探地雷達在土地整治道路工程驗收中的應用研究

宋文文，李新舉

(山東農業大學資源環境學院，山東 泰安 2710000)

0 引言

目前，我國的道路工程質量驗收傳統檢測方法(灌砂法，鉆孔取心法等)常因各種因素的影響導致道路工程驗收程序比較復雜，一般以設計質量要求標準為指標，在不同道路進行隨機選點，鉆孔取樣，進行后期分析處理，得到厚度、深度、強度、壓實度等工程參數。這種方法直觀、可靠，能夠直接反映地下物質的某些特性，但也存在著局限性。首先由于隨機取樣，會導致檢測結果的隨機性較大，難以全面系統的反映道路工程的實際質量情況，還會導致道路質量的總體分布不均；其次，由于檢測深度有限，難以發現道路基礎內部的隱患；最后，由于鉆心效率低，需要耗費大量的人力物力以及時間成本，其精度與安全性較差[1]。這些方法對道路有一定程度的毀壞作用，影響道路的正常使用，已經越來越無法適應道路建設高速發展的要求。因此，道路質量的無損檢測技術逐漸成為關注的熱點問題。

探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是利用高頻脈沖電磁波的反射回波快速、無損的探測介質表面下目標體的特征并生成波形圖像的電磁波技術[2]。雷達波在介質中傳播時，其路徑、波場強度、波形將隨所通過的介質的電磁特性和幾何形態而發生變化，根據收到的電磁波特征，可推斷目標體的空間位置和結構特征[3-4]。

楊天春[5-6]等采用各種反射波識別方法和振幅補償法，實現了對混凝土路面面層厚度的反演，并表明采用路面雷達能滿足目前道路無損檢測的高精度需要。中國電波傳播研究所的LTD系列探路雷達系統能夠應用于高等級公路的檢測，而且LTD-2000型探地雷達的某些技術性能指標已達到或者超過了國外同類儀器水平，研究所也配備了專門應用于公路的數據自動化分析處理軟件[7-8]。

當前，探地雷達主要應用在結構層厚度、道路缺陷與結構層病害檢測之中[9-10]，例如在建設期，可實現對結構層的厚度以及密實性等的檢測，來及時掌握施工質量，提高施工期的質量；在道路運行期間，利用探地雷達可以定期對路面與路基進行檢查，幫助管理部門掌握路面或路基松散或者脫空等病害以及病害的發展趨勢，從而制定針對性的方案，采取有效補救措施；在維修期，可以用來檢測裂縫、脫空、松散等病害，為維修提供準確的數據參考[11-14]。但是應用范圍主要涉及城市道路與高級公路等設施，近年伴隨政府對農村基礎設施的重視，新農村建設的快速發展[15]，為了滿足生產與生活的需要，農村公路越來越多，與此同時農村公路質量問題也暴露出來，農村道路施工質量優劣影響著道路使用壽命，更會影響村民生產與出行，制約農村經濟發展。而農村道路的驗收工作與質量評價還在受傳統方法的制約，僅僅依靠道路邊緣心樣來進行質量評價，低效、局限，無法全面掌握施工質量。因此，開展探地雷達對農村道路的質量檢測也十分必要。

該文結合具體土地治理工程實例，通過探地雷達對項目區混凝土路面道路工程驗收進行厚度結構探測，結合不同設計標準要求，經過圖像解譯后利用探測數據對其道路工程進行質量評價，為道路工程驗收工作提供幫助。

1 雷達探測道路結構的原理與方法

1.1 探測道路厚度原理

在均勻的介質中，電磁波以一定速度傳播，當遇到有電性差異的地層時，如不同材料的交界面、斷層、破碎帶、溶洞和含水層等，電磁波便會發生反射，返回到地面或探測點，被接收天線R接收并記錄，得到從發射經地下界面反射回接收天線的雙程走時t。當介質的波速已知時，可根據測到t值，并結合對反射電磁波的頻率和振幅等進行處理和分析，便可得到目標的位置、深度和幾何形態[16]。工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達檢測道路工程時的工作原理

圖2 探地雷達反射波示意圖

完整的電磁波傳播過程如圖2所示。厚度檢測的關鍵是檢測電磁波在地下介質中的傳播時間，通過發射天線向地面發射脈沖信號，脈沖在地下介質的傳播過程中遇到具備不同介電特性的界面時會產生反射和折射[17-18]。首先波的一部分在空氣與路面界面產生反射，另一部分向下穿透，由于空氣與路面材料介電常數的差異，波在穿透過程中產生折射，當折射波碰到第二界面(面層與基層界面)時，一部分波在界面處反射，并穿過面層由接收天線接收反射回來的信號；另一部分波則繼續向下，穿透基層并在與底基層的界面處發生反射和折射。有地質雷達記錄的地面反射波與地下反射波的時間差ΔT，和電磁波在介質中的傳播速度V，便可計算出不同結構層的厚度H：

