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        探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用分析

        2022-04-22 07:35:04李鵬晶LIPengjing
        價值工程 2022年15期
        關(guān)鍵詞:探地瀝青路面公路工程

        李鵬晶LI Peng-jing

        (湖南省勘測設(shè)計院有限公司,長沙 410000)

        0 引言

        公路在長期使用的過程中,結(jié)構(gòu)性能會受到各種因素的影響,因此,需要對其進(jìn)行定期檢測,以保證綜合性能。其中,無損檢測技術(shù)能在不影響交通、不破壞公路原有結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測。近年來,探地雷達(dá)作為一種無損檢測設(shè)備,因具有非破壞性、速度快、精度高、攜帶方便、低交通影響等特點(diǎn),在道路無損檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

        1 公路工程檢測要求

        公路在投入使用一段時間后,由于外界因素的影響,以及施工中的一些問題,會導(dǎo)致路面出現(xiàn)不同程度的病害。因此,為保證公路工程的使用性能,必須進(jìn)一步完善試驗(yàn)檢測工作,明確公路存在的病害,并結(jié)合病害情況制定合理的養(yǎng)護(hù)、維修方案。

        路面損壞檢測中主要采用目測法和探地雷達(dá)法,目測法是一種最直觀簡便的檢測方法,該方法是通過檢測人員觀測、調(diào)查,從而直接確定公路的損壞情況,直接確定病害的種類、程度、位置。探地雷達(dá)法是一種高效先進(jìn)的無損檢測技術(shù),主要是通過探地雷達(dá)對路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘探,再向地面接收設(shè)備發(fā)射電磁脈沖,接收到電磁脈沖后可以結(jié)合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計算,從而得到路面受損的情況、位置。與目測法相比,使用探地雷達(dá)法檢測路面病害更快速、準(zhǔn)確,但是成本更高,對試驗(yàn)檢測人員的專業(yè)素質(zhì)要求更為嚴(yán)格,因此,針對可以直接觀測的部位采用目測法,針對無法觀測的位置采用探地雷達(dá)法。

        早在1904 年,德國人Letmbach 實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的第一次應(yīng)用,在遠(yuǎn)距離金屬物體探測中應(yīng)用了電磁波信息技術(shù)。1910 年,Lowy 教授和G·Leimback 將雷達(dá)技術(shù)用于探地。從19 世紀(jì)70 年代開始,探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到隧道工程和公路、鐵道探測領(lǐng)域,到80 年代后期,西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)很成熟地將雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在公路檢測領(lǐng)域。1994年,美國發(fā)明了第一臺公路型探地雷達(dá),同時應(yīng)用了雷達(dá)技術(shù),解決了探測公路結(jié)構(gòu)層病害的問題。20 世紀(jì)90 年代初,吉林省某單位第一次使用探地雷達(dá)檢測了高速公路,隨后河北某單位使用探地雷達(dá)檢測了公路的厚度,廣東物探隊(duì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)場跑道病害檢測,往后幾年,探地雷達(dá)被我國的技術(shù)人員應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域,如隧道、鐵路、公路和橋梁等。近十幾年,隨著現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用,以及國外相關(guān)公司(如瑞典MALA 公司、美國GSSI、意大利IDS 等)對探地雷達(dá)研發(fā)的不斷精進(jìn),使得探地雷達(dá)技術(shù)越來越成熟。本文主要圍繞探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用展開詳細(xì)分析。

        2 探地雷達(dá)檢測原理及其應(yīng)用要點(diǎn)

        2.1 探地雷達(dá)檢測原理

        探地雷達(dá)是一種利用電磁脈沖能量進(jìn)入地面,從地面成分及物體中產(chǎn)生反射的技術(shù)。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波進(jìn)入地面,在通過不同介質(zhì)時,會發(fā)生相應(yīng)的反射,通過分析接收到的反射波波形、振幅強(qiáng)度等信息,然后通過軟件對這些反射波進(jìn)行分析,并將其轉(zhuǎn)化為平面圖或地圖投影,判斷出地下病害的位置、范圍、大小、深度等情況,實(shí)現(xiàn)了對公路內(nèi)部情況的“透視”,為公路的安全進(jìn)行深度“體檢”。

