魏克森，陳 凱，韓文揚(yáng)，韋金城

(1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引 言

路面病害是影響瀝青路面使用年限和使用性能的重要因素，對(duì)于瀝青路面施工后的病害檢驗(yàn)，常規(guī)的方法是通過現(xiàn)場取芯的方式，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，從而得到一系列的參數(shù)，如強(qiáng)度、厚度、壓實(shí)度等指標(biāo)。雖然這種方法具有操作簡便、直觀準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但隨機(jī)取樣缺乏代表性，而且鉆芯取樣過程會(huì)損害路面結(jié)構(gòu)，即使進(jìn)行修補(bǔ)，隨著道路使用年限的增加，取芯部位也會(huì)不可避免的出現(xiàn)坑槽、沉陷等病害。三維探地雷達(dá)(Three Dimensional Ground Penetrating Radar，3D GPR)具有檢測速度快、范圍廣、定位明確的特點(diǎn)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于瀝青路面厚度檢測、密度檢測和路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部病害調(diào)查等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)三維顯示，大幅度提高了路面的檢測效率。本文通過對(duì)安徽省合安高速公路進(jìn)行雷達(dá)檢測，描述了路面病害在雷達(dá)圖像上的顯示特征，進(jìn)行病害分析進(jìn)而提出控制措施。

1 三維探地雷達(dá)的工作原理

三維探地雷達(dá)的工作原理如下:三維探地雷達(dá)利用發(fā)射天線向地面發(fā)射高頻電磁波，在遇到異電界面R0(兩種不同介電常數(shù)介質(zhì)的界面，即空氣和面層)時(shí)，會(huì)在分界面處發(fā)生反射和折射，角度分別為α1和β0，折射信號(hào)作為入射信號(hào)向下傳播，在R1(面層與基層)界面再次發(fā)生反射和折射，分別為角度β1和γ0，折射信號(hào)繼續(xù)向下傳播，而反射回來的信號(hào)都會(huì)由接收天線接收，經(jīng)過信號(hào)處理機(jī)等一系列處理，從而得到信號(hào)連續(xù)的測量剖面，形成雷達(dá)剖面圖，具體詳見圖1。

圖1 檢測原理圖

在介電常數(shù)發(fā)生變化的界面處高頻電磁波會(huì)發(fā)生反射。在路面結(jié)構(gòu)中，裂縫、沉陷等病害區(qū)域通常孔隙率大，含水率高。瀝青混凝土、空氣和水的介電常數(shù)明顯不同，當(dāng)信號(hào)波到達(dá)路面病害區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，這些電磁波是雷達(dá)成像的主要依據(jù)。

三維探地雷達(dá)系統(tǒng)采用了天線陣技術(shù)，具有很高的分辨率。采用GeoScope-TM探地雷達(dá)天線陣，如圖2所示，由21對(duì)電子掃描天線振子組成，間距為0.075 m，可同時(shí)采集21條測線，不僅提高了探測效率，而且實(shí)現(xiàn)了三維成像。

圖2 三維探地雷達(dá)天線內(nèi)部振子排列圖

2 瀝青路面病害類型及其雷達(dá)圖像特征

2.1 裂縫

根據(jù)電磁波的垂直疊加原理，裂縫處在探地雷達(dá)圖像中會(huì)形成特殊的垂直特征信號(hào)，這是辨別裂縫的主要依據(jù)。由于水、空氣和瀝青混合料三者的介電常數(shù)差異較大，因而導(dǎo)致電磁波在傳播過程中造成影響，使圖像中的形狀差異。裂縫在雷達(dá)圖像上的識(shí)別特征如下：(1)裂縫部位介電常數(shù)小于正常路面介電常數(shù)；(2)同相軸不連續(xù)，裂縫位置波形上凸，雷達(dá)橫斷面圖上可看到條形強(qiáng)反射區(qū)域；(3)若裂縫中為空氣，從瀝青路面進(jìn)入裂縫，相位為負(fù)，少見明顯負(fù)峰。

