謝心

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

路面厚度的檢測(cè)工作是公路質(zhì)量整體考評(píng)的重中之重。近年來(lái)我國(guó)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的投入逐漸增加，路面的建筑行業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨之而來(lái)對(duì)路面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。在檢驗(yàn)路面的厚度時(shí)，原有的方法已經(jīng)無(wú)法滿足測(cè)量的需求。采用探地雷達(dá)的模式，減少測(cè)量的時(shí)間簡(jiǎn)化操作的步驟，在不破壞路面的前提下進(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)。

1 探地雷達(dá)的在路面厚度檢測(cè)中的原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

探地雷達(dá)系統(tǒng)是利用高頻電磁波，通過(guò)寬頻帶短脈沖的模式，在地面向地下發(fā)射天線，然后通過(guò)地下物體的反射回到地面，返回的信號(hào)被再次接收。電磁波在傳送的過(guò)程中，它的傳播模式、時(shí)間與呈現(xiàn)形式會(huì)隨著介質(zhì)的狀態(tài)變化而改變。所以，結(jié)合電磁波的波形狀態(tài)和反射的時(shí)間等數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以探測(cè)出地下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間的分布情況。

圖1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由三部分組成，即固體腔、天線、時(shí)間窗。固體腔是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，為電磁波的產(chǎn)生提供先決條件。因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，它產(chǎn)生的頻率始終保持在2GHz之上。在探測(cè)是需要保證它處于平穩(wěn)的狀態(tài)、選擇適宜的頻率。發(fā)射天線的主要工作為傳輸信號(hào)，它將尖頻的電磁波傳輸?shù)铰访?。在工作中天線需要保持穩(wěn)定的傳輸方向、保障工作的穩(wěn)定性、減小電磁波的損傷。在進(jìn)行傳輸工作時(shí)，為了提高接受的效果，天線被制作成喇叭的形狀[1]。接收天線的主要任務(wù)是獲取較為反射回來(lái)的信號(hào)，并為其進(jìn)行適當(dāng)整合放大，然后傳送到處理器中。時(shí)間窗的主要工作是記錄雷達(dá)發(fā)射以及接受的距離時(shí)間，匯總每次的工作時(shí)間。

2 影響探地雷達(dá)路面厚度檢測(cè)的重要因素

2.1 環(huán)境電導(dǎo)率

環(huán)境電導(dǎo)率直接影響介質(zhì)傳導(dǎo)電荷的能力。因?yàn)樘降乩走_(dá)擁有較高的工作效率。電磁波的工作條件無(wú)論是在介電極限時(shí)，還是在靜態(tài)的極限時(shí)或者是在兩種情況之間時(shí)，它的深度都會(huì)也電導(dǎo)率成反比。電導(dǎo)率的數(shù)值不斷增加，電磁波的傳播深度逐漸減小。當(dāng)處于極限狀態(tài)時(shí)，環(huán)境的導(dǎo)電效果越來(lái)越低，電磁波減慢的速度逐漸降低，探測(cè)的深度逐漸增加。

2.2 介電常數(shù)

介電常數(shù)直接反映介質(zhì)的極化特性，彰顯介質(zhì)的貯藏作用。在介質(zhì)損耗的情況下，探地雷達(dá)的電荷通過(guò)外部的作用力產(chǎn)生了位移和摩擦，這時(shí)產(chǎn)生了一定的熱能。因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)變，影響電磁波的傳播效果，使其逐漸減弱。

2.3 磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率顯示了路面進(jìn)行磁化的情況。以磁導(dǎo)率的數(shù)值進(jìn)行劃分，主要可以分為三類，即反磁性材料、順磁性材料以及鐵磁性材料。不同的材料對(duì)電磁波的傳播效果不同。

2.4 中心頻率

在探究中心頻率時(shí)要考慮路面的深度以及天下的使用情況。通常情況下在滿足以上兩個(gè)條件時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)低中心頻率，這樣有利于提高電磁波傳播的效果。在實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)還需要考慮測(cè)量地的實(shí)際情況，設(shè)置科學(xué)的數(shù)值。

