貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司

摘要：近年來，隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其養(yǎng)護(hù)管理日漸重要。為了提高公路工程的建設(shè)規(guī)模、管理質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效率，技術(shù)人員積極尋求基于地質(zhì)雷達(dá)的公路路面檢測(cè)技術(shù)，這些應(yīng)用不僅大大提高了公路路面性能檢測(cè)和工程質(zhì)量評(píng)價(jià)水平，也促使道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)更趨科學(xué)化、合理化。

引言

公路路面檢測(cè)項(xiàng)目主要有路面平整度、路面承載能力、路面抗滑性能、路面厚度、路面破損檢測(cè)等。然而長(zhǎng)期以來，我國(guó)公路路面檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較為緩慢，普遍存在著檢測(cè)手段落后、效率不高等問題。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法測(cè)點(diǎn)隨機(jī)，密度稀，速度慢，且對(duì)路面有破壞，難以準(zhǔn)確全面地發(fā)現(xiàn)道路內(nèi)部存在的隱性病害，往往容易導(dǎo)致道路破損加劇，越來越不能適應(yīng)公路特別是高速公路快速發(fā)展的要求，因此提高路面檢測(cè)的現(xiàn)代化水平和無損性技術(shù)已是迫切的需要。

探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于公路路面檢測(cè)，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、簡(jiǎn)便高效、準(zhǔn)確無損、連續(xù)檢測(cè)、信息豐富和圖像解釋直觀等優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)效果越來越被人們所認(rèn)可，但由于公路路面結(jié)構(gòu)、材料的特殊性和對(duì)路面檢測(cè)精度要求較高的特點(diǎn)，加之應(yīng)用該技術(shù)開展公路路面檢測(cè)仍處于完善階段，因此很有必要對(duì)雷達(dá)在公路檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

一、地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)的檢測(cè)原理大致相同，使用高頻電磁波主頻為數(shù)十?dāng)?shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖的方式，從地面進(jìn)行發(fā)射天線向地下輻射，當(dāng)它遇到地下介質(zhì)或者介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射，并返回發(fā)射器，被專門接收信息的接收天線接收，被計(jì)算機(jī)記錄下來，經(jīng)過信息整理之后形成雷達(dá)剖面圖。因?yàn)殡姶挪ㄔ诮橘|(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其傳播路徑、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及電磁波的波形會(huì)受介質(zhì)的特點(diǎn)和幾何形態(tài)影響。所以在接收到的電磁波特點(diǎn)、傳播時(shí)間、幅度、頻率和波形等，必須進(jìn)行雷達(dá)圖像的整理，才能進(jìn)行確定公路的情況。雷達(dá)圖像剖面圖是通過脈沖反射波的波形形式展現(xiàn)的。其波形通過變面積形式進(jìn)行展現(xiàn)，或者通過灰度或彩色剖面形式進(jìn)行展現(xiàn)。并通過同相軸或等灰線、等色線進(jìn)行表示反射面的情況。在波形記錄圖上根據(jù)各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向確定波形，即可形成完整的雷達(dá)成像剖面，使人們可以清楚地看到公路路面的損壞程度。這是一種快速且非?？煽康臋z測(cè)手段，最重要的是一種無損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于記錄所謂每一道雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)，都能看成是一種雷達(dá)脈沖子波和相應(yīng)的反射波其系數(shù)序列進(jìn)行卷積，再通過探測(cè)雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄反射波到達(dá)地面所需要的時(shí)間，以及反射波的波幅大小進(jìn)行研究有關(guān)地下介質(zhì)的分布情況，并利用雷達(dá)特有的高分辨率性質(zhì)在較淺的層中進(jìn)行探測(cè)，并且應(yīng)用非常廣泛。

