王雯珊，向陽開，熊潮波

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.重慶市南岸區(qū)交通局，重慶 400060)

地質(zhì)雷達(dá)在路面脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

王雯珊1，向陽開1，熊潮波2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.重慶市南岸區(qū)交通局，重慶 400060)

介紹了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法的基本工作原理;結(jié)合工程實(shí)例，將地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法應(yīng)用于水泥混凝土路面板底脫空的判定。首先進(jìn)行測(cè)點(diǎn)選擇和雷達(dá)參數(shù)調(diào)節(jié)，然后對(duì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，即可判斷路面板底脫空的位置，讀出脫空點(diǎn)的長(zhǎng)度及高度，并能初步判斷脫空的原因。數(shù)據(jù)表明:與落錘式彎沉儀法相比，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法在路面脫空檢測(cè)中具有更高的可信度;經(jīng)鉆芯復(fù)核，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)80%以上。

水泥混凝土路面板;脫空檢測(cè);地質(zhì)雷達(dá);落錘式彎沉儀

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)力度的逐漸加大，公路工程得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的公路病害逐漸引起了人們的重視。應(yīng)用高效、經(jīng)濟(jì)的方法和技術(shù)來檢測(cè)公路的質(zhì)量情況，對(duì)于改善路面質(zhì)量、減少維護(hù)經(jīng)費(fèi)、延長(zhǎng)公路壽命等方面具有重要意義［1］。地質(zhì)雷達(dá)具有探測(cè)效率高、無損性、高精度、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，能很好地檢測(cè)路面板底的脫空等病害。但現(xiàn)今對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)在公路工程中的應(yīng)用還較多停留在對(duì)隧道的斷面尺寸、初期支護(hù)混凝土厚度和密實(shí)性、鋼拱架間距及斷面收斂變形等方面進(jìn)行檢查［2］，而在路面板底脫空檢測(cè)中的應(yīng)用還不廣泛。筆者以水泥混凝土路面板底脫空檢測(cè)為例，探討如何有效的利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)公路路面病害進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

1 地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是基于地下介質(zhì)電性參數(shù)的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射來探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體的一種物探手段［2］。在探測(cè)過程中，由置于地面的發(fā)射天線將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電磁波，并以寬頻帶短脈沖形式定向送入地下，而地層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分，不同介質(zhì)對(duì)電磁波具有不同的波阻抗，所以當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時(shí)，便會(huì)在邊界兩側(cè)發(fā)生折射和反射，部分能量經(jīng)反射返回地面，并被接收天線所接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行脫空識(shí)別主要是利用了空洞中介質(zhì)的介電常數(shù)與周邊路面材料的介電常數(shù)的差異，如果剛性路面板下存在脫空，則路面體系中增加了兩個(gè)反射界面，從而可以檢測(cè)出底板脫空的路面。原理見圖1。該檢測(cè)技術(shù)不僅可以連續(xù)測(cè)量，而且不具破壞性，是一種行之有效的無損檢測(cè)技術(shù)［3］。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于路面板底脫空的檢測(cè)時(shí)，為了能達(dá)到檢測(cè)的目的，要重視儀器參數(shù)的調(diào)節(jié)，尤其要合理的選擇天線頻率。就雷達(dá)系統(tǒng)本身來講，天線頻率越高，探測(cè)深度越小;反之，天線頻率越低，探測(cè)深度越深。對(duì)同一天線頻率來說，最大探測(cè)深度將取決于地下介質(zhì)的電屬性、探測(cè)目標(biāo)體的尺寸大小以及目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差異程度等因素。如果舊混凝土路面板底脫空高度在0～5 cm左右，根據(jù)道路材料介電常數(shù)和不同路面結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)天線中心頻率大于2 GHz時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)基本不能穿透舊混凝土路面板，即無法探測(cè)板底脫空情況。因此，地質(zhì)雷達(dá)脫空檢測(cè)天線中心頻率上限值為2 GHz。從分辨率角度考慮，如果舊混凝土路面板底脫空高度在0.5～3 cm范圍內(nèi)，只有最小垂直分辨率小于等于3 cm地質(zhì)雷達(dá)才能分辨脫空情況。因此探地雷達(dá)脫空檢測(cè)天線中心頻率下限值為900 MHz［4］。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)示意Fig.1 Detection diagram of ground penetrating radar

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程的概況

重慶市南岸區(qū)茶園黃明路于1998年通車，為雙車道水泥混凝土路面。近年來，路面裂縫、斷板、錯(cuò)臺(tái)等病害嚴(yán)重，當(dāng)?shù)毓芾聿块T已對(duì)其裂縫、斷板等進(jìn)行過數(shù)次維修治理，但其效果不佳，治理后再次出現(xiàn)病害的情況嚴(yán)重。裂縫、破碎板等幾乎都與板底脫空有關(guān)，而一些即使當(dāng)時(shí)看來既沒有破碎又沒有裂縫的板塊，其板底仍可能存在脫空［5］。

