王大為, 呂浩天, 湯伏蛟, 葉呈森, 劉鵬飛

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150090;2.德國(guó)亞琛大學(xué)道路工程研究所， 亞琛 52074， 德國(guó))

隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)非常迅速，公路建設(shè)里程持續(xù)增長(zhǎng)，截止至2020年全國(guó)公路總里程達(dá)到519.81萬(wàn)km，公路密度為0.541 5 km/km2. 與此同時(shí)，我國(guó)的交通量和重載超載車輛的比例也與日俱增，路面結(jié)構(gòu)承受了更多的荷載次數(shù)和更高的荷載水平，導(dǎo)致路面平整度下降，路面疲勞損傷顯著加劇[1]，最終造成各類路面病害. 根據(jù)公路病害成因分析，各結(jié)構(gòu)層之間的接觸狀態(tài)不良是導(dǎo)致道路損害的主要原因之一[2]. 路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)的衰減會(huì)使各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化，當(dāng)層間接觸不良時(shí)，道路結(jié)構(gòu)在荷載作用下面層底部會(huì)由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，極大增加發(fā)生反射裂縫的可能性[3-6]；利用有限元軟件建模分析可知，當(dāng)層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)變化到完全滑動(dòng)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯減弱，瀝青層底彎拉應(yīng)力漲幅超過(guò)500%，瀝青層底拉應(yīng)力漲幅超過(guò)100%，路面的使用壽命降低了約40%[7-10]. 因此，研究路面結(jié)構(gòu)層之間的接觸狀態(tài)具有重大意義.

影響瀝青路面層間接觸狀態(tài)的因素可分為內(nèi)因和外因. 內(nèi)因指道路材料自身特性，例如瀝青和集料自身強(qiáng)度、瀝青混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)未達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)，造成路面結(jié)構(gòu)整體性下降，削弱路面整體抗力；外因指外界荷載、環(huán)境因素和施工質(zhì)量等，例如因壓實(shí)度不足、路面溫度和濕度變化造成層間黏結(jié)不足，在車輛荷載的作用下易發(fā)生層間剪切滑移，造成路面嚴(yán)重破壞.

剪切、拉拔、扭剪等室內(nèi)試驗(yàn)為傳統(tǒng)路面層間接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)方法[11]. 彭國(guó)強(qiáng)等[12]采用拉拔試驗(yàn)研究了溫度、瀝青針入度、瀝青種類對(duì)層間黏結(jié)性能的影響. 徐世法等[13]利用剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)對(duì)乳化瀝青、改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青以及橡膠SBS瀝青5種黏結(jié)材料的層間黏結(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明橡膠SBS復(fù)合改性瀝青黏結(jié)性能最為優(yōu)越. 劉紅坡等[14]采用剪切- 拉拔試驗(yàn)測(cè)試了不同溫度、水平推力和黏結(jié)層油用量對(duì)瀝青路面層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響. 以上層間黏結(jié)性能評(píng)價(jià)方法大多在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，缺少實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證過(guò)程，與實(shí)際道路受力、受損情況存在一定差異.

近年來(lái)，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴(kuò)大，在雷達(dá)硬件設(shè)備、地下目標(biāo)識(shí)別、地下目標(biāo)成像等方面取得了重大進(jìn)展和突破，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)模較大的路用探地雷達(dá)生產(chǎn)公司如表1所示. 探地雷達(dá)在道路工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的應(yīng)用效果. Sudyka等[15]利用空氣耦合探地雷達(dá)在干燥和潮濕條件下探測(cè)出瀝青路面內(nèi)部幾mm寬的水平裂縫，證實(shí)了探地雷達(dá)技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青路面層間黏結(jié)狀態(tài)的可行性. 虞將苗等[16]基于探地雷達(dá)技術(shù)，應(yīng)用厚度補(bǔ)償原理對(duì)瀝青路面厚度進(jìn)行了檢測(cè)，研究結(jié)果表明，該測(cè)試方法穩(wěn)定可靠且可操作性強(qiáng)，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值. Zhang等[17]將探地雷達(dá)信號(hào)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，快速診斷瀝青路面內(nèi)部水損害，準(zhǔn)確率超過(guò)90%.

