淺談探地雷達(dá)法檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)層

顏大林 杜 康

（臨沂市公路勘察設(shè)計(jì)院 山東 臨沂 276000）

1 路面結(jié)構(gòu)層缺陷檢測(cè)的意義

隨著我國(guó)道路交通量日益增大，車輛迅速大型化以及超載現(xiàn)象，使公路路面面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此路面病害檢測(cè)的作用凸顯出來(lái)，其中路面結(jié)構(gòu)層缺陷檢測(cè)是路面病害檢測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過(guò)探地雷達(dá)的檢測(cè)可以達(dá)到識(shí)別地下目標(biāo)物和道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)隱伏缺陷的目的。根據(jù)病害程度采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，保證路面的通行質(zhì)量同時(shí)也有利于對(duì)公路路面的設(shè)計(jì)、施工等各方面提供有力的資料和經(jīng)驗(yàn)。本文通過(guò)探地雷達(dá)法對(duì)某高速部分路段檢測(cè)為例淺談路面結(jié)構(gòu)層缺陷檢測(cè)。

2 設(shè)備原理

圖2.1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

探地雷達(dá)方法（Ground Penetration Radar，簡(jiǎn)稱GPR）是一種采用短脈沖寬帶高頻電磁波信號(hào)檢測(cè)地下介質(zhì)分布的新技術(shù)。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，通過(guò)天線連續(xù)拖動(dòng)的方式以寬頻帶短脈沖的形式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號(hào)在地下介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射，其反射系數(shù)（反射信號(hào)的強(qiáng)度）主要由上、下層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定。上、下層介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反之，越小。反射的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)精確記錄反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，獲得地下介質(zhì)的掃描圖像，通過(guò)對(duì)掃描圖像進(jìn)行處理，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)剖面上目標(biāo)層（體）的反射波時(shí)間延遲、波形特征以及剖面的宏觀和微觀形態(tài)組合進(jìn)行解譯，達(dá)到識(shí)別地下目標(biāo)物和道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)隱伏缺陷的目的。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，因此，根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差△T，即可據(jù)下式算出地下異常的埋藏深度H：

式中，H即為目標(biāo)層厚度；V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，由下式表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m／s；ε為相對(duì)介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)公路檢測(cè)而言，ε1為面層的相對(duì)介電常數(shù)，ε2為基層的相對(duì)介電常數(shù)。由公式（3）可知，雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越?。恢行念l率越高，穿透深度越小，反之亦然。反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下介質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號(hào)越強(qiáng)；反之，越小。對(duì)瀝青混凝土面層而言，面層與基層（穩(wěn)定層）存在明顯的電性差，可以預(yù)期面層底部會(huì)有強(qiáng)反射出現(xiàn)。不同面層（上、中、下）之間所用材料也存在細(xì)微差別，因此也可以得到較弱的反射信息。圖2.2簡(jiǎn)單描述了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)公路面層厚度的基本過(guò)程。

圖2.2 探地雷達(dá)檢測(cè)公路面層厚度基本流程

3 現(xiàn)場(chǎng)采集線路布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和檢測(cè)要求，對(duì)于道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部缺陷檢測(cè)，沿行車道輪跡帶處布置一條測(cè)線（測(cè)線布置如下圖3.1所示）。

圖3.1 道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部缺陷檢測(cè)測(cè)線布置示意圖

4 探地雷達(dá)路面缺陷檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，檢測(cè)左、右幅行車道，并對(duì)局部缺陷區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。此次雷達(dá)缺陷檢測(cè)分別給出左、右幅缺陷的解釋結(jié)果表 （見表1某高速某段道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)右幅結(jié)果、表2某高速某段道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)左幅結(jié)果表）。

表1 某高速某段道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)右幅結(jié)果表

表2 某高速某段道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)左幅結(jié)果表

道路結(jié)構(gòu)層粘結(jié)性結(jié)果代表圖

圖4.1 右幅K283+460～K283+510段雷達(dá)剖面圖

圖4.2 左幅K287+940～K287+900段雷達(dá)剖面圖

5 探地雷達(dá)結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)結(jié)果

本次雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：面層鋪設(shè)比較均勻，基層、底基層局部路段厚度不均、起伏變化較大。本報(bào)告列出部分路段路面基層以及路面各結(jié)構(gòu)層厚度變化曲線圖（圖5.1）。

6 雷達(dá)檢測(cè)剖面圖與現(xiàn)場(chǎng)取芯驗(yàn)證

通過(guò)取芯結(jié)果與雷達(dá)圖對(duì)比分析，對(duì)上次探地雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果給予充分的驗(yàn)證，也對(duì)探地雷達(dá)的準(zhǔn)確性給予強(qiáng)有力的支持（圖6.1）。

芯樣描述:裂縫貫通微表處、上中面層，下面層破碎，基層松散、破碎。

雷達(dá)剖面圖描述：面層上部裂隙，底面破碎，基層破碎。

結(jié)果對(duì)比：現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果與雷達(dá)剖面圖描述一致。

圖5.1 右幅基層厚度曲線圖（K282+585～K282+635）

圖6.1 右幅K282+586.6位置處的芯樣與對(duì)應(yīng)的雷達(dá)剖面圖

7 檢測(cè)結(jié)論

通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，此次檢測(cè)得出以下結(jié)論：

1）瀝青面層厚度均勻，個(gè)別路段存在裂縫、離析現(xiàn)象，基層與底基層間粘結(jié)不密實(shí)，基層厚度不足。

2）基層左幅K287+940～K287+900段厚度變化較大，厚度差值在10cm以上；基層與底基層間部分路段存在粘結(jié)不密實(shí)、裂縫、局部破碎現(xiàn)象。

8 結(jié)語(yǔ)

在探地雷達(dá)在路面結(jié)構(gòu)層檢測(cè)中的應(yīng)用來(lái)看，不僅檢測(cè)結(jié)果與取芯結(jié)果具有很大的相關(guān)性，而且對(duì)于區(qū)段的檢測(cè)評(píng)價(jià)也非?？煽?，并且探地雷達(dá)法更加快速、高效，對(duì)路面結(jié)構(gòu)不造成損害，因此完全可以替代現(xiàn)行的鉆孔取芯。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JTJ073.2-2001公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社，2001.

［2］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JTJ059-95公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S].人民交通出版社.1995.

［3］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JTG H20-2007公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].人民交通出版社，2007.

［4］吳傳海.高速公路瀝青混凝土路面破損狀況評(píng)價(jià)方法的缺陷及改進(jìn)[D].長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，2007，5（5）

［5］周德軍.公路與橋梁檢測(cè)技術(shù)[M].人民交通出版社，2005.

［6］山東省交通科學(xué)研究所.京福高速公路濟(jì)南西外環(huán)段路面維修方案設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2008-1-15.