2.5 采樣時(shí)間

采樣時(shí)窗貫穿探地雷達(dá)測(cè)量的整個(gè)過(guò)程。它的取值主要由路面的實(shí)際深度和電磁波在各層結(jié)構(gòu)中的傳播速度決定。

2.6 采樣率

采樣率主要有采樣的間隔來(lái)決定的，它的數(shù)值越高，采集的電磁波樣品的時(shí)間就越短。目前，我國(guó)大部分的探地雷達(dá)頻帶與中心頻率的比值在0.8～1.2左右。電磁波的采用率應(yīng)該達(dá)到3.5左右，才能滿足探地雷達(dá)的正常運(yùn)行。

3 探地雷達(dá)在路面厚度檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

因?yàn)榈叵陆橘|(zhì)的介電常數(shù)各不相同，導(dǎo)致不同的介質(zhì)擁有不同的電導(dǎo)性。同時(shí)，電導(dǎo)性的強(qiáng)弱直接影響電磁波的傳播效果。在一般的情況下利用如下的公式就可以計(jì)算電磁波在各結(jié)構(gòu)層的傳播速度。

V-電磁波在各結(jié)構(gòu)層的傳播速度；C-電磁波在正常空氣中的傳播速度；εr-相對(duì)的介電常數(shù)。根據(jù)電磁波反射接收的時(shí)間和ε1的數(shù)值，可以確定路面的具體厚度：

T-路面的厚度；C-電磁波在空氣中的傳播速度；εr-相對(duì)的介電常數(shù)；△t-電磁波反射接收的時(shí)間。εr的數(shù)值可以通過(guò)考查路芯的情況進(jìn)行判定。

3.1 探測(cè)路面的架構(gòu)和探測(cè)線的布置

以某段公路為例，它之前的建設(shè)結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面，之后因?yàn)閾p害嚴(yán)重改為瀝青混凝土路面，路面的承載年限為20年。瀝青混凝土路面主要是由瀝青層和水泥層這兩部分構(gòu)成的。路面的總體厚度在70cm左右，在現(xiàn)在的路面結(jié)構(gòu)中水泥層的厚度在45cm左右，瀝青層的厚度在25cm左右。按照由淺入深的順序進(jìn)行排列依次為：沙土泥漿層厚度為3cm、瀝青粗粒堆積凝結(jié)層厚度為11cm、瀝青中粒堆積凝結(jié)層厚度為7cm、瀝青碎石堆積凝結(jié)層厚度為4cm。根據(jù)探測(cè)的要求可知被要求探測(cè)的這段路面，在道路的兩側(cè)分別設(shè)置了一條用于測(cè)量的縱線。它主要是考查這段瀝青路面在水泥層和瀝青層的實(shí)際厚度[2]。在實(shí)際的操作中需要在縱向的方向上每間隔9m的距離設(shè)置一條測(cè)線，測(cè)量這個(gè)路面在橫向上水泥層和瀝青層的厚度。以路面的實(shí)際長(zhǎng)度為參考，按照之前的規(guī)律依次進(jìn)行鋪設(shè)工作，整個(gè)路面檢測(cè)的距離為5.0km。

3.2 探地雷達(dá)天線以及參數(shù)

