徐建玲

（廣東 江門 529000）

基于地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路路面厚度應(yīng)用

徐建玲

（廣東 江門 529000）

文章闡述了地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路路面厚度的工作原理，對地質(zhì)雷達(dá)檢測產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際工程檢測，說明了地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路路面厚度的應(yīng)用是可行的、可靠的。

地質(zhì)雷達(dá)檢測；公路路面厚度；檢測應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)的應(yīng)用，地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測的手段被物探工作者引入到道路工程特別是路面厚度的檢測中。因其具有高速采樣、高分辨率、高精度、無損、經(jīng)濟(jì)以及連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大土木工程檢測工作者的青睞。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路路面厚度的工作原理

1.1 檢測依據(jù)

地質(zhì)雷達(dá)對道路的無損檢測屬于其淺部應(yīng)用，其探測深度小，中心頻率高，分辨率要求較高，這就要求目標(biāo)體與周圍介質(zhì)存在電性差。用R表示波的反射系數(shù)，則該系數(shù)估算公式為：

其中，ε1、ε2分別為上層介質(zhì)、下層介質(zhì)介電常數(shù)。

由該式可知，目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差越明顯，反射系數(shù)就越大，反射信號就越強(qiáng)。

現(xiàn)有的道路、高等級公路結(jié)構(gòu)層一般可分為面層、基層以及路基3層。一般面層的厚度為8～26 cm，基層的厚度為10～30 cm，具體的厚度視材料的種類和交通等級而定。目前我國高等級公路一般采用改性瀝青或水泥混凝土等材料修筑面層，一般采用有機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定粒料、石灰穩(wěn)定粒料、石灰土、水泥混凝土、石灰粉煤灰等材料修筑基層。據(jù)國內(nèi)一些物探工作者統(tǒng)計(jì)，面層為混凝土?xí)r其相對介電常數(shù)大約為5～10，為改性瀝青時(shí)其相對介電常數(shù)大約為3～5，基層和路基的相對介電常數(shù)隨其采用的材料不同而不同，一般采用土、礫石、粉煤灰、石灰等介電常數(shù)相對較大且濕度較大的材料，其介電常數(shù)通常都大于 8。道路的各個(gè)結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)存在明顯的差異，這就為地質(zhì)雷達(dá)檢測路面的厚度提供了地球物理依據(jù)。檢測人員可以根據(jù)雷達(dá)接收端所接收到的波時(shí)、波幅、波速以及衰減的程度來確定道路的厚度以及其常見病害。

1.2 檢測原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測機(jī)理是向地下發(fā)射脈沖形式的高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，遇到電性差異的地下目標(biāo)體，如路面結(jié)構(gòu)的分層等，就會發(fā)生反射和散射，反射波到達(dá)地面時(shí)由接收天線接收，在對接收到的反射波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)反射波的波形、強(qiáng)度和雙程走時(shí)等參數(shù)來推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性和幾何形態(tài)，見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)路面檢測示意圖

雷達(dá)波在面層的雙程旅行時(shí)間為：

當(dāng)雷達(dá)波垂直于界面A入射時(shí)，α1≈α2≈0。

其中，h1，h2分別為面層、基層的厚度；V1，V2分別為電磁波在面層、基層的傳播速度。

為了獲得面層、基層的厚度，必須要有波在介質(zhì)中的傳播速度，才能夠進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。電磁波波速對于絕大多數(shù)非導(dǎo)電、非磁性介質(zhì)波速V的近似值為：

式中：C：真空中電磁波的傳播速度，C＝0.3 m/ns；

ε：介電常數(shù)。

1.3 地質(zhì)雷達(dá)誤差產(chǎn)生分析

1.3.1 反射信號時(shí)間差

要想準(zhǔn)確地記錄反射信號時(shí)間差，首要的問題是確定計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)。依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，可以把探地雷達(dá)的反射信號的觸發(fā)點(diǎn)看作是物理時(shí)間的起點(diǎn)，但是這樣也存在不少問題尚待解決：①強(qiáng)烈的直達(dá)波信號和地面反射信號的干擾，使記錄整體面貌變壞，影響增益設(shè)置和自動增益的使用；②天線的位置隨著路況的不同而起伏顫動，識別地面反射點(diǎn)的位置要花費(fèi)大量的精力。

為了提高起始零點(diǎn)的標(biāo)定精度，地質(zhì)雷達(dá)一般備有自動調(diào)零設(shè)置，設(shè)計(jì)用自動軟件將時(shí)間起點(diǎn)移到地面反射信號位置。同時(shí)，還要輔用一些校正方法。校正的方法是：首先顯示整條波形掃描曲線，在掃描曲線中辨認(rèn)出直達(dá)波和地面反射波，然后將原點(diǎn)時(shí)間光標(biāo)移動到地面反射的位置。

1.3.2 介電常數(shù)的標(biāo)定

介電常數(shù)決定介質(zhì)中電磁波的傳播速度，因此介電常數(shù)能否正確標(biāo)定是能否測定路面厚度的另一個(gè)重要因素。標(biāo)定介電常數(shù)的傳統(tǒng)方法主要有數(shù)學(xué)模型計(jì)算、利用鉆芯厚度標(biāo)定以及反射波波幅推導(dǎo)3種。

