基于GPR的瀝青路面厚度檢測及均勻性評價*

陳雍春 于曉賀 楊川文

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 上海 200092； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

瀝青路面厚度均勻性作為瀝青路面性能評價的重要指標之一，是用于評價瀝青路面厚度差異及離析程度的重要依據(jù)。瀝青路面厚度的不均勻，不僅會導(dǎo)致瀝青路面力學(xué)性能和使用性能降低，也會導(dǎo)致瀝青路面在荷載和雨水的作用下出現(xiàn)嚴重的病害，縮短道路的使用壽命[1-2]。因此，采用合理的評價手段對瀝青路面厚度均勻性進行精準評價，可在一定程度上預(yù)防瀝青路面出現(xiàn)嚴重病害問題，對瀝青路面使用壽命的保障具有重要的意義[3-4]。

目前，我國通常采用鉆芯取樣的方式對瀝青路面的厚度均勻性進行檢測評價，具有簡便、直觀、準確的特點。但該種方法隨機選點，具有一定的主觀性，不能全覆蓋地對瀝青路面厚度均勻性進行檢測，同時作為一種有損檢測方式，會破壞瀝青路面的結(jié)構(gòu)，具有較大的局限性[5-6]。探地雷達(ground penetrating radar，GPR)作為一種新型的無損檢測設(shè)備，利用超高頻電磁波的發(fā)射與接收技術(shù)作為核心技術(shù)，具有高效、快速、連續(xù)、成本低等優(yōu)勢，已成為道路無損檢測技術(shù)的重要組成部分，具有廣闊的應(yīng)用前景，同時也為瀝青路面厚度均勻性評價提供了新的研究思路[7-8]。

本文依托于湖北省漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段，采用探地雷達對瀝青路面厚度均勻性進行檢測與評價，同時以鉆芯取樣得到的結(jié)果作為對比，驗證探地雷達檢測結(jié)果的精確性，從而實現(xiàn)完整、精準評價，為采用探地雷達對瀝青路面厚度均勻性進行精準評價提供了實際依據(jù)。

1 技術(shù)原理

1.1 探地雷達無損檢測技術(shù)原理

探地雷達是利用超寬帶電磁波脈沖，在近地面狀態(tài)下進行地下結(jié)構(gòu)探測、道路病害分析等方面取得一定應(yīng)用的新型無損檢測設(shè)備，涵蓋了包括納秒脈沖源技術(shù)、瞬態(tài)電磁場理論、時域測量技術(shù)和信號處理技術(shù)等多方面的技術(shù)成果，可以實現(xiàn)高效、快速地?zé)o損檢測，操作簡便、高效，具有多方面的優(yōu)勢[9]。本研究采用的是武漢理工大學(xué)與美國德州農(nóng)機大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WB1-21型路用探地雷達無損檢測設(shè)備，與其他無損檢測設(shè)備相比，其在精確度及穩(wěn)定性方面等均有較大的優(yōu)勢。

探地雷達測量的基本原理是基于電磁波在各結(jié)構(gòu)層交界面處的反射時間及傳播速度而計算得到瀝青路面厚度。要計算得到某一結(jié)構(gòu)層的厚度，其關(guān)鍵在于確定電磁波在該結(jié)構(gòu)層的傳播情況，確定電磁波在該結(jié)構(gòu)層的傳播時間t及傳播速度v，通過式(1)計算得到該結(jié)構(gòu)層的厚度h。

h=v·t

(1)

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v與結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)ε有關(guān)，可按照如式(2)計算得到。

(2)

式中：c為光速，取3×108m/s。

由式(2)可知，要得到電磁波在某一結(jié)構(gòu)層的傳播速度，首先要測得該結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)。

反射界面上、下兩結(jié)構(gòu)層之間的反射系數(shù)R與介電常數(shù)ε存在如式(3)所示的理論關(guān)系。

(3)

式中：ε1為上結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε2為下結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R為反射系數(shù)，為反射波幅A與全反射波幅A0的比值，R=A/A0。

