基于反射系數法的探地雷達快速無損檢測技術研究

趙志強，蔣龍松

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112）

基于反射系數法的探地雷達快速無損檢測技術研究

趙志強，蔣龍松

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112）

分析不同路面材料介電常數獲取方法的優劣，研究基于反射系數法的探地雷達快速無損檢測瀝青路面厚度、壓實度方法。實體工程數據表明，測試結果具有較高的精度和準度。

無損檢測；探地雷達；反射系數；厚度；壓實度

1　概 述

探地雷達GPR通過發射天線向地下發射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發生反射，根據接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度，是國內外技術最為成熟、應用最為廣泛的快速無損檢測方法。

路面材料介電常數獲取方法至關重要，是探地雷達無損檢測技術的核心，直接影響到測試結果的精度和準度。我國《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）要求采用鉆孔取芯標定法，獲取路面材料介電常數，計算路面結構厚度。本文采用真正“無損”的反射系數法獲取路面材料介電常數，實現探地雷達測試瀝青路面厚度、壓實度，達到快速、高效、無損評判路面結構層狀況的目的。

2　介電常數標定方法

探地雷達測試的對象是路面結構層中的介質。介質物理學中，介質的介電特性由介電常數，磁導率和電導率來描述，對于常見路面材料，大都屬于非磁性材料，所以在實際應用中為簡化計算常把其磁導率認為是1，而電導率對電磁波傳播特性的影響已蘊含在介電常數的虛部中。因此，介電常數是路面材料介電性能最重要的參數。

路面材料介電常數獲取方法主要包括：介電常數法、鉆孔取芯法、反射系數法、幾何刻度法、共點中心法、霍夫變換法等。鉆孔取芯法直接通過取芯測量來對介電常數進行反算標定，原理最為簡單、應用最為便捷，意大利IDS公司的RIS系列雷達推薦采用鉆孔取芯法；反射系數法理論成熟，且能做到真正的“無損”，也越來越受到國內外研究者的重視，美國勞雷工業公司的SIR系列雷達主推反射系數法。幾何刻度法、共中心點法、霍夫變換法，主要用于分體式天線，實際操作過程比較復雜，實體工程應用較少。

2.1鉆孔取芯法

鉆孔取芯法就是在探地雷達測線上隨機選取一點鉆孔取芯，量其實際厚度。用剖面上該點的雙程走時和實際厚度二個參數，便可標定探地雷達波在該標定層內的介電常數。我國《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）要求采用此方法標定計算介電常數，公式為：

其中：Δt為剖面上該點的雙程走時，ns；c為電磁波在空氣中的傳播速度，取300 mm／ns；H為該點實測厚度，mm。

鉆孔取芯標定法的應用前提條件時假設瀝青路面介質是均勻的，電磁波傳播速度相對不變，即單個鉆孔點標定出的速度可代表全段的速度；當然，瀝青路面介質并不是完全均勻，其介電特性也會有輕微的差別不同。大量工程實測數據表明，在同一標定內鉆孔標取芯定法的波速誤差通常為2%，還是相對比較精確的，是現在應用較多的一種方法。

實際測試過程中，可以取若干個鉆孔點的波速均值作為測試計算用波速，也根據施工單位和材料的不同，將測試路段分成若干段，每段采用本段所測得的電磁波速。

2.2反射系數法

反射系數法是利用反射系數與反射波的關系，根據電磁波在上一結構層中的傳播速度以及電磁波在空氣中的傳播速度為定值，利用該定值便可推導出其在下一結構層中的傳播速度。

反射系數法具體實施方法如下：在路面上放置一塊金屬板，得到全反射振幅Am，鑒于金屬板是全反射體，有反射系數Rm=1；當去除金屬板時，從路面接收到反射振幅A1；然后根據分界面的反射系數與該介面的反射波幅關系及其反射系數定義，可以求出第一層波速V1及以下各層波速Vn。

圖1　反射系數法示意圖

3　路面厚度無損檢測技術

探地雷達測厚效率是傳統方法所無法相比的。為規范使用方法，普及先進技術，提高試驗檢測的質量和效率，2008年修訂《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）時將其納入，成為我國交通行業工程標準試驗方法，編號：T 0913-2008短脈沖雷達測定路面厚度試驗方法。

T 0913-2008簡單的規定采用鉆孔取芯法獲取路面材料的介電常數，但如前所述反射系數法的應用也日益廣泛。故本文借鑒參考T 0913-2008所述的測試步驟和方法，采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達，在某二級公路改建工程進行探地雷達厚度測試試驗。現場試驗過程中，采用反射系數法獲取路面材料介電常數；同時，輔以鉆孔取芯法，研究驗證反射系數法獲取路面材料介電常數的可靠性和準確性，見表1。