表1 國(guó)內(nèi)外主要路用探地雷達(dá)生產(chǎn)公司

因此，基于電磁波發(fā)射- 接收技術(shù)的探地雷達(dá)檢測(cè)方法為道路內(nèi)部病害檢測(cè)提供了一種高速、便捷的無(wú)損檢測(cè)手段. 然而，目前仍缺乏探地雷達(dá)方法對(duì)道路結(jié)構(gòu)層間接觸狀況的研究. 本文基于三維探地雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合具體工程項(xiàng)目，提出瀝青路面層間接觸狀態(tài)判別原理與方法并對(duì)具體工程檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行層間接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)，可為瀝青路面養(yǎng)護(hù)和維修提供參考.

1 三維探地雷達(dá)系統(tǒng)及工作原理

探地雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)是一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，它通過(guò)分析電磁波的傳播過(guò)程來(lái)獲取被測(cè)物體的相關(guān)信息，電磁波的傳播過(guò)程與材料的介電常數(shù)密切相關(guān). 由于不同材料介電常數(shù)的差異，電磁波在穿過(guò)不同材料的過(guò)程中相位和振幅會(huì)發(fā)生變化，GPR通過(guò)電磁波相位和振幅的變化來(lái)識(shí)別被測(cè)目標(biāo)的信息.

材料介電常數(shù)的差異是GPR的應(yīng)用基礎(chǔ). GPR發(fā)射的高頻電磁波在不同介電常數(shù)的材料中形成反射電磁波，然后探地雷達(dá)對(duì)反射電磁波進(jìn)行處理，從而獲得道路結(jié)構(gòu)信息. 因此，為了提高GPR探測(cè)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，有必要掌握不同材料的介電常數(shù)值，分析電磁波在不同材料中的傳播規(guī)律.

電磁波振幅的變化規(guī)律應(yīng)遵循反射系數(shù)公式.如果ε1<ε2，則反射系數(shù)為負(fù)，反射波的極性與入射波的極性相反；如果ε1>ε2，則反射系數(shù)為正，反射波的極性與入射波的極性相同.ε1和ε2差異越大，反射波振幅越大.

(1)

式中：R為反射系數(shù)；ε1和ε2為材料的相對(duì)介電常數(shù).

GPR工作原理如圖1所示，其中T為電磁波發(fā)射器、R為電磁波接收器、A-scan為單通道波形圖、B-scan為二維剖面圖、C-scan為多個(gè)二維剖面圖共同形成的三維圖[18]. A-scan圖中出現(xiàn)的異常振幅即為由介電常數(shù)差異反映的不規(guī)則雷達(dá)反射圖譜. 三維GPR天線發(fā)射頻率一般在50 MHz～3.5 GHz，高頻天線適用于淺部探測(cè)且精度較高，低頻天線適用于深部探測(cè)且精度較高頻天線低，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層探測(cè)時(shí)，宜選擇高頻天線，在進(jìn)行路基空洞檢測(cè)時(shí)低頻天線具有更大優(yōu)勢(shì).

圖1 GPR工作原理圖Fig.1 Working mechanism for GPR

本文所使用的三維GPR系統(tǒng)由GeoScopeTM MK IV雷達(dá)主機(jī)和DX2125型陣列天線組成，如圖2所示. GeoScopeTM MK IV雷達(dá)主機(jī)采用數(shù)字步進(jìn)頻率技術(shù)，它發(fā)射一系列具有一定階躍頻率的正弦波，并在頻域接收相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)，如圖3所示. DX2125陣列天線共有25個(gè)掃描通道，其連續(xù)頻率范圍可達(dá)200 MHz～3 GHz，與傳統(tǒng)GPR系統(tǒng)相比，具有淺層分辨率高、探測(cè)深度大等特點(diǎn).

