韓志斌

摘要：本文在了解探地雷達(dá)組成及基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體案例，對(duì)探地雷達(dá)在路面面層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);面層厚度檢測(cè);基本原理

一、探地雷達(dá)的組成及基本原理

（一）系統(tǒng)組成

作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在道路工程中，探地雷達(dá)技術(shù)多用于道路結(jié)構(gòu)層厚度或病害檢測(cè)，其系統(tǒng)組成主要包括嗎，收發(fā)天線、脈沖產(chǎn)生器等。

（二）基本原理

探地雷達(dá)是基于高頻電磁波在介質(zhì)傳播的一種探測(cè)方法。在道路檢測(cè)中，探地雷達(dá)技術(shù)不會(huì)對(duì)其使用性能及運(yùn)營(yíng)功能造成不利影響，主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的高頻電磁回波信號(hào)進(jìn)行分析而檢測(cè)路面的結(jié)構(gòu)層厚度及運(yùn)營(yíng)健康狀況。于路面使用性能、檢測(cè)的可行性來(lái)講意義重大。探地雷達(dá)發(fā)射機(jī)將會(huì)生成一種正弦電磁脈沖，按照一定角度通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到被測(cè)介質(zhì)，此時(shí)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)將會(huì)發(fā)生改變，并產(chǎn)生電磁波反射現(xiàn)象，雷達(dá)系統(tǒng)可及時(shí)處理電磁波反射的信號(hào)，從而獲取路面結(jié)構(gòu)異常特征。

二、介電常數(shù)標(biāo)定方法

路面結(jié)構(gòu)層中的介質(zhì)是探地雷達(dá)檢測(cè)的對(duì)象，介質(zhì)物理學(xué)當(dāng)中，介電常數(shù)、電導(dǎo)率等決定介質(zhì)的介電特性，在路面材料當(dāng)中多數(shù)為非磁性材料，因此，在具體計(jì)算中，常以1為磁導(dǎo)率，于電磁波傳播特性而言，電導(dǎo)率的影響已涵蓋于介電常數(shù)的虛部?jī)?nèi)。由此可見(jiàn)，路面材料介電性能當(dāng)中介電常數(shù)才是最關(guān)鍵的參數(shù)。

一般情況下，可采用鉆芯取樣法、反射系數(shù)法、共點(diǎn)中心法等獲取路面材料介電常數(shù)。其中，最常用的兩種為鉆芯取樣法和反射系數(shù)法，具體如下：

（一）鉆芯取樣法

鉆芯取樣法是指探地雷達(dá)測(cè)線上隨機(jī)選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取芯樣，從而對(duì)其實(shí)際厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。主要應(yīng)用的參數(shù)為雙程走時(shí)、實(shí)際厚度。通過(guò)上述2個(gè)參數(shù)，即可對(duì)此標(biāo)定層內(nèi)探地雷達(dá)波的介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。按照相關(guān)規(guī)范要求，可按下式進(jìn)行分析。

其中，剖面上此點(diǎn)的雙程走時(shí)可由△t表示;

空氣中電磁波的傳播速度可由c表示;

此點(diǎn)實(shí)測(cè)厚度可由H表示。

（二）反射系數(shù)法

反射系數(shù)法主要是基于反射系數(shù)和反射波之間的關(guān)系，將上一結(jié)構(gòu)層中電磁波的傳播速度與空氣中電磁波的傳播速度設(shè)為定值，通過(guò)此定值將其在下一結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播速度推導(dǎo)出來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，反射系數(shù)法需要將一塊金屬板放置在路面上，從而獲取全反射振幅，作為全反射體，金屬板內(nèi)存有反射系數(shù)。在金屬板去除后，路面將會(huì)接收到反射振幅，隨后，按照分界面反射系數(shù)和此介面的反射波幅關(guān)系等，獲取各層波速。

其中，全反身月辰幅由Am表示;

反射系數(shù)由Rm表示，為1;

接收到的反射振幅由A1;

第一層波速由V1表示;

