探地雷達在某公路面層厚度檢測中的應用

郭志偉

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

探地雷達在某公路面層厚度檢測中的應用

郭志偉*

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

探地雷達公路路面檢測技術是一種高效、經濟、無損化的檢測技術，在未來新建、擴建的公路路面厚度檢測控制中有著廣闊的應用前景。以黑龍江省某改擴建公路路段為例，對公路的面層進行探測分析。首先介紹了瑞典MALA探地雷達工作原理，并結合工程實例，總結數據采集時參數的設置(中心頻率的確定、時窗、波速等)以及數據處理的流程和方法，為今后探地雷達公路路面檢測工作者提供一定的參考。

探地雷達；公路工程；路面厚度；檢測

1 引 言

近年來，黑龍江省道路交通流量迅速增長與現有道路服務水平的矛盾日益突出，嚴重制約了區域經濟的發展，對既有道路進行了改建升級勢在必行。隨著國家基礎建設的加大，對施工質量方面要求也愈加嚴格，在公路路面厚度檢測控制中，工程中原有的檢測方法主要是取芯法，但取芯檢測不僅效率低、檢測結果不具有代表性，且對公路路面造成一定程度的破壞，達不到經濟、高效、無損的要求[1]。隨著科技發展，探地雷達檢測技術被應用到公路路面檢測中，探地雷達檢測技術則彌補了原有檢測方法的不足之處，能夠很好地反映工程整體質量狀況。介于探地雷達檢測技術采集高效、結果直觀等優勢，其檢測效果逐漸被人們認可，今后會在公路工程路面厚度檢測中廣泛應用[2]。

2 探地雷達路面檢測的工作原理

探地雷達(Ground penetrating radar，簡稱GPR)是以目標體與周圍介質的電性差異為基礎的一種電磁探測方法[3]。它以脈沖形式向地下發射電磁波，電磁波在傳播過程中遇到電性(介電常數、電阻率)差異的介質，其路徑、波形及電磁場強度會隨之發生變化，通過接收電線收到來自不同介質界面的反射波，根據電磁傳播理論確定地下被測目標體的空間位置[4～7]。

根據該路段的設計，可知路面結構是由水泥穩定級配碎石基層(通稱水穩層)和瀝青碎石面層構成，兩種介質存在明顯的電性差異，即利用探地雷達檢測公路面層厚度是切實可行的。圖1表示了探地雷達檢測原理。

圖1 探地雷達原理示意圖

3 工程背景及檢測參數確定

3.1 工程背景

該公路工程在黑龍江省內，它是某國道的重要組成部分，采用一級公路標準，分兩期進行施工，其路段的改擴建對提高道路服務水平有著重大意義。根據現場的施工情況，以公路路段(K415+000～K417+381)的左幅為檢測對象進行研究分析。

探地雷達參數的設置直接影響著檢測效果，在工程實例中，應按照雷達工作原理和現場經驗相結合的方法合理設置參數，以便獲得最佳的檢測效果。

3.2 天線的選擇

根據探測不同深度目標體，選擇適當頻率的天線：不同頻率的天線探測深度亦不相同，天線頻率越高，探測深度越淺，其目標體的分辨率高；反之，天線頻率越低，探測深度越大，其目標體的分辨率低[8]。現場正在施工的下面層設計厚度為 8 cm，按照精度要求，此次探地雷達檢測選擇了 1.6 GHz的屏蔽高頻天線。

檢測時采用車載天線進行檢測，但天線的安裝高度直接影響著檢測結果。天線懸掛距地面過低時，采集時直達波與所測下面層波形易混淆一起，難以區分所測面層厚度；天線距地面高度過大，則影響檢測精度。根據多次試驗總結，懸掛距離地面 20 cm～25 cm位置所測的雷達圖像效果最好。

3.3 參數的設置

(1)波速的設置

對于地下不同的介質，介電常數、電阻率均不同，其電性差異直接影響著電磁波在介質中的傳播速度。

(1)

式中：v—在相應介質中電磁波的傳播速度；

c—在空氣中電磁波的傳播速度；

εr—介質的相對介電常數。

一般公路檢測中，常見介質的介電常數及對應的電磁波速如表1所示。

公路檢測中常見介質的介電常數及對應的電磁波波速 表1

但在實際公路檢測中，其檢測精度要求較高，多數情況會采用取芯法校驗波速，使設置波速吻合實際電磁波在介質中的傳播速度。

(2)時窗的確定

時窗直接關系著所采集雷達圖像的深度范圍，為確保所測目標體的電磁回波信號，應合理地設置時窗[9]。時窗可按下式估算：

(2)