圖2 三維GPR檢測(cè)設(shè)備Fig.2 3D GPR equipment

圖3 步進(jìn)頻率脈沖示意圖Fig.3 Schematic diagram of stepped frequency pulse waveform

2 試驗(yàn)與方法

2.1 項(xiàng)目概況與雷達(dá)檢測(cè)方案

本文檢測(cè)的改擴(kuò)建工程項(xiàng)目為雙向四車道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬度為25.50 m. 整體式橫斷面布置為：行車道4×3.75 m，中央分隔帶2.00 m，左側(cè)路緣帶2×0.50 m，硬路肩2×3.00 m，土路肩2×0.75 m. 該公路服役使用2年后出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的翻漿冒泥、剝落、路表橫縫和縱縫等路面早期破壞. 本文檢測(cè)了17.2 km全幅道路層間接觸的狀況，路面結(jié)構(gòu)如圖4所示. 對(duì)左幅、右幅瀝青路面的超車道、行車道和應(yīng)急車道分別進(jìn)行三維雷達(dá)檢測(cè)，測(cè)道布置，如圖5所示.

圖4 路面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of pavement structure

圖5 測(cè)道布置方案Fig.5 Detection plan layout

2.2 GPR數(shù)據(jù)采集方法

三維GPR天線陣列是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的核心部件，本文采用的三維雷達(dá)發(fā)射- 接收天線結(jié)構(gòu)如圖6所示，陣列包含13對(duì)發(fā)射- 接收天線，每一個(gè)發(fā)射天線都與相鄰的2個(gè)接收天線配對(duì)，從而形成25個(gè)探測(cè)點(diǎn)，每個(gè)通道的間距為7.5 cm，因此一次掃描可以覆蓋187.5 cm的寬度.

圖6 三維探地雷達(dá)天線陣列結(jié)構(gòu)Fig.6 Antenna layout of 3D GPR

2.3 GPR數(shù)據(jù)處理方法

GPR數(shù)據(jù)采集過(guò)程會(huì)受到如移動(dòng)通信基站等附近信號(hào)源的電磁干擾，因此采用干擾抑制方法識(shí)別并消除外部信號(hào)源的干擾，即

(2)

式中：D(fm)為步進(jìn)頻率fm的頻域信號(hào)；等式右邊第1項(xiàng)為目標(biāo)信號(hào)；第2項(xiàng)為干擾信號(hào).當(dāng)步進(jìn)信號(hào)fm與干擾信號(hào)fk相差超過(guò)所設(shè)閾值時(shí)，干擾信號(hào)將會(huì)被消去.

經(jīng)過(guò)天線陣列采集到的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)為頻域數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行逆選擇性離散傅里葉變換將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)[19]，有

(3)

式中：xn表示相對(duì)時(shí)域序列；Xk表示頻域中的N個(gè)樣本的序列；Ln表示給定時(shí)域指數(shù)n下，矩陣H的最后一個(gè)非零元素的頻域指數(shù).

GPR信號(hào)的功率與距離的平方成正比，因此功率很大的淺層反射信號(hào)會(huì)極大地干擾功率很小的深層反射信號(hào)形成背景噪聲，嚴(yán)重干擾雷達(dá)圖像識(shí)別，可以采用背景濾波方法減少背景噪聲.本文通過(guò)均值法進(jìn)行背景濾波，假設(shè)B-scan數(shù)據(jù)X是一個(gè)M×N的二維矩陣，x(i,j)表示第i行第j列元素，均值法具體公式為

(4)

