雷達(dá)電磁波信號(hào)，在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是各種被反射回來(lái)的電磁波信號(hào)之間不斷地進(jìn)行重疊。在介質(zhì)內(nèi)傳播的電磁波所具有逐漸減弱的特性，因此各種小于入射波幅度的波構(gòu)成了探地雷達(dá)電磁波的反射信號(hào)。

在檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)層厚度時(shí)使用探地雷達(dá)，原理是通過(guò)路面內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)層界面的電磁脈沖接收到其反射波的時(shí)間長(zhǎng)短以及傳播的速度，對(duì)路面內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度進(jìn)行判斷。

根據(jù)電磁波在各個(gè)結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播時(shí)間以及速度等，可以通過(guò)公式（1）對(duì)路面的結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行計(jì)算：

c

為了使公式（1）成立，就需要忽略介電常數(shù)的虛部，同時(shí)還要保證電磁波的射入和在結(jié)構(gòu)層中反射的方向都處于垂直狀態(tài)。根據(jù)公式（1）可以知道，使用探地雷達(dá)檢測(cè)路面厚度時(shí)，檢測(cè)方式就是充分了解路面結(jié)構(gòu)層的相對(duì)介電常數(shù)和路面結(jié)構(gòu)層中的電磁波傳播時(shí)間，還要了解結(jié)構(gòu)層介質(zhì)中電磁波傳播的時(shí)間。

首先要掌握探地雷達(dá)反射信號(hào)在地面表層、空氣以及其他結(jié)構(gòu)層面的基本特性。

其次，還要掌握各個(gè)結(jié)構(gòu)層面的特性在探地雷達(dá)的檢測(cè)面的多對(duì)應(yīng)反射波組。

最后，當(dāng)對(duì)反射層面的對(duì)應(yīng)波組進(jìn)行確認(rèn)以后，就要將整個(gè)結(jié)構(gòu)層面的各個(gè)反射波組通過(guò)自動(dòng)拾取功能提取出來(lái)。

1.2 技術(shù)參數(shù)的選定

1.2.1 雷達(dá)中心頻率的確定

對(duì)于探測(cè)深度、雷達(dá)圖分辨率來(lái)說(shuō)，確定雷達(dá)中心的頻率具有十分重要的作用。雷達(dá)接收的波形信號(hào)的分辨率會(huì)隨著中心頻率的提升而提升，從而使檢測(cè)工程的準(zhǔn)確度得到提升，但是所能探測(cè)到的結(jié)構(gòu)層厚度就會(huì)降低。因此，在使用探地雷達(dá)進(jìn)行結(jié)構(gòu)層檢測(cè)時(shí)，需要在檢測(cè)深度得到有效保證的情況下，對(duì)工作頻率進(jìn)行最大限度的調(diào)高，從而使波長(zhǎng)得到有效降低。

1.2.2 測(cè)量時(shí)窗的確定

最大的雷達(dá)探測(cè)厚度以及電磁波在介質(zhì)中傳播的速度會(huì)對(duì)采樣時(shí)窗的大小產(chǎn)生影響，將上述的可能性參量的變化程度確定在50% 左右，可以通過(guò)公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中：最大的探測(cè)厚度用D表示；采樣時(shí)間窗用ω 表示；雷達(dá)波在介質(zhì)結(jié)構(gòu)層中的傳播速度為v。

通過(guò)對(duì)電磁波傳播速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，可以得到時(shí)窗參數(shù)，其中雷達(dá)波的平均速度是0.08m/ns。

1.2.3 采樣點(diǎn)數(shù)量的確定

一般的探地雷達(dá)帶寬和天線(xiàn)的中心頻率都是1，可以確定被天線(xiàn)輻射出來(lái)的電磁脈沖一般在0.5～1.5 倍的中心頻率中布滿(mǎn)了能量。因此，天線(xiàn)1.5 倍的中心頻率就是雷達(dá)所具有的最大頻率。

采樣依據(jù)Nyquist 定律，為能夠更好地展示反射雷達(dá)波內(nèi)的信息，在確定采樣頻率時(shí)，應(yīng)該確保其在雷達(dá)最高頻率信號(hào)的2 倍以上，與此同時(shí)，為得到更好的采樣效果，可以提升采樣的頻率。所以，天線(xiàn)6倍的中心頻率大概就是雷達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)的采樣頻率，其中采樣的孔隙可以通過(guò)公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式（3）中：天線(xiàn)的中心頻率表示f；采樣數(shù)量的參數(shù)所選值的范圍一般在（N=512，1024，2048）；設(shè)置雷達(dá)的樣本數(shù)量一般為512。

2 探地雷達(dá)在道路病害檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 松散病害檢測(cè)