以下各層波速由Vn表示，為（n=2，3，…）電常數(shù)。理論上來(lái)看，反射系數(shù)法可獲取所有測(cè)點(diǎn)的介電常數(shù)，但在實(shí)際操作中，往往存在許多影響因素，如表面散射、界面不均勻等等，這種情況下難免會(huì)產(chǎn)生誤差，但基于此方法理論相對(duì)較為成熟，且可做到無(wú)損檢測(cè)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中較多，且效果良好。

三、工程概況

為驗(yàn)證探地雷達(dá)在路面面層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用效果，本文選取3路段進(jìn)行分析研究。（1）瀝青混凝土路面：運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)7年左右，檢測(cè)樣本共取5個(gè);（2）“自+黑”改造路面：施工驗(yàn)收后，取檢測(cè)樣本6個(gè)，主要對(duì)瀝青加鋪層厚度進(jìn)行檢測(cè)。（3）水泥混凝土路面：該路面已產(chǎn)生病害，主要為裂縫、斷板等。取檢測(cè)樣本6個(gè)，檢測(cè)水泥混凝土路面厚度。

（一）試驗(yàn)分析

為保證結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法兩種方式在探地雷達(dá)檢測(cè)路面面層厚度中的應(yīng)用進(jìn)行比對(duì)分析。

（1）鉆芯取樣法。在路面面層厚度檢測(cè)中，采用Φ100（mm）的芯樣，確保鉆孔深度達(dá)到規(guī)定要求，隨后沿圓周對(duì)稱的十字方向通過(guò)鋼板取4處進(jìn)行測(cè)量，主要測(cè)量表面到上、下層界面的高度，取平均值（精確到0.1cm）。

（2）反射系數(shù)法。根據(jù)工程實(shí)際情況，采用脈沖式探地雷達(dá)進(jìn)行路面面層厚度檢測(cè)，1GHz為頻率?？紤]到鉆芯取樣等情況，決定結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)的標(biāo)定點(diǎn)采用第一個(gè)樣本。

（二）結(jié)果探討

通過(guò)三路段鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩次檢測(cè)，可得檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）路段一：本路段共取5個(gè)檢測(cè)樣本，芯樣號(hào)為1～5號(hào)，實(shí)測(cè)芯樣厚度范圍為9.9～11.5cm，其中芯樣1號(hào)實(shí)測(cè)厚度為11.4cm，為鉆芯取樣法的標(biāo)定點(diǎn)，相對(duì)誤差為0.0%，1～5號(hào)芯樣的相對(duì)誤差范圍為0.0～11.7%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為10.4～11.2cm，相對(duì)誤差為1.8～9.6%。

（2）路段二：本路段共取6個(gè)檢測(cè)樣本，芯樣號(hào)為6～11號(hào)，實(shí)測(cè)芯樣厚度范圍為10.0～10.9cm，其中芯樣6號(hào)實(shí)測(cè)厚度為10.2cm，為鉆芯取樣法的標(biāo)定點(diǎn)，相對(duì)誤差為0.0%，6～11號(hào)芯樣的相對(duì)誤差范圍為0.0～6.0%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為10.0～11.0cm，相對(duì)誤差為0.9～5.8%。

（3）路段三：本路段共取6個(gè)檢測(cè)樣本，芯樣號(hào)為12～17號(hào)，實(shí)測(cè)芯樣厚度范圍為18.6～27.2cm，其中芯樣12號(hào)實(shí)測(cè)厚度為23.1cm，為鉆芯取樣法的標(biāo)定點(diǎn)，相對(duì)誤差為0.0%，1217號(hào)芯樣的相對(duì)誤差范圍為0.0～21.5%;反射系數(shù)法中，厚度范圍為22.3～29.6cm，相對(duì)誤差為2.6%～19.9%。