2.2 測(cè)點(diǎn)的選擇

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采用傳統(tǒng)的方法初步判斷可能出現(xiàn)路面板底脫空的路段:當(dāng)重車經(jīng)過時(shí)，處于相鄰板的人能感到板塊的翹動(dòng);雨后觀測(cè)板邊接縫處出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象;相鄰板出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái);填縫材料出現(xiàn)大量脫落等［6］。于是，根據(jù)上述方法初步挑選出黃明路K13+150～K13+400右側(cè)(1#路)和 K15+520～K15+690左側(cè)(2#路)作為此次試驗(yàn)的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)路段。

理論計(jì)算［7-8］與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，脫空一般都發(fā)生在剛性道面板的縫邊與板角處［9］。脫空前期在行車荷載作用下，該處的受力狀態(tài)類似于懸臂梁，會(huì)產(chǎn)生過大的應(yīng)力、應(yīng)變和豎向變形，極易導(dǎo)致路面板的斷裂和破碎等損壞［10］，因而板邊是檢測(cè)的重點(diǎn)位置。

2.3 參數(shù)的調(diào)節(jié)

應(yīng)用美國(guó)GSSI-SIR-20地質(zhì)雷達(dá)對(duì)選取的路面板板邊進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)電磁波反射信號(hào)(即回波信號(hào))的時(shí)頻特征、振幅特征、相位特征等進(jìn)行分析，便能了解地層的特征信息(如層厚、缺陷、空洞等)［4］。在實(shí)際檢測(cè)中，還應(yīng)注意的是，雖然從分辨率角度考慮，所選雷達(dá)天線的頻率越高越好，但是中心頻率越高其探測(cè)深度越小，所以應(yīng)合理地選擇天線中心頻率，以兼顧探測(cè)深度和分辨率，且在整個(gè)檢測(cè)過程中采用的參數(shù)要前后一致，以便于后期數(shù)據(jù)的對(duì)比。

2.4 數(shù)據(jù)的處理和分析

將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過GSSI軟件RADAN處理后可得到相關(guān)圖像。雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理過程較為靈活，在處理過程中進(jìn)行多次降噪和多次濾波處理，并時(shí)時(shí)觀察其成像效果，以獲得最佳圖像效果。數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后如圖2。該路段路面板下結(jié)構(gòu)層之間由于材料不同，出現(xiàn)明顯的層次，因而說明可以通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層的厚度。由圖2看出，該段路面相鄰的結(jié)構(gòu)層之間材料黏接良好，未出現(xiàn)空洞，所以可以判斷1#路段第26號(hào)、第27號(hào)路面板板底情況良好且無脫空現(xiàn)象。

圖2 1#路段第26、27號(hào)路面板檢測(cè)示意Fig.2 Detection diagram of No.26 slab and No.27 slab of 1#road

1#路段第15號(hào)和第17號(hào)路面板形成了板底脫空，脫空處的介電常數(shù)和周圍材料不同，反射信號(hào)強(qiáng)，圖像上的反映如圖3。圓圈處即為面層與基層之間出現(xiàn)的脫空點(diǎn)，而矩形框處則是基層不密實(shí)或欠密實(shí)出現(xiàn)的脫空，可以判斷該處是由于基層出現(xiàn)問題，致使混凝土板的局部范圍不再與基層保持連續(xù)接觸，所以是由于基層出現(xiàn)問題而導(dǎo)致路面板下脫空。

圖3 1#路段第15號(hào)、17號(hào)路面板檢測(cè)示意Fig.3 Detection diagram of No.15 slab and No.17 slab of 1#road

由圖4雷達(dá)檢測(cè)2#路段第20號(hào)和第21號(hào)路面板的圖像可見，圓圈處的基層出現(xiàn)嚴(yán)重問題，但基層和面層卻黏接較好，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查可以知道該路面上雖無斷板現(xiàn)象，但有明顯的錯(cuò)臺(tái)，因而可以判斷當(dāng)基層出現(xiàn)不均勻支撐，路面板在荷載作用下，隨著基層一起發(fā)生一定的沉降，這是發(fā)生路面斷板的早期現(xiàn)象，如得不到較好的治理，久之就會(huì)發(fā)生斷板現(xiàn)象。通過地質(zhì)雷達(dá)的準(zhǔn)確檢測(cè)，可以對(duì)該位置處的基層進(jìn)行治理，如大面積板底灌漿治理等，使路面板不再發(fā)生整體沉降。

圖4 2#路段第20號(hào)、21號(hào)路面板檢測(cè)示意Fig.4 Detection diagram of No.20 slab and No.21 slab of 2#road