道路對(duì)行駛車(chē)輛的承載能力會(huì)隨著路基的松散而逐漸下降，外界環(huán)境會(huì)影響其基礎(chǔ)部分出現(xiàn)一定的塌陷。

2.1.1 出現(xiàn)路基松散的主要原因

（1）使用墊料鋪設(shè)路面下層后，在進(jìn)行碾壓工序時(shí)，最終的標(biāo)準(zhǔn)高度小于原有的工程設(shè)計(jì)高度，上層的墊料需要加厚，但是將上層的結(jié)構(gòu)層墊料加厚以后，會(huì)造成該結(jié)構(gòu)層的實(shí)際厚度超過(guò)了碾壓的要求厚度，使路面結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)松散的情況。

（2）在施工過(guò)程中，沒(méi)有根據(jù)相應(yīng)的施工規(guī)范要求進(jìn)行作業(yè)。在對(duì)不同墊料進(jìn)行碾壓時(shí)，需要使用不同的壓路機(jī)，如對(duì)碎石土進(jìn)行填料碾壓時(shí)需要用振動(dòng)壓路機(jī)；對(duì)粉煤灰進(jìn)行填料碾壓時(shí)應(yīng)該使用重型靜力壓路機(jī)。

（3）選擇的墊料不合適。對(duì)路基進(jìn)行填筑的過(guò)程中，所使用的泥炭或者凍土等墊料沒(méi)有進(jìn)行技術(shù)上的處理。

（4）在對(duì)路基進(jìn)行填筑的過(guò)程中，將不同的墊料混合到了一起。不同墊料的密度存在差異性。對(duì)路基進(jìn)行施工時(shí)，需要將墊料進(jìn)行分類(lèi)處理，對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要使用一樣的標(biāo)準(zhǔn)，如果將墊料混合到一起進(jìn)行填筑，就會(huì)降低壓實(shí)效果，使路基的壓實(shí)度不高，會(huì)出現(xiàn)路基松散的情況。

（5）地基的承載能力隨著外界環(huán)境的不斷變化和影響而降低。如果在鋪設(shè)路面的過(guò)程中，排水系統(tǒng)設(shè)置得并不完善，路基排水能力差，導(dǎo)致水長(zhǎng)期浸泡路基，出現(xiàn)松散的情況。

2.1.2 松散路基的雷達(dá)圖形

壓實(shí)度較好的路段，各個(gè)結(jié)構(gòu)層中的介質(zhì)密度和水分都均勻地分布，在同一個(gè)結(jié)構(gòu)層面的介質(zhì)中，電磁波在傳播過(guò)程中指數(shù)會(huì)不斷地降低，并且在雷達(dá)的剖面上，反射振幅較弱、反射信號(hào)顯示的相位有序；壓實(shí)度較差的路段，各個(gè)結(jié)構(gòu)層中的介質(zhì)密度和水分會(huì)呈現(xiàn)不均勻的分布，電磁波在同一層介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，如果遇到了水分或者介質(zhì)密度分布差異性較大的地方，就會(huì)呈現(xiàn)明顯的反射情況，導(dǎo)致在雷達(dá)圖形上呈現(xiàn)較強(qiáng)的反射振幅以及反射信號(hào)相位缺乏連續(xù)性。

病害最常出現(xiàn)的位置是橋頭，因此在對(duì)橋頭進(jìn)行松散檢測(cè)時(shí)，其雷達(dá)波呈現(xiàn)明顯的響應(yīng)特征，并且出現(xiàn)了多次雷達(dá)波以及繞射波的情況。而出現(xiàn)松散情況的位置在反射上的標(biāo)志就是雷達(dá)剖面的反射存在多次且散亂的情況，根據(jù)該顯示可以判斷出松散位置存在的區(qū)域。

2.2 空洞病害檢測(cè)

當(dāng)?shù)缆饭こ坛霈F(xiàn)空洞病害時(shí)，可能會(huì)引起路面塌陷。

2.2.1 產(chǎn)生空洞的主要原因

（1）路基的密實(shí)度受到地下工程的影響而逐漸下降，時(shí)間久了就會(huì)出現(xiàn)路基沉降，同時(shí)該處會(huì)變成一個(gè)空洞。

（2）路基受到地下水不停沖刷的影響，導(dǎo)致路基出現(xiàn)塌陷，從而出現(xiàn)空洞。

（3）當(dāng)?shù)叵鹿艿莱霈F(xiàn)破損時(shí)，會(huì)使管道的內(nèi)部和外部之間形成一條通道，周?chē)耐寥蓝茧S著壓力而被吸入管道，使該處的路基出現(xiàn)空洞。當(dāng)空洞出現(xiàn)時(shí)，道路上層的壓力需要依靠瀝青或者混凝土部支撐，時(shí)間久了就會(huì)破壞路面，嚴(yán)重的會(huì)使路面出現(xiàn)塌陷。