2.4 層間接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

一對(duì)雷達(dá)收發(fā)天線在某一測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)為反射信號(hào)沿時(shí)間變化的振幅曲線，這類曲線稱為同相軸或A-scan圖. 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)沿行車方向排列，將同相軸振幅強(qiáng)弱用灰度大小表示，形成行車方向與深度方向的B-scan圖. 由于瀝青路面為層狀結(jié)構(gòu)，每層材料的相對(duì)介電常數(shù)值不同，同相軸在層位交界處會(huì)產(chǎn)生振幅峰值，并且沿行車方向具有高度連續(xù)性，典型的層間接觸狀態(tài)良好的GPR特征圖譜如圖7所示. 為了準(zhǔn)確識(shí)別層間接觸失效，必須熟練掌握路面層間雷達(dá)圖像的同相軸特點(diǎn). 層間接觸失效的GPR圖像主要表現(xiàn)為：同相軸振幅明顯增強(qiáng)，且加強(qiáng)的同相軸僅僅在水平方向有影響范圍，在深度方向影響很小. 圖8給出了典型的層間黏結(jié)失效的特征圖譜. 可以看出，雷達(dá)圖像中面層與基層之間有以正起跳為主的加強(qiáng)同相軸，且在深度方向影響較少. 綜上所述，本文基于三維GPR數(shù)據(jù)，提取路面瀝青層與基層之間的同相軸振幅，分析得到全幅路面層位界面掃描圖，依據(jù)瀝青路面層位界面同相軸振幅強(qiáng)度評(píng)價(jià)層間接觸狀態(tài)：同相軸振幅越大，層間接觸狀態(tài)越差；同相軸振幅越小，層間接觸狀態(tài)越好.

圖7 層間黏結(jié)良好的GPR圖譜Fig.7 GPR results with good interlayer contact

圖8 層間黏結(jié)失效的GPR圖譜Fig.8 GPR results with bad interlayer contact

3 結(jié)果與討論

3.1 層間接觸狀態(tài)分析

根據(jù)2.4可知，兩接觸層材料相對(duì)介電常數(shù)差值越大，界面振幅強(qiáng)度峰值越大，層間接觸狀態(tài)越差. 將每條檢測(cè)車道劃分為1.57 m×0.95 m大小的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的反射波振幅強(qiáng)度平均值作為該網(wǎng)格振幅強(qiáng)度代表值，每條車道振幅強(qiáng)度代表值約9 600個(gè). 表2列出了每條檢測(cè)車道層間界面振幅強(qiáng)度值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果. 由表2可知，左幅、右幅應(yīng)急車道層間界面振幅平均值與同側(cè)道路其他車道相比較大，說(shuō)明應(yīng)急車道層間接觸狀態(tài)整體較差；同一車道層間振幅強(qiáng)度的最大值和最小值相差約30倍，說(shuō)明同一車道不同區(qū)域的層間接觸狀態(tài)相差顯著.

表2 層間界面振幅強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖9 各振幅區(qū)間的頻率Fig.9 Frequency distribution with amplitude interval

由于振幅強(qiáng)度值的分布范圍較廣，因此根據(jù)振幅分布范圍劃分了若干個(gè)振幅區(qū)間，并計(jì)算了各區(qū)間振幅的頻率，如圖9所示. 可知，無(wú)論是右幅、左幅任意車道，層間界面振幅均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；區(qū)間(0.25 mm, 1.00 mm)內(nèi)振幅頻率最大，累計(jì)相對(duì)頻率均大于70%. 左幅超車道為左側(cè)道路層間接觸狀況最好車道，區(qū)間(0 mm, 0.50 mm)內(nèi)相對(duì)頻率最高；右幅行車道為右側(cè)道路層間接觸狀況最好車道，區(qū)間(0 mm, 0.50 mm)內(nèi)相對(duì)頻率最高.