電磁波進入道路結(jié)構(gòu)層后，在空氣與第一結(jié)構(gòu)層的界面處第一次發(fā)生反射，由于空氣的介電常數(shù)為ε0=1 F/m，則第一結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)可以表示為

(4)

式中：ε1為第一結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R0為空氣與第一結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)；A1為空氣與第一結(jié)構(gòu)層交界面形成的反射波幅。

第二次反射位于第一、第二結(jié)構(gòu)層的交界面處，此時應(yīng)該考慮反射層的能量損失系數(shù)，可得第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)為

(5)

則可以得到第二結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)為

(6)

式中：ε2為第二層結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R1為第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)；A2為第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面形成的反射波幅。

同理可以類推得到不同結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，從而可以計算得到電磁波在各結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。由于電磁波在同一結(jié)構(gòu)層中的傳播時間為經(jīng)過2個結(jié)構(gòu)層厚度的時間(發(fā)出+返回)，則結(jié)構(gòu)層的厚度可以表示為

(7)

式中：Δt為電磁波在某結(jié)構(gòu)層中的總傳播時間，s。

由式(7)即可計算得到結(jié)構(gòu)層的厚度。同時基于以上方法，則可以根據(jù)檢測深度需要進一步測量得到瀝青上、中、下面層及基層的厚度。

2 試驗設(shè)計

2.1 基于探地雷達的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)采集

2.1.1試驗設(shè)備及試驗過程

本文采用WB1-21型路用探地雷達無損檢測設(shè)備(見圖1)對漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段(K1149+450-K1223+450)的行車道進行瀝青路面厚度數(shù)據(jù)采集。

圖1 WB1-21型路用探地雷達無損檢測設(shè)備

試驗采用的探地雷達檢測頻率為1 GHz，在保證測量深度的前提下能確保測量數(shù)據(jù)具有一定的精度，檢測時車速為60～80 km/h，在保證檢測效率的同時防止出現(xiàn)劇烈振動對數(shù)據(jù)采集造成干擾。除外界天氣等因素對檢測過程的影響，應(yīng)盡可能保持檢測平穩(wěn)以防止檢測結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

2.1.2瀝青路面厚度數(shù)據(jù)信息提取

本研究采用PaveCheck軟件對探地雷達檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，采用“Both Side Tracking”和“Calculate All”指令對瀝青路面厚度數(shù)據(jù)進行提取，其過程見圖2。圖2a)中黑色橫線即為瀝青面層與基層的交界面，選擇所示a-a斷面進行計算，圖2b)中顯示計算得到瀝青面層的厚度為17.20 cm，其他斷面瀝青面層厚度計算方式類似。

圖2 瀝青路面厚度數(shù)據(jù)提取過程

2.2 基于現(xiàn)場芯樣的瀝青路面厚度檢測

2.2.1試驗設(shè)備及試驗過程

為了驗證探地雷達檢測數(shù)據(jù)的準確性，采用在探地雷達檢測路段鉆芯取樣的方式進行驗證，選取在樁號為K1119+500-K1201+500范圍內(nèi)行車道統(tǒng)一進行鉆芯取樣，采用鉆芯機鉆取直徑為15 cm、深度大于20 cm的圓柱體芯樣，為保證試驗結(jié)果的合理性，共鉆取完整芯樣20個。

2.2.2現(xiàn)場芯樣厚度測量試驗

對現(xiàn)場鉆取的20個芯樣樣本進行厚度測量，精度計算到小數(shù)點后2位，統(tǒng)計20個現(xiàn)場芯樣的厚度信息，整理見表1。

表1 現(xiàn)場芯樣厚度測量統(tǒng)計表

2.3 探地雷達檢測數(shù)據(jù)精度驗證

為了驗證探地雷達測量得到的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)的可靠性，采用對比現(xiàn)場芯樣厚度測量數(shù)據(jù)及探地雷達厚度計算數(shù)據(jù)的方式進行驗證，同時計算二者的差異值，得到二者厚度對比圖及厚度偏差值結(jié)果分別見圖3、圖4。

