基于探地雷達和高速彎沉儀的結構內部狀態評價

1 結構內部狀態檢測設備及基本原理

1.1 探地雷達檢測設備及基本原理

探地雷達是用高頻無線電波確定介質內部物質分布規律的一種地球物理方法，它通過發射天線將寬帶電磁波以脈沖形式輻射到地下，探測地表之下或不可視物體的內部結構。由于電磁波在介質中傳播時因地下不同物體或介質的差異會對電磁波進行反射，接收波的雙程走時、幅度、相位等波形特征形成連續的雷達剖面圖像，對該圖像進行分析可得到結構層厚度、目標的深度和地下介質的構造等信息(見圖1)。

利用探地雷達，通過選擇不同頻率的天線可實現從面層、基層到路基不同深度的探測，探測過程連續，探測生成的數據包括灰度圖及振幅、走時等原始數據，可采用直觀判識和數據分析兩個途徑對結果進行分析。

圖1 雷達檢測示意圖

該文采用高動態探地雷達，其檢測速度達80 km/h，可實現快速檢測。它基于最新的實時采樣技術，只需發射一次雷達脈沖信號，即可采集完整波形。天線頻率取為750 MHz，檢測車道及位置為車道右輪跡。

1.2 高速彎沉儀檢測設備及基本原理

激光式高速彎沉測定儀是以正常車流速度利用多普勒激光傳感器測量由標準載貨汽車行駛所致的路面變形速度，通過預設在不同位置上的傳感器采集路面變形速度反演出動態荷載作用下路面彎沉盆的一種路面結構強度測量儀器(設備、系統)。

路面在重載車輪碾壓下產生沉降，其中沉降速度反映路面結構強度。高速彎沉儀采用4～7個傳感器測量路表變形速度，其中3～6個傳感器位于彎沉盆內部，1個傳感器在彎沉盆外部(作為參考值)。采用角速度傳感器測量運動狀態，然后通過不同位置變形速度反演得出測點彎沉值。

該文采用丹麥Greenwood公司研發的高速激光彎沉儀TSD，其檢測速度可達90 km/h，測量精度0.001 mm，數據輸出間隔1～10 m。

2 結構內部狀態評價指標

結構內部狀態評價包含結構完整性評價和結構強度評價，其中結構完整性評價由探地雷達判定，結構強度評價由激光動態彎沉判定。

2.1 結構完整性評價

路面結構內部病害分為不密實、層間不良、松散三大類，其中松散可細分為層間局部松散和結構層松散。不同隱性病害的雷達灰度圖具有顯著差異：

(1) 完好處。如圖2(a)所示，路面結構內部并未出現明顯振幅加強的信號，且信號較均勻，層間同相軸由材料介電常數的差異造成，屬于正常反射信號，判斷該處路面內部完好。

(2) 不密實。如圖2(b)所示，上基層底部點狀反射信號加強，判斷上基層孔隙較多，不密實。

(3) 層間不良。如圖2(c)所示，基層與基層之間有明顯的信號加強，判斷基層與基層分離。

(4) 松散。如圖2(d)所示，下基層內部反射信號較強烈，且同相軸較雜亂，判斷下基層內部出現松散。

(a) 完好

(b) 不密實

(d) 松散

圖2 不同結構完整狀態下的雷達圖像

高速公路瀝青路面結構完整性能指標可借鑒路面狀況指數PCI評價方法，采用路面內部破損狀況指數IPCI進行評價?？紤]到IPCI評價多個層位，而PCI僅評價路表單一層位，將評價模型參數適當降低，調整后的計算公式如下：

IPCI=100-13×IDR0.352

(1)

(2)

式中：IDR為路面內部破損率，為各種路面內部損壞面積之和與路面調查面積之比(%)；Wi為第i類路面結構內部病害的權重；Ai為第i類路面內部病害的長度(m)；A為調查的路面長度(m)。

不同類型隱性病害對結構強度的影響存在較大差異，其中不密實類隱性病害對結構強度的影響較小，而松散病害對結構強度的影響較大。根據這種影響關系，結合現場工程經驗，確定各類隱性病害的權重，不密實、層間不良、層間局部松散、結構層松散的權重分別為0.01、0.3、0.8、1。

2.2 結構強度評價

根據JT/T 1170-2017《激光式高速彎沉測定儀》對高速激光彎沉儀進行標定，結果表明，高速激光彎沉值與貝克曼梁彎沉值具有顯著的線性相關性，高速激光彎沉值可轉化為貝克曼梁值。

鞏建等選擇6段不同彎沉水平的試驗路段進行貝克曼梁彎沉與激光動態單點彎沉檢測，通過回歸分析得到二者的轉換關系式[見式(3)]，相關系數R=0.929 4。

lB=1.43lJ-0.53

(3)

式中：lB為貝克曼梁單點彎沉值(0.01 mm)；lJ為激光動態單點彎沉值(0.01 mm)。

根據JTG H20-2007《公路技術狀況評定標準》，高速公路瀝青路面承載能力采用路面結構強度指數PSSI評價。根據JTJ 073.2-2001《公路瀝青路面養護技術規范》，高速公路瀝青路面強度采用強度指數PSSI評價。

3 結構內部狀態評價標準

根據PSSI和IPCI評價結果，可將路況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級，圖3為路況分級決策樹。考慮到養護處治措施應偏于安全，取結構完整性IPCI和結構強度PSSI評分中較小者作為判別依據。

(1) 路況為Ⅰ級時，路面整體結構內部狀態良好，不需進行處理。

圖3 路況分級決策樹

(2) 路況為Ⅱ級時，路面結構內部狀態出現一定程度衰減，需重點關注。

(3) 路況為Ⅲ級時，路面結構內部狀態存在一定缺陷，需進行養護維修處理，甚至是結構補強。

(4) 路況為Ⅳ級時，路面結構內部狀態已有明顯缺陷，需針對薄弱位置進行補強處理，提高路面的整體結構性能，延長路面使用壽命。

4 實例分析

在江蘇選取A、B、C 3條高速公路進行分析，其中A采取了較多預防性養護措施，C已通車15年。分別進行探地雷達和高速激光彎沉儀檢測，計算各評價單元的結構完整性IPCI和結構強度PSSI，確定各評價單元的路況等級，其中評價單元長度取為1 km。各高速公路的不同路況占比見圖4。

圖4 各高速公路的不同路況占比

從圖4可看出：A高速公路大部分路段為Ⅰ、Ⅱ級，沒有Ⅳ級路段；C高速公路大部分路段為Ⅲ、Ⅳ級路段，沒有Ⅰ級路段。路況為Ⅲ、Ⅳ級時，路面結構內部狀態較差，應采取必要的維修措施。對于A、B、C高速公路，需維修路段占比分別為11.5%、54.7%和99.2%。

5 結論

該文建立路面結構內部狀態評價方法，包含結構完整性和結構強度兩方面，分別采用探地雷達和高速激光彎沉儀進行檢測，實現路面結構內部狀態的快速、連續、無損評價。主要結論如下：

(1) 在結構完整性方面，探地雷達實測表明，路面存在不密實、層間接觸不良、松散等3種隱性病害時，借鑒路面狀況指數PCI評價方法，可采用路面內部破損狀況指數IPCI進行評價。

(2) 在結構強度方面，高速激光彎沉儀檢測結果可線性轉化為貝克曼梁值，采用結構強度指數PSSI進行評價。

(3) 基于IPCI和PSSI聯合評價結構內部狀態，可將路面內部狀態分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級。若路面養護及時，路面結構內部狀態較好，則需維修的路段較少。