2.2.2 空洞的雷達(dá)顯示圖

正常情況下，如果路面和下面各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間貼合得比較緊密，在使用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，其電磁波信號(hào)所形成的反射就比較弱，并且電磁的反射波呈現(xiàn)出一種帶狀、有規(guī)律性且有序的反射波。如果對(duì)出現(xiàn)空洞的部位進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)，那么電磁波在傳播過(guò)程中，由于空洞周?chē)慕橘|(zhì)和其他地方的介質(zhì)電性方面存在著較大的差異性，就會(huì)出現(xiàn)明顯的反射電磁波。這也是對(duì)空洞使用探地雷達(dá)檢測(cè)的前提條件。在探地雷達(dá)圖上，其空洞位置顯示出來(lái)的是兩側(cè)比較強(qiáng)的繞射波；如果空洞距離地面比較近，并且空洞中的介質(zhì)是空氣，那么在雷達(dá)波形圖上，該處的異常顯示為逐漸上升的反射波振幅，同時(shí)有空洞的位置會(huì)呈現(xiàn)出多次性的發(fā)育波；如果空洞部分的電磁波傳播介質(zhì)為水，并且該處出現(xiàn)了下陷的情況，那么在雷達(dá)波形圖上，異常位置會(huì)呈現(xiàn)出逐漸上升的反射波振幅，且下陷部分的反射波的同相軸，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)顯著的凹陷情況。

2.3 沉陷病害檢測(cè)

道路的正常運(yùn)營(yíng)會(huì)因?yàn)槁坊霈F(xiàn)沉陷而受到影響，如果沉陷較為嚴(yán)重，那么道路上車(chē)輛的行車(chē)安全就會(huì)受到威脅。

2.3.1 道路出現(xiàn)沉陷的主要原因

（1）缺乏完整的地質(zhì)資料，道路下面可能存在暗溝或者溶洞，時(shí)間久了就會(huì)對(duì)路基的穩(wěn)定性造成影響，使路基出現(xiàn)沉陷的情況。

（2）使用墊料對(duì)路基進(jìn)行填筑的過(guò)程中，由于沒(méi)有很好地控制填土的壓實(shí)度，導(dǎo)致填土的后期塑性和黏彈性不足，出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況，引起該處路面沉陷，其中最為明顯的沉陷路段就是具有較高填土的部分。

（3）在路面施工過(guò)程中，由于填土的速度快于相關(guān)規(guī)范的要求，并且軟土地基部分的填土高度缺乏臨界點(diǎn)，導(dǎo)致填土到臨界位置時(shí)，無(wú)法加強(qiáng)對(duì)路基沉陷的觀(guān)測(cè)，使整個(gè)路基承載能力降低，部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)沉陷問(wèn)題。

2.3.2 沉陷的雷達(dá)顯示圖

對(duì)道路出現(xiàn)沉陷使用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其波形圖中的反射信號(hào)呈現(xiàn)的形式為凹陷形，呈整體狀態(tài)出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在道路工程檢測(cè)中，最具高效性、無(wú)損性、便捷性以及連續(xù)性的檢測(cè)方式就是探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)。對(duì)探地雷達(dá)在實(shí)際道路工程檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探究分析，通過(guò)該技術(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)的應(yīng)用，對(duì)該技術(shù)的原理和方式做出詳細(xì)闡述，并且對(duì)道路病害檢測(cè)進(jìn)行研究。在對(duì)公路的施工質(zhì)量進(jìn)行檢查時(shí)，經(jīng)常應(yīng)用LTD—3R 型路面檢測(cè)車(chē)載系統(tǒng)，其主要的構(gòu)成結(jié)構(gòu)是：工程車(chē)、便攜計(jì)算系統(tǒng)、雷達(dá)主機(jī)以及空氣耦合天線(xiàn)等。在檢測(cè)過(guò)程中，其水平檢測(cè)速度最高可以達(dá)到60km/h，并且各類(lèi)型指標(biāo)基本達(dá)到或超過(guò)到國(guó)外相類(lèi)似產(chǎn)品水平，該檢測(cè)系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的鉆芯方式，對(duì)公路的路面結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，確保整個(gè)工作具有較高的速度、精準(zhǔn)度以及無(wú)損性。不僅如此，探地雷達(dá)還被廣泛應(yīng)用在我國(guó)的交通、地質(zhì)、考古等部門(mén)，在我國(guó)的整體經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，具有一定的重要性。