圖3 各組實測厚度與計算厚度對比柱狀圖

圖4 各組厚度偏差值統(tǒng)計圖

由表1、圖3、圖4可得，由現(xiàn)場芯樣測量得到的瀝青路面平均厚度為17.05 cm，而由探地雷達數(shù)據(jù)計算得到的瀝青路面平均厚度為17.00 cm，平均偏差為-0.05 cm，計算檢測精度為99.7%，平均相對偏差為0.3%，表明該試驗結(jié)果具有較高的精確性，證明采用探地雷達無損檢測設(shè)備測量瀝青路面厚度的方法具有較高的精確度，為瀝青路面厚度測量提供了新的思路和技術(shù)支持。

2.4 漢十高速公路瀝青路面厚度均勻性評價

由以上研究可知，探地雷達測量瀝青路面厚度具有較高的精確性，因此采用探地雷達對漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費站路段共74 km高速公路進行瀝青路面厚度均勻性進行評價。

根據(jù)設(shè)計資料顯示，漢十高速公路襄陽北至王城路段瀝青路面設(shè)計總厚度為18 cm，瀝青上、中、下面層分別厚為4，6，8 cm，以1 km作為基本單位，提取漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費站74 km中共74個瀝青路面厚度數(shù)據(jù)，以襄陽北為起始點，可得散點圖見圖5。

圖5 瀝青路面厚度散點圖

由圖5計算可知，漢十高速公路襄陽北至王城收費站瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，瀝青路面平均厚度為17.03 cm，變異系數(shù)為5.63%，與瀝青路面設(shè)計厚度相比最大差異變化為24.39%。由于變異系數(shù)小于15%，可以說明該路段瀝青路面的厚度變異情況較好，但與瀝青路面設(shè)計厚度為18 cm相比，瀝青路面厚度達標率僅為12.16%。其原因在于大部分路段由于投入運營后經(jīng)過車輛荷載作用和瀝青路面表面的磨耗，瀝青路面的實際厚度比設(shè)計值較小，而部分超過18 cm的瀝青路面是由于車輛荷載擠壓，出現(xiàn)車轍等病害情況，瀝青路面出現(xiàn)“波浪形”的不平整情況。針對部分瀝青路面厚度差異較大的情況，需要結(jié)合養(yǎng)護歷史，分析其是否存在隱藏裂縫和路基脫空等情況，從而決定養(yǎng)護時機和養(yǎng)護手段，保障行車安全性。

3 結(jié)語

本文依托于漢十高速公路孝襄段，采用探地雷達對瀝青路面厚度進行檢測，同時結(jié)合現(xiàn)場芯樣驗證探地雷達檢測數(shù)據(jù)的準確性，在此基礎(chǔ)之上對瀝青路面厚度均勻性進行評價，得到如下主要結(jié)論。

1) 探地雷達檢測和鉆芯取樣得到的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)對比，可知探地雷達的檢測精度為99.7%，平均相對偏差為0.3%，證明探地雷達檢測結(jié)果具有較高的檢測精度，可以作為對瀝青路面厚度檢測及均勻性評價的有效手段。

2) 依據(jù)漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段雷達檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瀝青路面的厚度平均值為17.03 cm，小于瀝青路面的設(shè)計厚度，達標率僅為12.16%，其中瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，這與瀝青路面在營運期的車輛荷載作用和瀝青路面表面磨耗具有一定聯(lián)系，需要繼續(xù)對瀝青路面厚度變化進行監(jiān)測。

3) 對瀝青路面厚度均勻性進行評價，可以發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)為5.63%，但與瀝青路面設(shè)計厚度相比最大差異變化率為24.39%，說明整體而言瀝青路面厚度均勻性情況良好，但局部不均勻性的問題依然存在，需要對該位置進行進一步檢測，以防出現(xiàn)脫空、沉陷等病害影響行車安全。