公路路面厚度檢測中地質雷達的應用分析

路家勤

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

路面性能是影響公路工程行車特性的重要因素，平整的路面厚度可以提供良好的行車路面，降低車輛的振動效應，從而提高行車穩定性和舒適性，減少交通事故的發生概率。為了評估施工完成后的路面性能，往往需要通過技術手段測試面層厚度，為施工驗收提供標準和參考。

常規的路面厚度檢測方法是通過鉆芯取樣或者挖坑進行測試，但這些方法需要破壞路面結構才能測定，這顯然不利于路面結構的完整性。隨著無損檢測手段的發展，可以在不破壞路面結構的情況下準確測取路面厚度，包括超聲波和地質雷達等技術，其中地質雷達是目前國內外應用較為普遍的技術，具有無損、高分辨率、快速等特點，對路面厚度的檢測誤差可以控制在3 mm以內，這是傳統的檢測技術無法達到的精度值[1][2]。高精度的檢測結果使路面厚度不達標時可以及時發現并處理。

1 地質雷達檢測原理與技術要點

1.1 檢測原理

地質雷達檢測路面厚度是在雷達檢測車上安裝無線接收機和路面探測雷達兩種設備，在雷達檢測車勻速行進的過程中，探測雷達會不斷地向路面發射電磁脈沖，這些電磁脈沖會在短時間內直接穿透路面，當遇到電介質常數發生變化的界面層時，電磁波會進行反射從而形成一種反射波，脈沖反射波則會被無線接收機接收，然后呈現出反射波的相關信息。公路路面構造中，不同層材料之間的電介質常數存在明顯的差別，這使得兩個電介質之間電磁波的傳輸會有反射問題，那么通過反射波的接收時間及波速等信息，就可以準確地記錄路面的厚度，這種測試精度是非常高的，如圖1就是地質雷達對路面厚度的檢測原理示意圖[3][4]。

圖1 地質雷達對路面厚度檢測原理示意圖

具體而言，通過雷達電磁波的反射計算的路面厚度計算原理為：

(1)

其中：c——電磁波在空氣介質中的傳輸速度，一般取300 mm/ns；

Δt——雷達電磁波在路面面層中的傳輸時間，單位ns；

εr——路面層介質的介電常數取值；

T——計算的路面厚度值，單位mm。

顯然，電磁波在不同介質下的傳播速度是不一樣的，存在簡單的換算關系，如表1是公路建設中常見材料的介電常數及對應的電磁波傳輸速度，因此通過上述分析可以快速而精確地計算路面厚度值。

表1 公路常見建設材料的介電常數及相應電磁波傳輸速度表

1.2 技術要點

地質雷達檢測需要滿足一定的要求，才能使得厚度檢測結果的精度達到預期目標。

(1)檢測車應該全過程是勻速前行的，一般速度控制在80 km/h左右，能夠最大程度達到預期的檢測效率和精度；地質雷達的最大探測深度>60 cm，這對于路面結構都是能夠滿足要求的，而對應的厚度檢測數據的精度是深度的2%～5%。

(2)地質雷達的檢測全過程是在計算機的控制下開展，在檢測中應該對檢測數據進行實時的采集和存儲，同時也可以快速地查看雷達的波形圖狀況。

(3)地質雷達的監測結果可以顯示路面的彩色剖圖，從而獲得對路面厚度的評價指標，同時還可以呈現雷達波形圖、三維路面厚度剖面等構造圖。

(4)雷達檢測路面后的結果還涵蓋了某一路段范圍內的總體評價指標，評價的內容包括平均厚度、厚度代表值、最小厚度、變異系數等。

2 地質雷達檢測效果的影響因素分析

諸多因素會影響到地質雷達的檢測效果和精度，需要明確這些影響因素，從而找到控制要點和方法。

2.1 檢測速度的影響分析

通常的理解意義下，雷達車的行進速度會影響到地質雷達系統與路面作用時間的長短，從而會影響到地質雷達測試路面厚度的精度。基于某一道路路面厚度的地質雷達系統測試，路段長1 000 m，分成5個節段，在不同行進速度下測試路面的厚度取值，如圖2所示。其中分別考慮地質雷達系統以10 km/h、20 km/h、40 km/h和60 km/h的速度行進，發現整體的測試結果相對穩定，通過分析發現其變異系數≤1%，實際上具有較好的穩定性，也就是說實際上雷達車的行進速度對于路面厚度的測試影響很小。

圖2 不同雷達車行進速度下的檢測厚度變化圖

2.2 天線接受頻率的影響分析

地質雷達監測中反射波需要通過天線進行發射和接收，顯然天線的頻率不同對應的電磁波能量和波長也是不一樣的，這會導致地質雷達的探測深度和分辨率等顯著不同。因此，需要分析不同的天線頻率對于地質雷達檢測效果的影響，從而找到其影響機理。