由此可見(jiàn)，路段一內(nèi)，瀝青面層實(shí)測(cè)厚度約10cm，兩種檢測(cè)方法中，變異性較小。路段三內(nèi)，水泥混凝土面層厚度在18.6～27.2cm之間，存在較大差異性。路段二屬于“白+黑”改造路段的驗(yàn)收階段，在鉆芯取樣法應(yīng)用中，相比路段一、路段三，其面層厚度計(jì)算誤差明顯小很多，究其原因，此方法主要選擇單點(diǎn)介電常數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)路段的均勻性具有較強(qiáng)依賴性。因此，當(dāng)路段各層材料較為均勻的情況下，檢測(cè)精度較高。若路段存有病害或路用性能下降，因?yàn)椴煌恢玫耐瑢硬牧闲阅懿煌狱c(diǎn)的介電常數(shù)無(wú)法真賣反映其他點(diǎn)位的特性，這種情況下，將大大增加檢測(cè)誤差率，甚至誤差在2仔外以上。而反射系數(shù)法的應(yīng)用，在三個(gè)不同路段檢測(cè)計(jì)算當(dāng)中同樣存在誤差，其中誤差最大的為路段三，基本達(dá)到20%左右。其根本原因在于采用此方法進(jìn)行推定計(jì)算中，假設(shè)電磁波在層內(nèi)傳播時(shí)無(wú)能量損耗現(xiàn)象，也就是說(shuō)。為道路材料電導(dǎo)率，但現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，道路材料根本達(dá)不到這一條件，因此，必須做進(jìn)一步修正。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，并對(duì)17組數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合繪制曲線圖。通過(guò)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，可知鉆芯取樣法和反射系數(shù)法均和實(shí)測(cè)值之間具有良好的相關(guān)性，其中鉆芯取樣法的相關(guān)系數(shù)R²為0.92，反射系數(shù)法的相關(guān)系數(shù)R為0.93。相比實(shí)測(cè)值，基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩種探地雷達(dá)方法計(jì)算值均具有更大趨勢(shì)，為此，在后期研究中需采用更多有效樣本對(duì)該趨勢(shì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。

（三）兩種方法顯著性分析

圖1為基于鉆芯取樣法和反射系數(shù)法的兩種探地雷達(dá)法計(jì)算所得面層厚度值擬合效果圖。其中，0.94為相關(guān)系數(shù)R時(shí)，擬合程度更高，由此說(shuō)明兩種方法之間的相關(guān)性較好。

通過(guò)F對(duì)該擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)，按照四舍五入的原理，F(xiàn)值最終計(jì)算所得為103.90對(duì)于服從自由度為（1，12）的F分布，在給定的顯著性水平0.01下，由表3可知，9.33為F（1，12）所得值，由此可見(jiàn)，F(xiàn)>F（1，12），說(shuō)明兩種檢測(cè)方法之間存在顯著的線性關(guān)系。為此，在路面面層厚度檢測(cè)中，采用探地雷達(dá)法時(shí)，鉆芯取樣法可采用反射系數(shù)法代替，這樣可以克服鉆芯取樣法破壞路面結(jié)構(gòu)的缺陷，能夠通過(guò)反射系數(shù)法真正賣現(xiàn)無(wú)損、便捷、高效地檢測(cè)。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，公路工程質(zhì)量檢測(cè)中，結(jié)構(gòu)層厚度測(cè)試是探地雷達(dá)檢測(cè)的重點(diǎn)任務(wù)。每個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度與公路整體強(qiáng)度息息相關(guān)，特別是面層厚度。路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)當(dāng)中，無(wú)論是剛性路面，或半剛性路面，均要確定面層或基層等各個(gè)結(jié)構(gòu)層次的厚度。一般來(lái)講，路面厚度檢測(cè)多采用鉆芯法，但這種方法一定程度上會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)，檢測(cè)完后需做及時(shí)修補(bǔ)，加之檢測(cè)結(jié)果隨機(jī)性大、效率低等情況，無(wú)法有效評(píng)估公路路面厚度?；诜瓷湎禂?shù)法的探地雷達(dá)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在道路結(jié)構(gòu)層厚度及病害檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛，其特點(diǎn)為無(wú)損、高效、迅速等，可有效提高檢測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]田磊.探地雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)，2014，2（04）：56-60.