（1）數(shù)學(xué)模型計(jì)算。在探地雷達(dá)的應(yīng)用中，檢測人員常常憑借經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用線性模型和均方差模型對被測介質(zhì)的介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行時(shí)深換算，反推路面結(jié)構(gòu)層的厚度。這種運(yùn)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算的誤差較大，誤差可能達(dá)到 18.3%～55%。國內(nèi)有學(xué)者對線性模型和均方差模型進(jìn)行回歸修正以后，發(fā)現(xiàn)其誤差可以減少到2%。因此，這種方法能否正確評價(jià)路面結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)還有待于深入的研究。

（2）利用鉆芯厚度標(biāo)定介電常數(shù)。這種介電常數(shù)的標(biāo)定方法在路面的厚度檢測中被廣泛應(yīng)用。其原理是探地雷達(dá)檢測路面厚度時(shí)，檢測人員可以通過電磁波得到兩界面的反射時(shí)間差，又輔以鉆芯手段取得路面相同位置的厚度，進(jìn)一步反推介質(zhì)的介電常數(shù)。然后視路面為均勻材料，全線采用該介電參數(shù)值計(jì)算厚度。但是由于路面材料在壓實(shí)度、含水量和材料的性質(zhì)等方面的差異，導(dǎo)致介電常數(shù)有所變化。因此，這種方法帶來的偶然誤差很難準(zhǔn)確評定介質(zhì)的厚度。從整體的應(yīng)用效果來看，這種方法測得的路面厚度誤差可以控制在 3%～8%以內(nèi)，這取決于材料的均勻程度。有時(shí)在實(shí)際的工程應(yīng)用中，為了提高介電常數(shù)的可靠性，可以增加標(biāo)定的點(diǎn)數(shù)，然后用各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的介電常數(shù)的均值作為整段路面結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)。

（3）由反射波波幅推導(dǎo)介電常數(shù)。由電磁波的反射系數(shù)估算公式可以得知波的反射系數(shù)與介質(zhì)的介電常數(shù)存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。而反射系數(shù)也是反射波幅與入射波幅的比值，即：

式中：A1：反射波的波幅；

A2：入射波的波幅。利用金屬板可以量測到入射波的波幅，再利用反射波量測到反射波的波幅，因空氣的介電常數(shù)為 1，可以計(jì)算出路面的介電常數(shù)。但此種方法也有缺陷，由于天線的抖動、道路的縱坡以及路面材料的不均勻，用此方法測定的介電常數(shù)并不能代表整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

2.1 雷達(dá)天線的選擇以及測線的布置

在路面厚度檢測過程中探地雷達(dá)天線選取時(shí)既要考慮路面檢測深度的要求，又要考慮檢測精度的要求。在本次路面厚度檢測中，由于路面厚度檢測的精度要求較高，同時(shí)要求檢測路面的厚度不大，故在選取探地雷達(dá)天線時(shí)，選用美國勞瑞公司生產(chǎn)的SIR－10H型探地雷達(dá)系統(tǒng)1，0GHz空氣耦合天線，采樣時(shí)窗大小設(shè)為15 ns，采用自動增益大小來進(jìn)行檢測，達(dá)到本次檢測的目的。同時(shí)根據(jù)檢測需要，在道路路面上布置縱向測線，以檢測道路路面在縱向面層上的厚度情況。

2.2 資料的分析

被檢測的公路里程為 K2＋000～K7＋000，在測線上布置10個(gè)點(diǎn)作為鉆芯取樣驗(yàn)證之用，并用第一個(gè)孔的鉆芯厚度及波的傳播時(shí)間標(biāo)定波的傳播速度。

可以看出，鉆芯厚度與雷達(dá)測定厚度的絕對誤差最大為0.4 cm，最大的單點(diǎn)誤差為 4.57%，滿足我國《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)的規(guī)定。同時(shí)對芯樣的厚度和雷達(dá)測定的厚度進(jìn)行相關(guān)性分析，經(jīng)過計(jì)算可以得到鉆芯厚度和雷達(dá)測定厚度的相關(guān)線性方程：

其相關(guān)系數(shù)：r＝0.91＞0.798，這說明它們兩者有著很好的相關(guān)性。

3 結(jié)束語

地質(zhì)雷達(dá)由于具有無損、高精度、高分辨率以及低成本等優(yōu)越性，其應(yīng)用已滲透到道路施工和檢測維修的全過程，應(yīng)該充分利用現(xiàn)有的雷達(dá)檢測技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路中的潛在問題，盡早維護(hù)，做到防微杜漸，防患于未然。

1 李志強(qiáng).地質(zhì)雷達(dá)檢測瀝青路面厚度誤差分析及校核方法［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2009（02）

2 字陳波.運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測水電工程混凝土厚度及澆筑質(zhì)量［J］.云南水力發(fā)電，2008（05）

3 吳 彬、李遠(yuǎn)強(qiáng)、黃來源、李軍輝.隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)檢測研究［J］.城市地質(zhì)，2008（02）

Geological Radar Detection Technique’s Application in the Road Surface Thickness

Xu Jianling

This paper describes the geological radar detection technique’s working principles in the road surface thickness, analyzes the errors causes of the geological radar detection, combined with practical engineering detection, indicates that geological radar detection technique’s application in road surface thickness is feasible and reliable.

geological radar detection; road surface thickness; inspection application

P225.1

A

1000－8136（2011）03－0150－02