(1)

式中：V—電磁波在介質中的傳播速度。

1.2 電磁波速度求取方法

1.2.1 介電常數法

若介質為非磁性、非導電介質時，可以用(2)式求?。?/p>

(2)

式中：C—電磁波在大氣中的傳播速度，理論值為30cm/ns;εr—面層介質的相對介電常數，取決于構成面層的所有介質的介電常數。

求出不同結構層的介電常數，可得到電磁波在各結構層中的傳播速度。速度V乘以電磁波在結構層的往返時間的一半即得到各結構層厚度[19]。但介電常數法應用范圍具有局限性，常受到多種因素的影響，因此計算出的波速可作為參考。

1.2.2 已知目標深度法

已知目標深度法[20]是在道路工程測量中常用的一種方法，當天線固定于地表不動時，探地雷達發射天線和接收天線之間的距離很小可以忽略不計，此時：

(3)

利用剖面法使用探地雷達記錄電磁波的雙程走時t，只要目標埋深h已知，就可以計算波速。

實際工作中，可以采用預先設置埋設物或鉆孔取心來獲取地層或目標體的深度。

2 工程應用實例研究

2.1 項目區簡介

研究區位于泰安市岱岳區祝陽鎮土地治理項目區與泰安市新泰市谷里鎮土地治理項目區，以項目區道路為研究對象，依據在泰安市土地治理項目的道路驗收標準，使用了探地雷達技術對項目區的道路工程質量進行了檢測，運用pulse EKKO PRO 1000型探地雷達采用剖面法對道路工程混凝土路面進行雷達探測，結合現場鉆孔取心進行電磁波速度修正，獲得不同設計標準的道路工程面層的厚度結構與路面的均勻度情況。

2.2 探測參數選擇

室外數據采集時的參數設置關系到道路工程質量的探測效果。使用加拿大pulse EKKO PRO 1000型探地雷達，時窗設置為36ns，雷達天線為250MHz，初始電磁波速度設置為v1=0.1m/ns。

2.3 儀器設備

該次道路探測工作主要使用到的雷達設備為加拿大Sensors&Software公司的首發分離式雷達：pulse EKKO PRO 1000型探地雷達，及配備250MHz空氣耦合天線。

2.4 工程實地探測

2.4.1 現場探測

分別對泰安市岱岳區祝陽鎮土地治理項目區與泰安市新泰市谷里鎮土地治理項目區的道路工程進行質量檢測，主要測試道路面層、基層的厚度等技術參數，以及均勻度，檢驗其是否達到原設計要求。

2.4.2 介電常數標定

影響探地雷達探測混凝土面層結構厚度的因素主要在波速的標定上，但由于兩個不同鄉鎮項目區的施工單位采取的施工材料的差異以及混凝土面層道路的含水量、孔隙率等因素的存在，使得混凝土材料的介電常數存在一定程度上的不確定性。

現場分別取得了祝陽鎮18cm設計標準的混凝土路面道路的8個心樣，與谷里鎮15cm設計標準的混凝土路面道路的3個心樣和12cm設計標準混凝土路面道路的3個心樣，共計14個混凝土路面道路的心樣。結合雷達探測的雙程走時，通過公式(2)和(3)，分別對道路面層的電磁波速度進行標定，計算出14個混凝土面層的介電常數，取有效介電常數的平均值作為該面層的介電常數值，計算結果見表1、表2。

表1 介電常數標定(祝陽項目區)

表2 介電常數標定(谷里項目區)

由(2)式計算可得，標定祝陽鎮項目區設計標準為18cm混凝土路面道路介電常數為6.39。根據實測心樣的厚度，通過(3)式，計算得各面層介質的電磁波傳播速度，將均值作為速度標定值，標定為11.89cm/ns。同理，由表2可得，谷里鎮項目區混凝土設計標準面層為15cm道路的介電常數標定為7.38，面層為12cm設計標準的混凝土路面道路的介電常數標定為8.21，進而面層介質的電磁波速度分別標定為11.12cm/ns與10.53cm/ns。

3 探測結果處理

3.1 雷達探測混凝土路面道路厚度結構

由于研究項目性質為治理項目，旨在建設鄉村的道路以及基礎設施，改善村民的交通條件，提升村落之間的道路通達度，不涉及道路墊層的設計，基層材料就地取材，為整平后的碎石與素土，因此基層為素土路基。面層根據不同項目區，介質材料設計為不同配比的混凝土。其中，岱岳區祝陽鎮土地治理項目區的道路工程的設計標準為面層至少為18cm，新泰市谷里鎮土地治理項目區的道路工程根據主干道與所走車輛的不同，設計標準分別為混凝土面層達到15cm與12cm。

