高速公路路面厚度檢測中探地雷達的應用分析

文/鐘申伯

1 前言

路面厚度是進行高速公路路用性能及使用年限等評價的重要參數(shù)，路面結構層厚度檢測是公路質(zhì)量檢測的重要項目。傳統(tǒng)的鉆孔取芯及挖坑檢測等技術具有破壞性強、抽樣次數(shù)受到制約、缺乏代表性、檢測費用高、周期長等缺陷，而探地雷達檢測技術在公路路面厚度檢測方面具有檢測效率高、無損、測點連續(xù)、精確可靠、檢測時間短等優(yōu)勢，檢測速度可達到15～20km/h，所設置測點可達上萬個，其在高速公路路面厚度檢測方面優(yōu)勢顯著。

2 探地雷達路面厚度檢測原理

探地雷達主要通過天線向待檢測路面發(fā)射高頻脈沖電磁波，當電磁波在路面結構中傳播時遭遇不同類型介質(zhì)界面便會發(fā)生反射，反射波由接收機接收后，進而由計算機分析并成像處理。應用實踐證明，探地雷達可實現(xiàn)80km/h 的快速連續(xù)作業(yè)，屬于應用范圍十分廣泛的無損檢測設備。在采用探地雷達進行路面厚度檢測時，可根據(jù)其電磁特性進行路面結構劃分，若臨近結構層材料電磁特性不同，則會影響射頻信號在兩個界面之間的傳播，并引發(fā)雷達信號投射及反射。探地雷達正是利用反射波波幅進行各結構層介電常數(shù)的推求，進而推求出結構層厚[1]。

2.1 介電常數(shù)

路面結構上下層介電常數(shù)與其反射系數(shù)存在如下關系：

式中，εr1、εr2為路面結構上、下層介電常數(shù)；R為界面反射系數(shù)；R=A/Am，A為反射波幅，Am為全反射波幅。

首次反射過程中上層空氣介電常數(shù)取1，且R0=A0/Am，故：

第二次反射過程中根據(jù)已求得的上層介電常數(shù)，在R=A/Am右邊乘以反射層能量損失系數(shù)1-R20，得出A1/Am=R1( 1-R20)，所以有

按照以上過程以此類推，便可求得不同界面之間的介電常數(shù)。

2.2 結構層厚

求出結構層界面之間介電常數(shù)后，按下式確定電磁波傳播速度：υ=，其中c為光速，取30cm/ns。電磁波傳播速度與結構層往返時間一半的乘積即為結構層厚，具體如下：

面層厚度h1=υ1?Δt1/2=?Δt1/2

基層厚度h2=υ2?Δt2/2=?Δt2/2

3 探地雷達檢測技術的應用

3.1 工程概況

某高速公路待檢測路面起訖里程K0+520～K2+741 段原為水泥混凝土路面結構，后來改建為瀝青混凝土路面結構，設計使用年限15a，標準軸載BZZ-100kN，瀝青混凝土路面結構主要為總厚度64cm 的水穩(wěn)級配碎石基層+瀝青層，水穩(wěn)級配碎石基層和瀝青層分別厚48cm 和16cm。瀝青層自上而下分別為：厚4cm 的瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA 面層+厚5cm 的AC16-I 中粒式瀝青混凝土中面層+厚6cm 的AC20-I 粗粒式瀝青混凝土下面層+厚1cm 的稀漿封層。

3.2 探測測線布置

根據(jù)檢測要求，在待檢測路段左右幅路面分別設置一條縱向連續(xù)測線，進行縱向水穩(wěn)層和瀝青層厚檢測，并按照100m 間隔布置一條橫向測線，檢測該路段橫向水穩(wěn)層及瀝青層厚。首條測線里程K0+600 至最后一條測線里程K2+700 之間共設置20 條橫測線。

3.3 參數(shù)選擇

通常情況下，電磁波頻率越高，探測深度越小，垂直分辨率越高，故選擇高速公路路面厚度檢測探地雷達天線時，必須充分考慮路面檢測深度和精度要求。該公路路面厚度檢測精度要求較高，且厚度不大，故選取GSSI公司所產(chǎn)SIR-14H 型探地雷達900MHz 高頻屏蔽天線，將采樣天線時窗長度設定為20ns，并選取自動增益檢測模式。

3.4 資料處理

在檢測路面厚度的過程中，SIR-14H 型探地雷達在主機控制下發(fā)射器通過天線向路面結構層發(fā)射定向超高頻電磁波，電磁波在向下傳播過程中如遇瀝青層底界面、水穩(wěn)層底界面等電性差異界面便會發(fā)生反射，天線將所接收到的反射波與沿地面?zhèn)鞑サ闹边_波一起送入接收器，經(jīng)主機進行放大、濾波、疊加等數(shù)字化處理后在顯示器上顯示出與地震反射時間剖面所類似的雷達連續(xù)探測剖面，具體如圖1所示。從雷達數(shù)據(jù)剖面圖中可以看出，水穩(wěn)層及瀝青層底界面處分別存在一條反射強烈的連續(xù)界面，剖面橫坐標反映的是沿測線向的里程距離（m），表示測點實測位置；縱坐標表示時間（ns）或深度（m），反映的是各條反射波往返時間/目標深度。隨距離的增大，反射曲線反射強度按灰度顯示，構成探地雷達探測數(shù)據(jù)剖面。在進行資料整理時，必須先處理數(shù)據(jù)，即結合回波形態(tài)、反射強度進行判斷其目標性質(zhì)，并明確水穩(wěn)層底界面和瀝青層底界面反射波形狀，追蹤分析層位，并根據(jù)回波反射的傳播時間、傳播速度等計算水穩(wěn)層及瀝青層厚度，結果如圖1所示[2]。