在探班地雷達(dá)運(yùn)行中要調(diào)試好雷達(dá)的天線以及實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)。結(jié)合探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，它能夠進(jìn)行探測(cè)的厚度應(yīng)該保持在35cm左右，探測(cè)結(jié)果的誤差值可以控制在0.8cm左右。如果在實(shí)際的測(cè)量中要求較高，并且對(duì)探測(cè)的深度有明確的要求，這時(shí)就可以采用高精度的雷達(dá)探測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量工作。例如，2016年7月某市進(jìn)行路面探測(cè)改造工作。這個(gè)路面是在原有的基礎(chǔ)上增加瀝青混合材料，表層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。路面原來(lái)的厚度為27cm，修補(bǔ)之后增加了11cm。探測(cè)時(shí)使用配套1250m耦合天線，時(shí)窗為32ns，道采樣點(diǎn)數(shù)為1029。在進(jìn)行探測(cè)時(shí)分別采用雷達(dá)探測(cè)與鉆孔兩種方式。瀝青層都采用SIR-3000型號(hào)的雷達(dá)探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量工作，為了保障測(cè)量的精準(zhǔn)性，在路面上隨機(jī)抽取4點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證工作。通過(guò)對(duì)比GPR測(cè)定的厚度和芯樣的厚底可知，這四個(gè)點(diǎn)中的誤差值都控制在0.6cm以內(nèi)，符合施工的要求。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，探地雷達(dá)技術(shù)在實(shí)際的工作中可以取代原有的技術(shù)模式。但是目前探地雷達(dá)技術(shù)在探測(cè)中的應(yīng)用率不高，因?yàn)樵趯?shí)際的操作運(yùn)行中需要一定的專業(yè)知識(shí)與技能，要擁有一定的雷達(dá)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)才能夠順利的操控設(shè)備。以上面的對(duì)比結(jié)果為依據(jù)可知：①在避免人為誤差、天線數(shù)值及參數(shù)誤差的前提下，探地雷達(dá)技術(shù)可以準(zhǔn)確的探測(cè)出路面的厚度。②要想提高雷達(dá)的使用效率，操作人員應(yīng)該多積累，學(xué)習(xí)雷達(dá)和電磁波的相關(guān)知識(shí)。③要想促進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展就應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的研究。

3.3 探測(cè)過(guò)程、資料處理和結(jié)果

當(dāng)探地雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，雷達(dá)設(shè)備在主機(jī)的引導(dǎo)下發(fā)射裝置借由天線向地下發(fā)射電磁波信號(hào)，當(dāng)?shù)叵碌碾姶挪ㄓ龅剿鄬踊蛘邽r青層時(shí)就會(huì)發(fā)生反射的情況，由地面反射回來(lái)的信號(hào)被另外一個(gè)天線接收，然后傳輸?shù)浇邮掌鲀?nèi)。同時(shí)還收集了由地面反射回來(lái)的信號(hào)。兩種信號(hào)一同被收入到探地雷達(dá)的主機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作。主機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)大、過(guò)濾、數(shù)字化等加工處理，形成一段類似于地震波紋的畫(huà)面。圖片中直觀地展示了水泥層與瀝青層的分界線，如圖2所示。

以剖面圖作為參考，每條反射曲線的反色強(qiáng)度可以按照顏色的深淺進(jìn)行劃分。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總時(shí)，要仔細(xì)觀察電磁波掃射回波的狀態(tài)、電磁波反射的強(qiáng)度的數(shù)值和在自身剖面上的變化走向[3]。確定出電磁波反射的屬性情況，分析瀝青層與水泥層不同反射波的形態(tài)變化，設(shè)置點(diǎn)位逐次分析，之后計(jì)算反射回波所用的準(zhǔn)確時(shí)間以及電磁波在兩個(gè)界面層傳播的速度來(lái)計(jì)算路面實(shí)際的厚度情況。

圖2 雷達(dá)數(shù)據(jù)探測(cè)剖面

把上文通過(guò)測(cè)量線測(cè)量出的數(shù)據(jù)制作成表格，直觀地分析出這段路面厚度的變化情況。然后把剖面圖與表格進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出更加精準(zhǔn)的路面厚度。

4 結(jié)論

綜上所述，在探測(cè)路面厚度時(shí)采用探地雷達(dá)技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成工作，操作簡(jiǎn)單成果較好；在不挖掘路面的前提下進(jìn)行探測(cè)工作，精準(zhǔn)度高誤差值較??；在應(yīng)用時(shí)選取適宜的電磁波作為數(shù)據(jù)參考，明確電磁波的速度取值，進(jìn)一步提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。