現場探測雷達數據進行校正、增益、背景去噪、反褶積等多項預處理，有效抑制圖像噪聲，提高圖像分辨力，最后根據相應的電磁波傳播速度修正值完成厚度分析工作。兩個項目區道路實測厚度結構圖像如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 設計標準18cm混凝土路面道路厚度結構

圖4 設計標準15cm混凝土路面道路厚度結構

圖5 設計標準12cm混凝土路面道路厚度結構

以上檢測結果以m為單位，橫向為測線長，縱向為厚度值，綜合圖3、圖4、圖5，對面層與基層厚度數據進行綜合分析，可以看出設計標準為18cm項目區道路面層厚度總體分布在20～21cm之間，面層厚度起伏不大，基層厚度變化幅度也不大；設計標準15cm項目區道路面層厚度總體分布在14～16cm之間，面層厚度分布總體較為均勻，起伏不大，基層厚度分布相對均勻，局部變化幅度較大，可見，施工過程中可能存在素土基層壓實不充分出現不均勻沉降，基層未達到平整要求；設計保準12cm項目區道路面層厚度總體分布在12～14cm之間，面層厚度分布較為均勻，起伏不大，基層厚度變化幅度也不大，較為平整。所以，除個別基層壓實不到位以外，項目區道路工程總體達到質量驗收標準。

3.2 探測道路厚度結果

通過對厚度檢測結果進行計算與綜合分析，進行道路厚度綜合評定，由表3與表4可以看出，探地雷達對祝陽項目區道路混凝土面層厚度相對誤差為1.39%，均值為21.025cm，標準差為0.66；對谷里鎮項目區設計標準為15cm的混凝土面層厚度相對誤差達-1.43%，均值為15.4cm，標準差為0.65；設計標準為12cm的混凝土面層厚度相對誤差為0.34%，均值為12.07cm，標準差為0.082。由此可見，鉆心法對于測定道路厚度的誤差相對較小，準確性是相對較高的。3種設計標準的厚度均值都大于其設計厚度標準，說明除了個別情況下基層夯實不到位，導致分布不均，祝陽項目區與谷里項目區的道路施工總體達到驗收要求。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)結合兩個實際土地治理工程項目對項目區的道路進行了質量探測，使用GPR技術在道路驗收上進行了實際應用，并通過解譯與數據處理驗證了其可行性。在現場鉆心測定電磁波速度，使得農村道路質量驗收工作更為科學。由于探地雷達具有無損性與高效性，對道路厚度結構質量探測準確性超越了傳統方法，根據該文實驗數據來看，其在厚度檢測上誤差較小，相對誤差最大不超過1.43%，標準差位于0.08～0.66之間，可見其精度可靠。

表3 祝陽項目區道路面層厚度檢測結果表(鉆孔取心法)

表4 谷里項目區道路面層厚度檢測結果表(鉆孔取心法)

(2)相比鉆孔取心法的隨機性與不連續性，探地雷達可以做到對道路層次結構進行總體掌握，測量結果也更為客觀。結合圖像解譯，使用探地雷達對施工均勻性的探測也更為全面，這也方便于后續施工全過程質量控制和道路的維修與養護相關情況的研究，應當發揮其積極作用。

(3)GPR技術的在道路工程質量檢測開展有利于質量的整體評價，探地雷達對一定深度范圍內目標物的存在控制可滿足要求,但對其細微的識別需要較高質量的采集信號和后處理軟件，現在已有的國產探地雷達的后處理軟件功能較強,可以彌補一定的儀器性能缺陷,因此可利用后處理軟件，減少信號采集及傳輸過程中的抗干擾帶來的影響，但采集的信號質量是成功解譯的根本，也啟發我們國產探地雷達應當提升信號采集與傳輸過程中的抗干擾能力，減少后期處理的工作。

4.2 討論

(1)現場人工操作與雙程走時的測定都會存在一定程度上的誤差，也會影響波速驗證的精度，因此需要積累實踐經驗，規范操作的同時減小誤差的產生。

(2)利用探地雷達圖像厚度檢測，地下介質的不均勻性導致反射波能量弱，加上儀器內部水平干擾、反射信號的多次疊加使得反射相位的識別變得較為困難，從而影響圖像解譯效果。因此要進行濾波處理，通過Hilbert變換將信息轉化為時間域上的瞬時振幅，瞬時相位和瞬時頻率，可以較好地解決反射相位識別困難的問題，提升圖像分辨率。

(3)由于不同項目區施工單位的差異，對混凝土材料的選擇與配比不盡相同，會影響介電常數的標定與電磁波速度的確定，對檢測的厚度的準確性也會存在一定程度的影響。因此，需要實時布點進行心樣樣品多次采集，利用鉆心取樣結果完成介電常數與電磁波速度的標定，最大程度提升道路厚度分析的準確性。

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