2.2 沉陷

路面沉陷在路面結(jié)構(gòu)中存在明顯的豎向位移，在沉陷區(qū)域的介電常數(shù)和平整路面的介電常數(shù)存在很大差異，進(jìn)而在探地雷達(dá)圖像上存在明顯的區(qū)別。沉陷病害在雷達(dá)圖像上的識(shí)別特征如下：(1)沉陷部位介電常數(shù)明顯小于正常部位介電常數(shù)；(2)同相軸彎曲，多表現(xiàn)為下凹，沉陷嚴(yán)重部位出現(xiàn)同相軸錯(cuò)動(dòng)；(3)沉陷部位出現(xiàn)強(qiáng)反射振幅。

2.3 松散

由于施工工藝不達(dá)標(biāo)可能導(dǎo)致路面形成離析等。隨著使用年限增加，會(huì)降低路面的承載能力，在外界環(huán)境的作用下，會(huì)造成基礎(chǔ)的塌陷。松散在雷達(dá)圖像上的識(shí)別特征如下：(1)松散部位介電常數(shù)要小于正常部位介電常數(shù)；(2)同相軸不連續(xù)，波形雜亂，不規(guī)則，波形雜亂程度隨松散程度加大而加??；(3)介電常數(shù)變化導(dǎo)致振幅增大。

3 工程實(shí)例

為進(jìn)一步研究路面中各種病害在三維探地雷達(dá)圖像的差異性，通過對(duì)安徽省合安高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，樁號(hào)為K68+950～K69+950路段進(jìn)行探地雷達(dá)檢測，檢測里程1 km，路面結(jié)構(gòu)為4 cm AC-13上面層+6 cm AC-20中面層+6 cm AC-20下面層+18 cm泡沫瀝青基層，本檢測流程如下。

(1)測線員確定測線起終點(diǎn)與測試方向。

(2)每次檢測時(shí)，雷達(dá)檢測車自動(dòng)采集橫向1.8 m寬度的數(shù)據(jù)。

(3)每條測線的數(shù)據(jù)采集由巡檢車跟隨，以保證行車安全。

對(duì)于實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場分析人員進(jìn)行初步分析。必要時(shí)調(diào)整頻率，進(jìn)行追加檢測再度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用三維雷達(dá)對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以了解路面結(jié)構(gòu)的病害范圍及深度，典型路段雷達(dá)掃描圖像描述如下。

圖3是通過三維探地雷達(dá)最終繪制出的雷達(dá)剖面圖，可以根據(jù)層間的介電常數(shù)不同，清楚地測出各個(gè)層位(路基、底基層、基層、面層)，進(jìn)而進(jìn)行觀察、分析每一層的病害。以下對(duì)測得的路面進(jìn)行病害分析，如圖5～圖7所示。

圖3 路面結(jié)構(gòu)雷達(dá)剖面圖(K69+572～K69+620)

圖4 道路面層橫向裂縫雷達(dá)剖面圖及俯視圖(K69+172)

圖5 路基沉陷雷達(dá)剖面圖及俯視圖(K69+211～K69+214與K69+244～K69+247)

圖6 道路基層內(nèi)部破損、松散雷達(dá)剖面圖及俯視圖(K69+132～K69+154)

圖7 合安高速公路病害匯總圖

由圖4所示，在K69+172處出現(xiàn)一道橫向裂縫，在縱斷面圖中同相軸中斷，波形局部上凸；在橫斷面圖中，有帶狀異常雷達(dá)圖像區(qū)域。經(jīng)分析，由于路面的低溫收縮或者半剛性基層收縮以及切縫不及時(shí)，施工過程中攤鋪、碾壓方式不當(dāng)從而形成橫向裂縫。由圖5所示，在K69+211～K69+214與K69+244～K69+247兩段分別出現(xiàn)了沉陷，基層出現(xiàn)強(qiáng)反射區(qū)域，波形雜亂，經(jīng)分析，由于土路基的密實(shí)度不足，地質(zhì)資料不夠全面，對(duì)一些影響穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造如地下溝渠等不了解，導(dǎo)致路基沉陷。由圖6所示，在K69+132～K69+154段出現(xiàn)部分松散，基層同相軸不連續(xù)，波形雜亂，不規(guī)則。經(jīng)分析，由于基層材料質(zhì)量不合格以及壓實(shí)、攪拌工藝不規(guī)范，下層施工碾壓后的標(biāo)高低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，因此上層厚度需要加厚，而加厚之后超過了分層碾壓厚度要求，則壓實(shí)度達(dá)不到要求造成松散。