從上表可以得出，兩種方法的介電常數測試結果基本一致，說明反射系數法具有較高的精度和準度，完全可用于探地雷測定路面厚度試驗，逐點獲取路面材料介電常數，逐點計算路面結構厚度，測試結果更加詳盡、客觀、公正、準確。

4　路面壓實度無損檢測技術

探地雷達檢測瀝青路面壓實度的原理也與路面材料的介電常數有關。瀝青混合料的介電常數由固液氣三相比例決定，瀝青混合料被壓實時，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應增加，瀝青混合料的相對介電常數也隨著變大，即介電常數與現場空隙率負相關。

如何建立介電常數與空隙率的關系模型是探地雷達測試瀝青路面壓實度的核心。近些年，國內外開展了大量關于轉換關系模型的研究，其中比較權威、經典是芬蘭pank的空隙率計算模型：

其中：y為空隙率，%；A、B為模型參數，回歸計算得出；εx為介電常數。

美國、德國等歐美國家均采用上述模型檢測計算瀝青路面現場空隙率。本文也推薦采用此模型，具體方法如下：根據反射系數法獲取的路面材料介電常數數據，選取介電常數分布跨度比較大的5個點進行現場取芯，并測試芯樣現場空隙率。即可利用現場空隙率和介電常數數據回歸計算模型參數，然后計算全線各測點的現場空隙率，分析評價測試路段的壓實度狀況。本文采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達，在某高速公路進行探地雷達壓實度測試試驗，見圖2～圖3。

圖2　介電常數與現場空隙率轉換模型

圖3　測試路段壓實度隨里程變化

5　實體工程應用

5.1工程概況

揚州市S331省道是省干線公路網中重要組成部分，同時也是揚州市公路網“八縱十橫”中的一條，直接連接著京滬高速公路，在周邊公路網中發揮著重要作用。寶應運東段樁號為K110+000～K119+000，標段全長9.0 km，現有路面寬度9 m，土路肩寬2×1.5 m，公路等級為二級公路，日平均交通量約6 000輛／晝夜。測試路段維修改造方案為銑刨原路面兩層瀝青面層（4 cm+5 cm），然后進行基層18 cm水泥就地冷再生，最后回鋪4 cm普通瀝青Sup13上面層+6 cm廠拌溫再生普通瀝青下面層。

5.2檢測過程

揚州S331省道改造工程交工驗收過程中，采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達進行瀝青加鋪層厚度、壓實度檢測，具體的檢測參數如下：采樣間隔為10 m、測試速度為60 km／h、介電常數獲取方法為反射系數法。參照T 0913-2008短脈沖雷達測定路面厚度試驗方法進行路面結構的電磁信息采集，結束后將金屬板放置在天線正下方，啟動控制軟件的標定程序，獲取反射系數法標定路面材料介電常數的相應參數。

圖4　Wavebounce型探地雷達厚度、壓實度檢測

5.3厚度測試結果

揚州S331省道寶應運東段改造工程瀝青加鋪層厚度檢測結果，見表2和圖5。

表2　瀝青加鋪層厚度檢測結果匯總表

圖5　瀝青加鋪層厚度隨里程變化

5.4壓實度測試結果

揚州S331省道寶應運東段改造工程瀝青加鋪層現場壓實度檢測結果，見表3和圖6。

表3　瀝青加鋪層現場壓實度檢測結果匯總表

圖6　瀝青加鋪層現場壓實度隨里程變化

6　結 語

路面材料介電常數獲取方法是探地雷達無損檢測的核心。反射系數法獲取的路面材料介電常數與鉆孔取芯法基本一致，具有較高的精度和準度，且能真正做到“無損”，在探地雷達無損檢測瀝青路面厚度、壓實度方面應用前景廣闊。

［1］ 中華人民共和國交通部.《公路路基路面現場測試規程》（JTG E600-2008）［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 耿玉嶺，賈學民.公路路面無損檢測中的探地雷達技術研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］ 黎春林.探地雷達檢測路面含水量、空隙率和壓實度的應用研究［D］.鄭州：鄭州大學，2003.

Base On Reflection Coefficient Method Of GPR Rapid Nondestructive Testing Technology Research

ZHAO Zhi-qiang，JIANG Long-song
（JSTI GROUP，Nanjing，Jiangsu 211112，China）

The paper analyzes the advantages and disadvantages of different methods to obtain the dielectric constant of the material surface，the reflection coefficient based on GPR asphalt pavement thickness，degree of compaction method for rapid non-destructive testing.Entity engineering data indicate that the test results with high precision and accuracy.

non-destructive testing；GPR；reflection coefficient；thickness；degree of compaction

U415.5

C

1008-3383（2016）10-0166-03

2016-07-22

趙志強（1983-），男，遼寧綏中人，工程師，從事道路檢測研發工作。