采用搭配1 GHZ、2 GHZ和3 GHZ的耦合天線進行地質雷達探測效果的分析，路面的施工厚度是10 cm，通過比較不同頻率天線的路面厚度探測結果分析其影響關系。研究表明，采用高頻率的天線(3 GHZ)其發射的電磁波能量更強，因此收集到的反射波的能量也越強，連續性更好，這使得其易于追蹤分析；采用低頻率的天線(1 GHZ)也能夠檢測到路面的底部，但是其反射波能量較弱，使得對應的分析不清晰，從而影響路面厚度的檢測效果，造成估計偏差。如表2是不同天線頻率下的路面厚度檢測結果，可以看到變異系數達到5%，存在一定的估計偏差，且頻率越高檢測結果相對越好。

表2 不同天線接收頻率下的厚度檢測結果對比表

2.3 人為因素的影響分析

地質雷達的檢測整體上是機械化自動系統，但是因為使用過程中需要人員的操作，會產生諸如數據無效、儀器破壞破損等人為因素的干擾，使得測試的結果變得不可信或者可信度很差，這就要求檢測過程中操作人員必須要有專業的技能和水平。

(1)檢測過程中會因為對儀器不夠了解而導致其發生損傷和破壞。很多地質雷達系統的接頭不具備防水功能，檢測過程中一旦出現下雨等問題，就會使得雨水進入天線系統導致儀器的損壞而影響到后續的檢測。

(2)在使用過程中因為儀器設備的振動等問題，使得儀器本身出現故障，如果使用人員不進行校核就直接使用，顯然測試結果是存在問題的，因此要在實際測試工作開展前進行檢測分析，保證檢測過程中使用的設備都是功能正常的。

3 工程實例應用

某公路工程采用水泥混凝土路面結構形式，設計的道路等級是1級。路面水泥混凝土的厚度為24 cm，同時基層為水泥穩定砂礫，厚度達到18 cm，水泥石灰的穩定土厚度達到16 cm。由于路段范圍內經濟快速發展，貨物運輸增多，交通量也在不斷攀升，為了適應經濟發展的需求，需要將原有的道路改造為高速公路，設計的行車速度達到100 km/h，改造的路面在原有路面結構上進行瀝青混凝土的補強，保證厚度控制在15 cm。施工完成后，為了保證建設質量需要對瀝青路面混凝土的結構層厚度進行檢測。本項目采用SIR-10H型號路用探測雷達系統進行瀝青混凝土的厚度檢測。

測試過程中每雙車道選擇一條縱向剖面進行測試，每隔1 m設置一個采樣點，同時檢測車采用20 km/h的速度前行，為了確保測試精度和效果，相關參數設置為：(1)由于天線頻率對于測試結果影響很大，因此在本工程中需要確保測試天線的頻率能夠滿足精度要求，設置在3 GHZ左右進行測試；(2)天線的時窗選擇在12 ns，保證測試的連續性和精度；(3)每條測線上測量輪的水平距離和實際距離控制誤差在0.2%～0.25%之間，為了有效地減少水平距離的積累誤差，將測試距離控制在2 km范圍內。

根據上述設置對本路段范圍進行全面監測，前后歷時60 d，測試完成后采用計算機進行數據的處理和分析，按照每公里為評價單位進行厚度檢測結果的分析，并計算各自的偏差、相對誤差、檢測均值等統計參數，繪制檢測結果圖或者檢測結果表，從而直觀地分析檢測效果和數據，以評估施工的質量。

通過本路段28 km的檢測分析發現：(1)全線有兩個檢測剖面分別代表兩個不同的方向，第一條檢測剖面的實測瀝青路面厚度是16.39 cm；第二條檢測剖面的厚度均值為16.33 cm。(2)具體而言，第一條檢測剖面在10～11 km范圍內的實測厚度達到最大，為19.98 cm；在18～19 km范圍內厚度達到最小，為12.09 cm。(3)第二條檢測剖面在13～14 km范圍內檢測的厚度達到最大，為10.69 cm；在26～27 km范圍內的檢測厚度最小，為11.15 cm。(4)總體而言，瀝青混凝土的厚度設計值應該在14.2 cm以上，根據上述地質雷達的監測結果，滿足厚度設計值的路段在92%以上，剩余的8%均沒有達到設計要求。

出現上述施工偏差的原因是原有路面結構的復雜性，瀝青混凝土是在原有的道路路面結構上進行再施工，因此其施工質量和穩定性較難保證，根據上述測試結果需要對不滿足要求的路面厚度路段進行施工改進。

4 結語

公路路面厚度設計是保證路面結構承載性能的關鍵，也是確保行車安全與舒適的重要因素。因此，在施工完成后需要對路面施工質量進行檢測。本文探討了地質雷達無損檢測技術在路面厚度檢測中的應用機理和效果，分析了影響地質雷達檢測效果的相關因素，并通過工程實例詳細介紹了地質雷達在公路路面厚度檢測中的應用。