4 施工過程中的控制措施

根據(jù)對(duì)該高速公路路段進(jìn)行雷達(dá)檢測，病害個(gè)數(shù)匯總?cè)鐖D7所示，此路段的面層病害總數(shù)有10處，而基層病害總數(shù)有76處，可知基層的病害個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面層的病害個(gè)數(shù)，因此在施工過程中要注重對(duì)基層的質(zhì)量檢驗(yàn)，對(duì)于預(yù)防路面病害，針對(duì)施工過程中的控制有以下幾點(diǎn)。

(1)運(yùn)輸過程中的控制。在運(yùn)輸車頂部覆蓋篷布，并且采用合理的裝料和卸料方式，裝料時(shí)分三個(gè)不同的位置裝料，按照在車廂前后中的順序裝料，這樣會(huì)減小瀝青混合料在運(yùn)輸車中的離析程度。當(dāng)運(yùn)輸車將料卸入攤鋪機(jī)料斗時(shí)，要盡量使混合料整體卸落，車廂底板應(yīng)處于良好的封閉狀態(tài)并內(nèi)涂潤滑劑，實(shí)現(xiàn)卸料均勻、快速。

(2)攤鋪過程中的控制。合理調(diào)整攤鋪工藝，尤其注意攤鋪機(jī)兩側(cè)的鋪筑質(zhì)量，避免粒徑較大的集料集中在兩側(cè)造成離析。盡量減少攤鋪機(jī)受料斗的受放次數(shù)以減少路面出現(xiàn)周期性局部離析。攤鋪過程中應(yīng)隨時(shí)檢查施工質(zhì)量，出現(xiàn)缺料、離析等現(xiàn)象時(shí)及時(shí)補(bǔ)灑填料。為解決離析和平整度問題，對(duì)攤鋪過程而言，主要是從螺旋分料器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)來加以控制。

(3)碾壓過程中的控制。根據(jù)工程實(shí)際情況，確定初壓、復(fù)壓和終壓遍數(shù)。合理調(diào)整壓路機(jī)的壓實(shí)功，以免在起振、停振過程中造成路面沉陷。壓路機(jī)不得在碾壓過程中隨意制動(dòng)，不得在碾壓的路面上加水、加油，避免各種油類物質(zhì)滲入路面產(chǎn)生病害。禁止壓路機(jī)停留在已完成但尚未降到自然溫度的路面上。

5 結(jié) 論

通過運(yùn)用三維探地雷達(dá)對(duì)路面進(jìn)行檢測，對(duì)測得的路面病害進(jìn)行分析，從而得出的結(jié)論如下。

通過描述三維探地雷達(dá)天線陣技術(shù)，解釋了探地雷達(dá)在路面病害檢測中的工作原理，并提出了裂縫、沉陷、松散在雷達(dá)圖像上的顯示特征；

(2)通過三維探地雷達(dá)對(duì)合安高速公路部分路段進(jìn)行雷達(dá)檢測，分析了裂縫、沉陷、松散在圖像上的表現(xiàn)特征，進(jìn)而根據(jù)施工情況分析了病害產(chǎn)生的原因；

(3)通過三維探地雷達(dá)檢測出來的病害總數(shù)，分析了路段產(chǎn)生病害的原因，進(jìn)一步提出了在施工運(yùn)輸、攤鋪、碾壓過程中的控制措施，為今后新建或改建道路施工提供借鑒。