        探地雷達(dá)是由一體化主機(jī)、天線及相關(guān)配件組成,其基本原理是通過發(fā)射天線、接收天線以及主機(jī)共同工作。探地雷達(dá)檢測基本原理見圖1,探地雷達(dá)探測公路病害時的工作原理見圖2。電磁波由空氣進(jìn)入路面的混凝土層,會出現(xiàn)強(qiáng)反射(對應(yīng)地面,并且由于空氣中電磁波傳播速度較快,這時地面對應(yīng)的是負(fù)相位);同樣,當(dāng)電磁波由混凝土至路基,繼而由路基傳播到巖層時,如果交界處貼合不好,或存在空隙,亦會導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化,由此可確定公路病害。電磁波遇到以傳導(dǎo)電流為主的介質(zhì),如地下中存在的金屬管線,會出現(xiàn)全反射,接收到的能量非常強(qiáng),在雷達(dá)剖面上顯示強(qiáng)異常,以此可確定管線分布情況。

        圖1 探地雷達(dá)檢測基本原理

        圖2 探地雷達(dá)探測公路病害時的工作原理

        2.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

        雷達(dá)數(shù)據(jù)處理需采用專業(yè)的處理軟件,根據(jù)道路檢測雷達(dá)波的特點(diǎn),數(shù)據(jù)處理流程如下:

        ①偏移處理。從現(xiàn)場采集的探地雷達(dá)原始數(shù)據(jù),往往會出現(xiàn)振幅正負(fù)半周不對稱的情況,這是數(shù)據(jù)含有直流漂移量造成的,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理。

        ②靜校正。在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中,通常要將雷達(dá)數(shù)據(jù)校正到一個統(tǒng)一基準(zhǔn)面,而且這個基準(zhǔn)面一般為道路表面。

        ③能量增益。其就是對雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理,因?yàn)樵诘叵掠械姆瓷涮幏瓷湫盘柡軓?qiáng)有的地方反射又很弱,強(qiáng)的信號會壓制弱的信號,所以需要對雷達(dá)信號進(jìn)行增益處理。

        ④數(shù)字濾波。探地雷達(dá)在進(jìn)行檢測時,由于受現(xiàn)場多元環(huán)境的影響,使得環(huán)境中存在的噪聲頻譜既有低頻也有高頻,需要對雷達(dá)信號進(jìn)行帶通濾波處理。

        ⑤滑動平均?;瑒悠骄歉鶕?jù)小波去噪的原理剔除信號里的噪聲和毛刺,讓圖像更加干凈和平滑。

        2.3 探地雷達(dá)應(yīng)用要點(diǎn)

        探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用主要分為以下幾個步驟(圖3):

        圖3 探地雷達(dá)檢測基本流程

        ①搜集資料和踏勘現(xiàn)場,目的是對周圍環(huán)境、地下介質(zhì)及地形進(jìn)行了解,另外,也是為了掌握周邊工作環(huán)境、交通及干擾等情況。

        ②開展探地雷達(dá)檢測,首先是進(jìn)行天線的選擇和測線的布置,主要是為了保證探測質(zhì)量;隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,收集由多條波形記錄組成的雷達(dá)圖像;探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集分為普查和詳查兩種,根據(jù)不同區(qū)域采取不同的檢測方式,并對異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記和坐標(biāo)定位,目的是為了確定病害位置。

        ③對病害進(jìn)行分類,確定病害等級。

        ④針對病害提出相應(yīng)對策。

        3 實(shí)例探析探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用

        3.1 項(xiàng)目概況

        某道路路面為高速公路瀝青路面,其瀝青路面結(jié)構(gòu)為4cm AC-13C 瀝青混合料的上面層+6cm AC-20C 瀝青混合料的中面層+8cm AC-25C 瀝青混合料的下面層+36cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18cm 石灰粉煤灰土底基層。

        3.2 瀝青路面破損狀況

        為進(jìn)一步驗(yàn)證探地雷達(dá)技術(shù)對瀝青路面半剛性基層裂縫檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,首先采用傳統(tǒng)的人工方法對裂縫路段的路面鉆芯取樣進(jìn)行破損分析。本次在道路上隨機(jī)選取了47 條裂縫進(jìn)行取芯,共取芯樣62 個,由于取芯設(shè)備的取芯有效桶長300mm,而面層+基層設(shè)計厚度為360mm,因此取出芯樣的面層與基層分離,但實(shí)際是完整的。

