探地雷達在道路工程中的應用研究

劉 勇

自從1988年我國第一條高速公路滬嘉高速建成通車以來,我國的公路事業進入了以建設高等級公路為主的新時代,但目前,我國公路工程檢測技術還停留在世界發達國家20世紀80年代初期或中期水平,檢測設備和檢測方法原始、落后,不能很好的對工程質量進行全面、快速、準確的評價。許多費用高、效率低、勞動強度大,甚至對工程有破壞性的檢測儀器和檢測方法仍在繼續使用,傳統的公路路基路面檢測設備相對落后,現行的傳統路面性能評價方法已不能滿足日益繁忙的交通需要,為此亟需發展快速、簡便、有效的公路無損檢測評價技術,探地雷達無損檢測技術即是在此背景下逐漸發展起來的新型檢測技術。

1 國內外研究概況

在國際方面:1910年,德國專家用偶極天線探測地下相對高導電性質的區域,正式提出了探地雷達概念。Hulsenbeck在1926年第一個提出應用脈沖技術確定地下結構的思路,他指出,介電常數不同的介質交界面會產生電磁波反射。20世紀70年代后,探地雷達的應用從冰層、鹽礦等弱耗介質擴展到土層、煤層、巖層等有耗介質。80年代末期,美國率先開始將雷達技術移植于路基路面物理力學指標的無破損檢測,并于1994年制造出第一臺公路型探地雷達(簡稱路用雷達)。近年來,美國勞雷工業公司在SIR-10H地質雷達的基礎上,不斷推出多道、寬頻、高速、高分辨、深穿透、多天線、多功能的地質雷達家族,廣泛應用于路基、路面厚度和橋梁破損檢測。

在國內方面:地質雷達一誕生,我國即開始了引進,但發展緩慢,直至1997年3月在南京召開了“地質雷達公路檢測專項技術研討會”之后,該項技術在我國才受到一定的重視,先后有遼寧、河南、河北、廣西、吉林等11個省市引進路用雷達并實際應用于公路建設之中,尤要提出的是鄭州大學在路用雷達的應用、信號處理、檢測路面含水量、空隙率和壓實度的應用研究以及路面結構層材料介電特性試驗研究、層狀體系介電特性反演及其工程應用等方面做了大量的工作,并取得了一系列相應的研究成果。但總的說來,由于國內整體起步較晚,研究工作多還處于初級階段,很多技術還很不成熟和完善,亟待系統地研究。

2 探地雷達的組成及工作原理

地質雷達技術是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術。設備主要由天線、發射機、接收機、信號處理機和終端設備等組成。它是探測地表下結構和埋設物的新型無損探測儀器,即利用電磁波對地表的穿透能力,從地表上向地下發射某種形式的電磁波,電磁波在地下介質特性變化的界面上發生反射,通過接收反射回波信號,根據其時延、形狀及頻譜特性等參數,解譯出目標深度、介質結構及性質。在數據處理的基礎上,應用數字圖像的恢復與重建技術,對地下目標進行成像處理,以期達到對地下目標真實和直觀的再現。

該系統具有如下優點:1)速度快:公路探測雷達具有非常高的掃描速率,可實現高速行駛,不斷流密點測量鋪設層厚度;2)精度高:據資料統計,地質雷達對路面厚度的檢測誤差在5 mm左右;3)應用范圍廣:地質雷達可用于公路建設的全過程;4)無破損:與鉆芯取樣比較,路面雷達的檢測對路面不造成破損;5)操作簡便:自動檢測軟件具有極強的層面追蹤、層厚檢測功能。

3 道路結構層內部病害識別研究

3.1 結構層內部病害主要表現形式

主要有三種:1)層間脫空:面層與基層表面之間出現空隙,這主要是兩個層面之間施工時粘合不好或是透水性設計不當造成的。比如:有許多鉆孔資料顯示,在脫空部位常常存在1 mm～2 mm的灰土層,這是由于施工期間清理不完善所造成的;另外,如果基層透水性較好,則很容易在層間形成充氣脫空;如果基層透水性不好就很可能會使面層與基層之間形成充水脫空。2)層內蜂窩:這主要是在施工時由于壓實度不夠造成的。若是滲入了水則會形成層內富水區。3)地基基礎變形:主要會引起瀝青面層發生裂隙、脫空甚至塌陷等現象。由此可以看出,結構層病害的表現千差萬別,但具體原因主要是由于空氣或水的進入而造成的,這便成了我們應用路面雷達進行病害檢測的前提。

3.2 雷達病害識別的原理與方法

反射電磁波相位如何改變,直接取決于地層分界面的物性變化,當反射系數R的符號為負時,說明上層的波阻抗要大于下層的波阻抗,反射電磁波的相位將同入射電磁波的相位反向。反之亦然。這樣,若是在正常的道路結構中加入了水、空氣或其他介質,則可以根據反射電磁波在不同地層中其強度被衰減的程度和相位的變化,相對定性地推斷目標物的性質和變化。根據式(1)計算得知,脫空層的存在將使得反射系數增大2倍～3倍,所以來自面層的底界面的反射強度將大大增加,使得成功探測病害成為可能。

4 工程實例分析

在亮度均勻區出現高暗區,說明此處的介電常數相差較大。由此可見A處有一明顯的裂隙,層間存在小塊脫空異常,如不及時發現,就會有形成較大范圍層間脫空的可能;B與C處是兩處明顯的脫空異常,經鉆孔取芯驗證,均發現了脫空。從圖1 54 m處(正常情況)的單道波形分析中可見,D指的位置無明顯反射信號,而從56 m處(脫空)的單道波形中可以清晰地看出,在E所指的地方與D相應的地方出現了明顯的波形相位及幅值變化,呈強負相反射異常,說明此處有充水脫空情形,這與脫空產生時應有的異常特征是完全對應的。

在地下深0.3 m～0.6 m處,產生了持續30 m長的高亮區,由于其同軸的上下錯位,病害周圍產生較多無規律的雜波,所以判斷其為疏松;而在940 m處左右,有一縱向嚴重錯位,但其長度較短,判斷其為裂隙,后經實地取芯驗證,推測正確。結構層疏松裂隙雷達圖見圖2。

探地雷達(GPR)結合介電常數測試瀝青混合料的空隙率和瀝青層的剝落情況,根據所測空隙率可進行壓實度控制和含水量評價,指導道路管理部門的養護與維修。將瀝青混合料壓實時,瀝青混合料中空氣含量減少,假定瀝青含量不變則瀝青和礦料的含量增加,導致瀝青混合料的復合介電常數增加。近年來,在芬蘭開展了大量的室內壓實實驗和現場檢測試驗,得到瀝青混合料的介電常數與空隙率的關系如圖3所示,則根據瀝青混合料的復合介電常數便可直接確定瀝青混合料的空隙率。

5 結論與展望

通過工程實踐驗證,作為先進的路面無損檢測設備,探地雷達檢測技術具有快捷、無損、精度高等優點,可廣泛應用于路面結構層的厚度檢測、脫空識別、壓實度測定、含水量測定、空隙率等測定,為道路施工質量監控及養護決策提供了科學、高效的檢測手段。探地雷達應用技術的進一步研究與完善具有顯著的經濟社會效益和廣闊的推廣應用前景,對保證工程質量和我國檢測技術的發展具有重要意義。

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[3]張 蓓.路面結構層材料介電特性及其厚度反演分析的系統識別方法——路面雷達關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學博士論文,2003.