探地雷達在高速公路路基病害監測中的應用研究

裴海燕

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

近年來，我國高速公路快速發展，截止2021年6月，中國高速公路里程達到了16.1 萬公里，道路里程長度躍居世界第一。受施工質量、運營期荷載、建成運營時間等影響，各種公路路基病害也日益凸顯，嚴重影響道路的行車舒適度和公路服役能力。在各種路基病害中，路基松散與壓實度不足、局部脫空與空洞、路基土軟弱及含水量偏高、路基破損及塌陷等病害成為出現最多的病害現象[1-2]。由于路基病害的隱蔽性及特殊性，因此準確的探測和評估路基病害對公路養護和行車安全有重要意義。

探地雷達作為一種無損探測技術，因其準確、效率高被廣泛應用于地質、礦業、公路等檢測工作中。因傳統的探測方法已經不能滿足當前社會發展的需求，本文從探地雷達檢測路基病害的基本原理、典型病害數據處理及圖像解譯三個方面進行研究，為后續進行此項工作提供一種快速處理的經驗。

1 探地雷達檢測路基病害的基本原理

探地雷達是借助高頻率無線電波來確定介質內部物質分布規律的探測技術，當地下目標體的介質存在差異時，電磁波就會發生界面反射。在對反射電磁波進行處理和解譯的基礎上，根據接收到的波形、強度、雙程走時等參數來推斷地下目標體的空間位置、結構及幾何形狀，進而對地下隱蔽目標進行探測。不同介質介電場所不同，導電不同，當電磁波經過不同的地層界面、不同電性質的目標體時候，其傳播路徑發生折射或反射，電磁場的強度發生增強或減弱，并被探地雷達接收天線接收，進而依賴圖形推測異常目標體的分布和深度，其工作原理如圖1所示，公式（1）理論基礎為反射系數R，反射系數η的大小與相鄰兩介質的相對介電常數ε[3-4]。

圖1 探地雷達工作原理

如高速公路路基工程具有明顯的分層結構，由上到下可以劃分為為面層、基層和墊層，各層之間的地球物理特性差異明顯，其中面層為瀝青鋪蓋時，其介電常數ζ=3～6，電磁波速度v=0.12 ～0.17 m/ns，面層為混凝土澆筑時，其介電常數ζ=5～13，電磁波速度v=0.10 ～0.15 m/ns；基層一般為干土或干砂，其其介電常數ζ=10～15，電磁波速度v=0.13 ～0.18 m/ns；墊層一般為含水土或含水砂，其介電常數ζ=6～45，電磁波速度v=0.06 ～0.17 m/ns；對于異常體如空洞（空氣）的介電常數ζ=1，電磁波速度v=0.30 m/ns，地下水的介電常數ζ=81，電磁波速度v=0.03 m/ns[5]。

2 探地雷達數據處理

在實際工程檢測中，探地雷達受地下其它影響會產生雜波和噪聲干擾，致使雷達波傳播頻譜復雜，相應地探地雷達數據處理過程也變得雜亂，為了得到真實有效的信息，如何將信息與干擾波區分開成為數據處理的關鍵。因此，需要對探地雷達數據進行深度解析，通過預處理、加檢監測數據處理、瞬時振幅濾波的方式使其抑制噪聲，提高信噪比，從而有效地提高雷達圖像的分辨率，以獲取探測目標的相關信息。

2.1 數據輸入時預處理

探底雷達檢測數據輸入時，應確保所有數據定位結合點和地面表征物在同一文件中，而后對雷達數據進行去直流漂移、時間零點校正濾波、切除濾波、帶通濾波和水平濾波處理。

2.2 加密檢測數據處理

由于探測目標的真實位置和形態無法獲取，可以對異常體目標采用加密檢測，依據不同檢測位置電磁波的反射時程來確定不良地質體的形狀。

2.3 瞬時振幅濾波

瞬時振幅濾波用于突顯反射物邊界整個反射體的振幅變化，能夠看到探測目標的邊界和整個斷面變化，比較適合探測區域與鄰近區域振幅較大。

3 探地雷達圖像解譯與分析

探地雷達圖像所反映的是地下物質的介質電性分布，圖像判譯是將電性分布轉換地質解讀，為此需要把地質體形態、圖像特征、鉆孔數據都有機結合起來。主要流程是：將檢測雷達數據依據專用軟件處理過后，得到雷達圖像的相位、振幅、電磁波波形，根據反射波特征，最終進行雷達圖像的解譯。