        對所有芯樣進(jìn)行統(tǒng)計,具體的芯樣統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。由于二灰土基層松散嚴(yán)重,導(dǎo)致取芯過程中,松散的灰土和碎石卡住取芯筒,鉆孔附近泥漿較多,取出的基層芯樣松散嚴(yán)重。裂縫處的病害主要為面層裂縫、面層層間不良、面層與基層層間不良、面層不密實(shí)和基層的貫穿裂縫等類型。

        表1 芯樣統(tǒng)計結(jié)果

        3.3 探地雷達(dá)對路面深層次裂縫的識別應(yīng)用

        3.3.1 設(shè)備選擇

        通過對目前應(yīng)用成熟的商業(yè)化三維探地雷達(dá)的前期調(diào)研,三維探地雷達(dá)主要包括頻域雷達(dá)(步進(jìn)頻率天線)和時域雷達(dá)(同頻率天線)兩種類型。步進(jìn)頻率天線的帶寬為100~3000MHz,可有效探測0.2~10m 的深度,更加適用于對未知深度缺陷的探測。而同頻率天線由同一頻率天線交錯等距排列組成,對固定深度的探測較為精確,適用于已知深度缺陷的檢測。三維探地雷達(dá)分別采用步進(jìn)頻率天線和同頻率天線的現(xiàn)場裂縫測試效果對比可知,步進(jìn)頻率天線于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害識別率較低,平面圖像成像效果一般,不適用于路面缺陷探測;而同頻率天線能對路面病害具有較好的識別度,若采用1300MHz 高頻天線陣,可進(jìn)一步提高對于路面內(nèi)部病害的識別精度。

        3.3.2 路面裂縫識別

        對經(jīng)過人工步檢及鉆芯取樣的路段進(jìn)一步采用探地雷達(dá)對裂縫進(jìn)行檢測分析,判斷瀝青路面半剛性基層是否存在開裂或其他破損狀況。雷達(dá)檢測方法為:沿輪跡帶連續(xù)檢測并在裂縫處做標(biāo)記,檢測到的典型裂縫雷達(dá)圖像如圖4 所示。

        通過圖4 所示的雷達(dá)圖像結(jié)果對比分析可知,瀝青路面上產(chǎn)生的裂縫在路面內(nèi)部狀況主要分為兩大類,一類為圖4(a)所示,裂縫處所在的路面內(nèi)部僅裂縫處出現(xiàn)信號增強(qiáng)的情況,所以路面內(nèi)部僅開裂,而周邊未出現(xiàn)松散、層間不良等病害,統(tǒng)一稱此類裂縫為不含隱性病害的“單一型”裂縫;另一類為圖4(b)所示,裂縫處所在路面內(nèi)部裂縫周圍均出現(xiàn)了信號增強(qiáng)的情況,因此路面內(nèi)部不僅開裂,還存在松散、層間不良等病害,具有一定的病害影響范圍,統(tǒng)一稱此類裂縫為含隱性病害的“面積型”裂縫。

        3.3.3 路面裂縫檢測結(jié)果分析

        對瀝青路面面層產(chǎn)生裂縫的位置處采用三維探地雷達(dá)進(jìn)行裂縫探測,通常使用保持雷達(dá)參數(shù)不變沿原測線對裂縫情況再次進(jìn)行檢測的方法進(jìn)行測試。路面結(jié)構(gòu)整體完善與路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部有病害處的電介質(zhì)常數(shù)的偏差較大,因此在雷達(dá)圖像中可以看到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害處的雷達(dá)圖像振幅變化較路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整的更為明顯。

        瀝青路面裂縫處檢測到的結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況雷達(dá)圖像如圖5 所示。圖5 中箭頭為裂縫所處位置,方框圈出了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫變化狀況。通過雷達(dá)圖像對比分析可知,圖5(a)處病害類型為“單一型”裂縫,圖5(b)處病害類型為“面積型”裂縫且存在層間不良,圖5(c)處病害類型為“面積型”裂縫且存在結(jié)構(gòu)松散,雷達(dá)圖像信號在裂縫位置處發(fā)生明顯變化。

        圖5 路面裂縫處檢測的雷達(dá)圖像

        4 結(jié)語

        綜上所述,探地雷達(dá)技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù),可高效且高精度反映道路淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。在公路工程運(yùn)行中,應(yīng)合理運(yùn)用該技術(shù)有效檢測公路裂縫、空洞、坑槽等病害狀況以及路面厚度,檢測人員通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得知病害存在的位置、形狀,以此確定病害的程度,然后對存在的病害進(jìn)行分析,采取針對性的處理措施,保證公路工程可靠運(yùn)行。

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