圖1 左幅路縱測線二段路面厚度檢測剖面

3.5 檢測結果

公路路面厚度檢測結果分析時，按照10m 間距統(tǒng)計出2 條縱向測線水穩(wěn)層、瀝青層厚度檢測數(shù)據(jù)，再按照1m 間隔將所檢測出的厚度數(shù)據(jù)繪制成厚度變化剖面成果圖；按照1m 間距統(tǒng)計出水穩(wěn)層、瀝青層厚度，并按1m間隔將所檢測路面厚度數(shù)據(jù)繪制成剖面成果圖。根據(jù)剖面成果圖進行檢測路段水穩(wěn)層、瀝青層厚度橫縱向變動趨勢的直觀分析。該公路路面瀝青層厚度統(tǒng)計中，橫縱向測線檢測路面厚度均值均為0.15m，與設計厚度0.16m 僅相差0.01m，水穩(wěn)層檢測的厚度均值與設計厚度僅相差0.12m，表明水穩(wěn)層施工中厚度較薄。

4 探地雷達檢測路面厚度的可行性

4.1 準確性

以K0+520～K0+920 段為試驗段，利用SIR-14H 型探地雷達進行面層厚度檢測試驗，并進行現(xiàn)場鉆芯取樣和芯樣驗證，根據(jù)首個鉆孔芯樣厚度和雷達波傳播時間進行傳播速度標定，并依據(jù)傳播時間推算其余孔位厚度。根據(jù)推算結果，具體點位上雷達檢測厚度值和鉆孔取芯測量厚度值絕對誤差最大和最小值分別為1.4cm和0.02cm，相對誤差最大達17.04%；但試驗區(qū)段內(nèi)雷達檢測厚度值和鉆孔取芯測量厚度值絕對誤差為0.16cm，相對誤差僅為2.23%。因此，進行本高速公路路面整體施工質(zhì)量評價時應采用區(qū)段檢測方式。

試驗段檢測結果存在一定誤差，究其原因主要在于高速公路路面施工質(zhì)量要求較高，且介質(zhì)均勻，雷達波傳播速度標定時通常采用相同的介電常數(shù)，并根據(jù)個別鉆孔取芯點所標定出的傳播速度表征全段速度。但不同路段介電常數(shù)并非完全相同，進而導致檢測結果產(chǎn)生誤差。根據(jù)鉆孔取芯結果，各芯樣介電常數(shù)值存在一定差異，這主要與施工工藝、原材料、公路運行環(huán)境等有關。若采用完全相同的介電常數(shù)值進行雷達波傳播速度標定，則所得到的雷達探測厚度值必定存在誤差[3]。

4.2 經(jīng)濟性

以本高速公路起訖里程K0+520～K2+741 段待檢測路面水穩(wěn)層厚度檢測為例進行探地雷達檢測與鉆孔取芯檢測成本的比較，探地雷達檢測過程中所耗費的人工費、材料費、機械使用費、其余直接費及間接費分別為0.34 萬元、0.21 萬元、0.35 萬元、0.19 萬元、0.76 萬元，工程成本合計1.85 萬元；而傳統(tǒng)鉆孔取芯檢測方式下所耗費的人工費、材料費、機械使用費、其余直接費及間接費分別為1.21 萬元、0.48 萬元、0.35 萬元、0.17 萬元、0.78 萬元，工程成本總計為2.99 萬元。通過比較發(fā)現(xiàn)，探地雷達檢測成本能比鉆孔取芯檢測技術節(jié)省40%左右，如果將該技術應用于設計長度更長的高等級公路路面厚度檢測中，則會產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟效益。

5 結語

綜上所述，采用探地雷達無損檢測技術進行高速公路路面厚度檢測具有快速、連續(xù)、準確的優(yōu)勢，在具體點位檢測結果的精確度較差，而在特定區(qū)段檢測結果準確度較高，完全可以取代鉆孔取芯檢測方式。為提升結果的精確性，在選取電磁波速度參數(shù)時最好進行現(xiàn)場標定。與常規(guī)的公路水穩(wěn)層厚度檢測技術相比，探地雷達技術能有效減少人為因素對檢測過程及結果的干擾，縮短檢測周期，降低檢測成本，且該技術對于公路路面缺陷及病害探測也較為適用，應用前景十分廣闊。