圖像解譯首先去識別標記反射波，而后進行地質識別，從圖像剖面上識別異常，歸納、總結不良地質體的特征，將雷達圖像解讀轉換為地質體解釋。一般圖像解譯有三個方面：

一是反射波的振幅與方向。反射振幅的大小由探測目標界面兩邊介質的性質所決定，性質差異越大，所表現反射波越強；反射波從介電常數較小介質傳播進入較大的介質時，發生一定的衰減后，反射系數為負值。相反反射波從介電常數較大介質傳播進入較小的介質時，發生一定的衰減后，反射系數為正值。例如：從空氣傳入土層、瀝青層、混凝土層反射振幅反向，折射波不反向，如果在下面存在空洞或者水體，空洞的反射與表面反射正好相反，水體的反射也會發生反方向傳播，但與表面的反射波同方向，反射振幅較大。當波速為0時，反射波的振幅與傳播方向發生改變，這也是雷達波判別最重要依據之一。

二是反射波的頻譜。每個探測區域都存在較多不同物質，每種物質構成不同，而不同介質有著不同的屬性特征，內部反射波的高低頻率特征明顯不同，這可以作為區分不同物質的依據。例如：節理帶、斷裂帶結構破碎，其中內部反射和散射較多，在相應位置表現為高頻率反射，在破碎帶附近的散射和吸收作用較強，從更遠的位置反射回來后，衰減波能量變弱，信號特征平緩。

三是反射波同相軸形態特征。探地雷達數據記錄信號，在同一連續界面的反射信號形成同相軸，根據同相軸的時間、形態、強弱和方向正反特征，解譯地質，獲取探測目標信息。

4 路基病害特征及探地雷達圖像響應

利用探地雷達對各種路基病害進行檢測，最為重要的工作是認識不同路基病害在探地雷達圖像上的響應。因路基病害介質的介電性不同，電磁波的傳播規律也就不一樣。各自有相互區別的獨特特征，綜合這些電磁波信號響應，進而可以判定病害類型以及病害產生的位置和范圍。

對于完整和連續的無病害路基而言，各層地基土之間壓實度好，土質均勻，物理力學性質過渡連續，土層內的介電常數無明顯差異，因此表現在探地雷達圖像上為電磁波在土層內傳播速度均衡、振幅大小一致且衰減緩慢、相位連續且明顯、電磁波速度讀取容易。其典型的圖像響應特征如圖2所示。

圖2 無病害路基探地雷達圖像響應特征

對于存在空洞的路基土而言，當空洞內無充填水時，由于空氣的介電常數小于周圍土體介質的介電常數，因此，電磁波遇到空洞內空氣與土體的界面時，呈現強烈的電磁波反射，波形和相位與入射波一致，但反射波后存在較弱的多次反射，如圖3所示。路基土存在空洞時，其探地雷達的響應特征為開口朝下的雙曲線，電磁波場強在空洞頂部最強，隨著與空洞距離的增加，電磁波場強振幅逐漸變弱。

圖3 空洞病害路基探地雷達圖像響應特征

對于由于壓實度不足導致路基松軟的病害而言，在施工階段和運營初期，路基尚有一定的工作性能，而隨著運營時間的增長，路基在荷載作用下土體顆粒逐漸被壓密，容易產生路基變形、沉降和塌陷等病害，由于壓實度不足區域的含水率較高且存在孔隙率較大現象，因此其介電常數與壓實度正常的路基土存在明顯差異。電磁波在遇到壓實度不足區域的路基土時，在空隙內發生反復折射和反射，并發生一定程度的衍射，導致電磁波在介電常數相差較大的空隙和土體中反復傳播，使得電磁波圖像波形混亂、同相軸錯動，底部出現二次反射現象，典型的探地雷達響應特征如圖4所示。

圖4 不密實病害路基地質雷達圖像響應特征

路基土的含水率大使得地基土在運營荷載作用下出現變形，強度降低，路基土的承載力減小，導致路面變形量增大。由于水體的介電常數為81，電磁波速度v=0.03 m/ns，相對周圍路基土介質而言，其介電常數最大，電磁波速度最低，因此，電磁波在遇到含水豐富的分布帶時，會出現明顯的強反射，電磁波受到水體的濾波作用，高頻信息被削減，保留的低頻信息能量也衰減迅速，并出現明顯的多次反射，且多次反射的相位相反，典型的地質雷達響應特征如圖5所示。

圖5 富水病害路基地質雷達圖像響應特征

5 結論

綜上所述，得出以下幾個結論：

5.1 通過采用探地雷達對不同類型路基病害進行識別解譯分析，可以發現，在不進行路面破壞的前提下能夠較好地反應不同類型的路基病害的位置與大小。

5.2 通過數據預處理、加密檢測數據處理、瞬時振幅增加性噪比等方式，可以清楚的辨識目標題的邊界。

5.3 探底雷達數據的處理是影響最終成像質量的關鍵，通過試驗目標的驗證，我們得到了路基典型病害中的空洞、裂縫等圖像。