二、基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在公路路面檢測(cè)的應(yīng)用

1.公路路面脫空檢測(cè)。由于水泥混凝土板下基層與底基層之間要求有一定的透水性，當(dāng)基層透水性不好時(shí)，水容易通過接縫等路面的薄弱處進(jìn)入面板與基層之間的位置并在此處積累，行車荷載等使水產(chǎn)生動(dòng)水壓力，進(jìn)而對(duì)周圍的基層材料產(chǎn)生沖刷，水沖刷下來的細(xì)集料隨著唧泥被帶走，沖刷量逐漸積累而在此處逐漸形成充水的脫空區(qū)。有時(shí)基層透水性雖好，但粒料級(jí)配不合適，細(xì)顆粒會(huì)被下滲雨水帶走，從而形成充氣的脫空區(qū)。脫空區(qū)的路面在反復(fù)荷載作用下，混凝土路面板將發(fā)生斷裂、破碎，嚴(yán)重影響道路的使用壽命。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射出的電磁波若遇上路面板下脫空，則會(huì)有兩條反射波，由此就可檢測(cè)出路面下是否有脫空現(xiàn)象。地試驗(yàn)選擇公路路面已經(jīng)有損傷區(qū)域，雷達(dá)成像剖面中顯示該區(qū)域基層損傷比較大，而且墊層與路床界面出現(xiàn)凹凸不平的狀況，則表示基層、墊層內(nèi)部出現(xiàn)介質(zhì)橫向上的現(xiàn)象，并且損壞嚴(yán)重。一般情況下，天線頻率的高低決定探測(cè)深度的大小。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，若天線的頻率超過2GHz，則無法探測(cè)出路面是否存在脫空現(xiàn)象，只有在天線中心頻率的下限值為900MHz時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)才能檢測(cè)到較為準(zhǔn)確的路面脫空情況。因此，在使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路面板下的脫空進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇較為合適的天線頻率。此外，雷達(dá)的探測(cè)深度還受地下的介質(zhì)的影響，遇到不同的介質(zhì)，反射的度數(shù)不同，則電磁波長(zhǎng)短不一。若遇到同屬性的介質(zhì)，電磁波的反射則會(huì)產(chǎn)生差異，即探測(cè)不出地下的脫空情況。

2.路面厚度檢測(cè)。我國(guó)道路面層絕大部分為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，其厚度直接影響到道路的整體質(zhì)量，因此，瀝青路面的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)是路面設(shè)計(jì)的核心。通常，道路結(jié)構(gòu)分為路基、基層、面層。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(jí)而定。目前我國(guó)高等級(jí)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。每個(gè)層面所用的材料不同，雷達(dá)在不同介質(zhì)傳輸?shù)乃俣纫膊煌?，所以，在雷達(dá)顯示屏上能很明顯地區(qū)分出每層的分界線。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)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(huì)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(duì)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)。由于所需要探測(cè)的部位為瀝青層，因此，所使用的雷達(dá)只需顯示出瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度，而使用1600MHz的雷達(dá)天線能夠高精度、高分辨率地檢測(cè)出0.5m深度范圍內(nèi)的目標(biāo)。

3.路面密度和壓實(shí)度檢測(cè)。瀝青路面的厚度、壓實(shí)度是路面工程質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)管理決策中需要嚴(yán)格控制的指標(biāo)之一。路面雷達(dá)并不能直接識(shí)別出密度、壓實(shí)度等路面性能指標(biāo)，但可以基于介電常數(shù)的研究加以實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)檫@些指標(biāo)的改變將直接導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。根據(jù)混合介質(zhì)介電常數(shù)均方根模型，即混合料的介電常數(shù)的均方根等于其相應(yīng)組成成分介質(zhì)的介電常數(shù)的均方根乘以該介質(zhì)所占混合料的體積比。當(dāng)空氣的體積比越來越大（骨料的體積比越來越?。r(shí)，瀝青混合料的密度和介電常數(shù)隨之越來越小。實(shí)際工程中瀝青混合料油石比相對(duì)較穩(wěn)定，對(duì)于新鋪瀝青面層其含水量微弱。因此，當(dāng)瀝青混合料介電常數(shù)較小時(shí)，可以肯定其空氣含量大、密度小。路面雷達(dá)正是利用瀝青混合料的介電常數(shù)、體積比、密度三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，依據(jù)是否有異物進(jìn)而能夠判斷出壓實(shí)的程度。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，路基壓實(shí)的程度主要可分為三種類型，即壓實(shí)不均勻?qū)?、密?shí)層以及不密實(shí)層。由于雷達(dá)的檢測(cè)能夠檢測(cè)雷達(dá)的圖像會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，所以，可以利用瑞雷波的方法來確定產(chǎn)生不均勻的異常區(qū)，瑞雷波的壓實(shí)度值、波速值以及承載力值，進(jìn)而能夠判別出路基是否達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)。

三、結(jié)語

雷達(dá)作為一種檢測(cè)工具在公路路基路面的檢測(cè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如快速、無損等，主要用于結(jié)構(gòu)密實(shí)度的檢測(cè)、結(jié)構(gòu)層厚度、路基的含水量以及存在缺陷的檢測(cè)等多個(gè)方面。同時(shí)，我國(guó)是世界上最早使用地質(zhì)雷探測(cè)公路病害的國(guó)家之一，必須竭盡全力開拓地質(zhì)雷達(dá)在公路路面檢測(cè)的應(yīng)用，對(duì)以后公路工程質(zhì)量的控制及減少經(jīng)濟(jì)損失提高效益做出巨大貢獻(xiàn)。

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