式中：ω—時窗(ns)；

v—電磁波在介質中的傳播速度(m/ns)；

hmax—雷達所測的最大深度(m)；

1.3—為電磁波速和目標深度的變化所留出的余量值。

表2為雷達探測深度與不同頻率天線的對應參考值。公路路面檢測中，面層檢測主要采用 1.6 GHz屏蔽的高頻天線，水泥穩定級配碎石基層檢測主要選擇 800 MHz～900 MHz的天線。

不同頻率天線與最大探測深度的對應參考值 表2

(3)其他參數設置

采樣頻率通常按照常用天線的采樣頻率經驗值進行設置，1.6 GHz的屏蔽天線一般設置在 35 000 MHz～40 000 MHz范圍內。由于被測路面較平整，雷達檢測車的速度控制了在 20 km/h～30 km/h，采樣間隔為 0.5 m。

3.4 測線的布置

由于公路路面雷達檢測的目的是實時監控施工的質量，對其各結構層厚度情況做出階段性評價。要充分發揮雷達檢測技術快速、連續、采集樣點密集等優勢。該公路K415+000～K417+381路段一期工程施工的是左幅車道，根據要求將左幅車道分為行車道測線和超車道測線，其中行車道測線距路邊石 1.65 m，超車道距路邊石 3.65 m，測線布置如圖2所示。

圖2 測線布置圖

4 數據處理及檢測結果分析

4.1 數據處理

探地雷達采集的圖像是以脈沖反射波的波形形式進行記錄。在采集過程中，由于受地下多種因素的影響，采集的原始數據有或多或少的干擾波，致使所測圖像難以直接解譯。為了能準確解譯圖像、分析檢測結果，數據處理過程中必須提高信噪比，即削弱干擾波，增強有效信號。筆者運用Reflexw后處理軟件對原始數據進行處理，主要流程如圖3所示。兩條測線處理后圖像如圖4、圖5所示。最后，為滿足施工質量評價要求，將其處理后的數據以每 1 m生成一個厚度值提供給有關單位。

圖3 數據處理流程圖

圖5 行車道測線的雷達圖像

4.2 檢測結果驗證分析

根據生成的厚度值報表，現場在超車道隨機選取了兩個位置(K415+796和K417+411)進行取芯，將其雷達檢測數值與實際路面取芯值做對比分析。在這兩個位置對應的實際測量值分別 82 mm和 85 mm，檢測值為 80.8 mm、81.9 mm，誤差在±5 mm內。

5 結 語

探地雷達技術具有高效、經濟、無損、采樣點密集等優勢，它作為一種新型的檢測技術，其可靠度逐漸被人們所認可。探地雷達技術應用在公路路面檢測中，有利于對公路路面階段性的施工質量整體情況及時做出評價。但探地雷達公路檢測中也有一些亟須解決的問題：①公路檢方法的多樣化，缺乏統一的檢測標準；②部分參數的設置需結合經驗值；③個別雷達圖像干擾信號強，解譯困難。由此可見，有效提高信噪比也是探地雷達技術未來研究的重點。

[1] 鄧春為，徐宏武，邵雁. 探地雷達在公路路面厚度檢測中的應用[J]. 重慶交通學院學報，2005，24(5)：39～41.

[2] 耿玉玲，賈學民，李大鳴等. 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] 曾昭發，劉四新，馮暄等. 探地雷達原理與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[4] 于穎. 地質雷達技術在公路路面檢測中的應用[J]. 交通標準化，2014，42(12)：5～7.

[5] 尹付州. 地質雷達在公路路基路面檢測中的應用[J]. 西南公路，2013(2)：216～218.

[6] 李修忠，常付生，陳亞莉. 地質雷達在高速公路建設中的應用[J]. 河南交通科技，2011，19(4)：22～26.

[7] 王先桃，包太. 地質雷達在某公路路面檢測中的應用[J]. 貴州大學學報，2010，27(3)：114～117.

[8] 劉亞娟，萬成華. 地質雷達在路面厚度檢測中的應用[J]. 施工機械&施工技術，2012(9)：50～53.

[9] 向偉. 基于探地雷達城市地下空間圖像的探測識別研究[D]. 長沙：湖南大學，2014.

Application of Ground Penetrating Radar Detect the Thickness of Road Surface

Guo Zhiwei

(School of Architecture and Civil Engineer，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin 150022，China)

Considered the efficient，economic and nondestructive of the Radar detection technology of road surface ，it would have a broad application prospect. On the basis of the data from the road surface of Heilongjiang province，the working principle of the Swedish MALA Ground penetrating radar is introduced，combined with the project，parameter settings and the processing method are summaries，and it provide a reference for application of Ground penetrating radar to detect road surface.

ground penetrating radar；highway engineering；pavement thickness；testing

1672-8262(2017)03-171-04

P631

B

2016—11—23

郭志偉(1989—)，男，碩士研究生，研究方向：邊坡穩定性監測及控制理論與技術。