關(guān)昌余等[20]根據(jù)層間黏結(jié)系數(shù)的大小將瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)分為層間接觸良好、層間接觸一般、層間接觸較差3個(gè)狀態(tài). 基于此，本文將層間界面振幅的分布范圍劃分成3個(gè)區(qū)間，分別為(0 mm, 1 mm)、(1 mm, 2 mm)、大于2 mm，并以此為依據(jù)對(duì)層間接觸狀況進(jìn)行判斷. 圖10統(tǒng)計(jì)了上述3個(gè)振幅區(qū)間的頻率. 可知，當(dāng)層間振幅小于1 mm時(shí)，應(yīng)急車道振幅的頻率為70%左右，行車道和超車道振幅的頻率為80%左右，說(shuō)明行車道和超車道的層間結(jié)合情況比應(yīng)急車道好；振幅大于2 mm時(shí)，各車道累計(jì)相對(duì)頻率不超過(guò)3%. 公路建成后，各車道的材料特性相同，并且受到的環(huán)境作用相同，所以3條車道的層間接觸狀態(tài)差異主要由荷載狀況和施工質(zhì)量決定. 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，行車道和超車道的交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)急車道的交通量，受到的荷載水平較大，荷載作用次數(shù)較多，這2條車道的層間接觸狀態(tài)卻優(yōu)于應(yīng)急車道.

圖10 各振幅區(qū)間的頻率Fig.10 Frequency distribution with amplitude interval

3.2 層間接觸狀態(tài)衰退規(guī)律分析

瀝青路面不同區(qū)域受到的車輛荷載- 溫度影響狀況不同，所以在荷載- 溫度耦合作用下，路面不同區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出不同的層間接觸狀態(tài). 環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低層間黏結(jié)材料的黏結(jié)強(qiáng)度，并且溫度越低，黏結(jié)強(qiáng)度衰減越明顯[7]；荷載水平增加時(shí)，瀝青層層底拉應(yīng)力、應(yīng)變將顯著增大，表現(xiàn)為明顯的非線性變化趨勢(shì)；高溫、重載情況時(shí)，非線性現(xiàn)象更加明顯[4]，極大地加速層間黏結(jié)強(qiáng)度衰減. 荷載- 溫度影響顯著的區(qū)域?qū)娱g接觸狀態(tài)較差，振幅值較大；荷載- 溫度影響較小的區(qū)域?qū)娱g接觸狀態(tài)較好，振幅值較小. 綜上所述，瀝青路面長(zhǎng)期在車輛荷載反復(fù)作用和環(huán)境因素的耦合作用下，層間接觸狀態(tài)由強(qiáng)變?nèi)醯乃俾食尸F(xiàn)先慢后快的趨勢(shì).

為了研究層間接觸狀態(tài)衰退規(guī)律，本文將每條車道約19 000個(gè)層間振幅代表值按照振幅值大小進(jìn)行排序，并繪制了相應(yīng)的曲線圖，結(jié)果如圖11所示. 可以看出，各條車道的層間振幅值變化規(guī)律一致，且應(yīng)急車道振幅值較其余2條車道大.

圖11 層間振幅變化規(guī)律Fig.11 Amplitude variation of contact layers for the three lanes

4 結(jié)論

本文基于三維GPR技術(shù)提出了瀝青路面層間接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)原理和方法，并分析了某改擴(kuò)建道路的層間接觸狀態(tài).

1) 層間接觸不良在雷達(dá)圖像中主要表現(xiàn)為層間連接處出現(xiàn)強(qiáng)反射，連接處波形振幅較大. 因此，利用層間界面反射波振幅可以較好地描述瀝青路面層間接觸狀態(tài).

2) 各車道層間界面振幅均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布. 當(dāng)層間振幅小于1 mm時(shí)，應(yīng)急車道振幅的頻率為70%左右，行車道和超車道振幅的頻率為80%左右，說(shuō)明行車道和超車道的層間結(jié)合情況較應(yīng)急車道好.

3) 當(dāng)瀝青路面層間接觸狀態(tài)衰減到一定程度后，在車輛荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)顯著.

4) 應(yīng)當(dāng)在層間接觸狀態(tài)一般時(shí)及時(shí)跟進(jìn)預(yù)防性道路養(yǎng)護(hù)處治措施，最大程度延長(zhǎng)道路使用壽命.