利用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件RADAN分析，還能大致讀出各脫空點(diǎn)的長(zhǎng)度及脫空點(diǎn)的最大高度(表1)，這為后期確定病害的治理方法和技術(shù)提供了方便。

表1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Detection data of ground penetrating radar

2.5 與FWD檢測(cè)的對(duì)比分析

在水泥混凝土路面板下地基脫空評(píng)定中，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用無損檢測(cè)設(shè)備落錘式彎沉儀(FWD)已取得了很多成果［11］，在路面使用性能評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用［9］。為了檢驗(yàn)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于檢測(cè)水泥混凝土路面板底脫空的準(zhǔn)確性，采用落錘式彎沉儀(Dynatest 8 000 FWD)對(duì)該路段進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，即檢測(cè)同一點(diǎn)位置的脫空情況。結(jié)合試驗(yàn)路段的實(shí)際支撐情況，將處理后的FWD測(cè)量數(shù)據(jù)中的彎沉差Ld1(靠路中線的板角的彎沉值-路面板中心的彎沉值)大于110 μm或彎沉差Ld2(靠路中線的板邊中點(diǎn)的彎沉值-路面板中心的彎沉值)大于45 μm作為板下脫空的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Ld1大于210 μm為相對(duì)嚴(yán)重的脫空。通過比較兩種儀器的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種儀器對(duì)于路面板底脫空的檢測(cè)結(jié)果大致相同，但也有一些路面板通過兩種儀器檢測(cè)后得到不同的結(jié)論，如表2。

表2 兩種檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of two kinds of detection data

2.6 鉆心取樣

就表2的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆芯取樣，得出雷達(dá)檢測(cè)出無脫空的路面確實(shí)不存在脫空，因而說明雷達(dá)檢測(cè)比FWD檢測(cè)具有更高的可信度。再對(duì)雷達(dá)檢測(cè)出有脫空或無脫空的10塊路面板進(jìn)行后期鉆芯復(fù)核，通過芯樣長(zhǎng)度判斷水泥混凝土路面板底的脫空情況。可以看出，雷達(dá)對(duì)于路面板底脫空檢測(cè)的準(zhǔn)確率能達(dá)到80%以上，見表3。

表3 雷達(dá)檢測(cè)與鉆芯檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of detection data between ground penetrating radar and drilling core

通過一系列的對(duì)比，可以看出雷達(dá)較FWD更能快速地、直接地、定性地檢測(cè)路面脫空，但比較難于進(jìn)行脫空處力學(xué)分析，而在很多路面檢測(cè)中為了趕工期，往往不需要很精確的數(shù)據(jù)，因而選用地質(zhì)雷達(dá)能夠滿足需求。

3 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)作為目前較為先進(jìn)物探儀器，可以應(yīng)用于水泥混凝土路面板底脫空的檢測(cè)。通過合理選擇檢測(cè)天線、采集參數(shù)和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達(dá)能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出路面各結(jié)構(gòu)層的厚度及脫空點(diǎn)的位置、長(zhǎng)度、高度，并能初步判斷路面板下脫空的原因，這種檢測(cè)手段具有無損、便捷、連續(xù)、滿足一定精度要求等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過后期與FWD脫空檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，以及對(duì)鉆芯取樣的觀察分析，可以判斷出地質(zhì)雷達(dá)用于檢測(cè)路面板底脫空較FWD檢測(cè)更具有準(zhǔn)確性，且準(zhǔn)確率能達(dá)到80%以上。通過雷達(dá)對(duì)路面脫空情況的準(zhǔn)確判斷及預(yù)測(cè)，在公路路面病害超前預(yù)報(bào)中，為路面維修保養(yǎng)及安全營(yíng)運(yùn)提供可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，因而地質(zhì)雷達(dá)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Ground Penetrating Radar on Detecting Voids of Pavement

Wang Wenshan1，Xiang Yangkai1，Xiong Chaobo2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Road Transport Bureau in Nan’an District of Chongqing，Chongqing 400060，China)

The basic tenets of the ground penetrating radar detection method were introduced;based on the engineering practice，the ground penetrating radar detection method was used in the cavity detection of cement concrete slabs.Firstly the test points were selected and radar’s parameter was accommodated;then the radar’s detection data which was coped with software could directly judge the position of the road’s voids，read the length and height of cavity，and obtain the preliminary judgment of the cavity reason.The data shows that the radar’s cavity detection，compared with the falling weight deflectometer’s has higher reliability;with the help of drilling core，the data’s accuracy of cavity detection can reach more than 80%.

cement concrete slabs;detecting voids;ground penetrating radar;falling weight deflectometer

U412.22

A

1674-0696(2012)04-0811-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.19

2011-12-16;

2012-01-05

王雯珊(1986—)，女，四川自貢人，碩士研究生，主要從事工程控制技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail:745260119@qq.com。