何鵬程

（蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京 211100）

1 路面結構層厚度檢測中探地雷達的應用

1.1 原理和方式

通常情況下，一定距離范圍內(nèi)的道路路面結構層的厚度是相同的。根據(jù)相關工程的設計需要，每一層的材料都需要相同，并且每一層的材料在鋪設過程中都需要分層進行碾壓以及維護。因此，每個結構層對于探地雷達所使用的電磁波來說，都屬于一種具有良好導電性且導電分布均勻的介質(zhì)層結構，也就是說，使用探地雷達所要檢測的結構層相當于一個假設性的模型。

電磁波以及其他波在傳播的方式和規(guī)律方面都相同，其中最主要的一個特點是：電磁波傳播時，如果碰到了具有一定差異性的介電特征，可能會反射電磁波。而探地雷達電磁波信號，在本質(zhì)上來說就是各種被反射回來的電磁波信號之間不斷地進行重疊。在介質(zhì)內(nèi)傳播的電磁波所具有逐漸減弱的特性，因此各種小于入射波幅度的波構成了探地雷達電磁波的反射信號。

在檢測路面結構層厚度時使用探地雷達，原理是通過路面內(nèi)的各個結構層界面的電磁脈沖接收到其反射波的時間長短以及傳播的速度，對路面內(nèi)的各個結構層的厚度進行判斷。

根據(jù)電磁波在各個結構層內(nèi)的傳播時間以及速度等，可以通過公式（1）對路面的結構層厚度進行計算：

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為了使公式（1）成立，就需要忽略介電常數(shù)的虛部，同時還要保證電磁波的射入和在結構層中反射的方向都處于垂直狀態(tài)。根據(jù)公式（1）可以知道，使用探地雷達檢測路面厚度時，檢測方式就是充分了解路面結構層的相對介電常數(shù)和路面結構層中的電磁波傳播時間，還要了解結構層介質(zhì)中電磁波傳播的時間。

首先要掌握探地雷達反射信號在地面表層、空氣以及其他結構層面的基本特性。

其次，還要掌握各個結構層面的特性在探地雷達的檢測面的多對應反射波組。

最后，當對反射層面的對應波組進行確認以后，就要將整個結構層面的各個反射波組通過自動拾取功能提取出來。

1.2 技術參數(shù)的選定

1.2.1 雷達中心頻率的確定

對于探測深度、雷達圖分辨率來說，確定雷達中心的頻率具有十分重要的作用。雷達接收的波形信號的分辨率會隨著中心頻率的提升而提升，從而使檢測工程的準確度得到提升，但是所能探測到的結構層厚度就會降低。因此，在使用探地雷達進行結構層檢測時，需要在檢測深度得到有效保證的情況下，對工作頻率進行最大限度的調(diào)高，從而使波長得到有效降低。

1.2.2 測量時窗的確定

最大的雷達探測厚度以及電磁波在介質(zhì)中傳播的速度會對采樣時窗的大小產(chǎn)生影響，將上述的可能性參量的變化程度確定在50% 左右，可以通過公式（2）進行計算：

式（2）中：最大的探測厚度用D表示；采樣時間窗用ω 表示；雷達波在介質(zhì)結構層中的傳播速度為v。

通過對電磁波傳播速度進行統(tǒng)計和計算，可以得到時窗參數(shù)，其中雷達波的平均速度是0.08m/ns。

1.2.3 采樣點數(shù)量的確定

一般的探地雷達帶寬和天線的中心頻率都是1，可以確定被天線輻射出來的電磁脈沖一般在0.5～1.5 倍的中心頻率中布滿了能量。因此，天線1.5 倍的中心頻率就是雷達所具有的最大頻率。

采樣依據(jù)Nyquist 定律，為能夠更好地展示反射雷達波內(nèi)的信息，在確定采樣頻率時，應該確保其在雷達最高頻率信號的2 倍以上，與此同時，為得到更好的采樣效果，可以提升采樣的頻率。所以，天線6倍的中心頻率大概就是雷達數(shù)據(jù)內(nèi)的采樣頻率，其中采樣的孔隙可以通過公式（3）進行計算：

式（3）中：天線的中心頻率表示f；采樣數(shù)量的參數(shù)所選值的范圍一般在（N=512，1024，2048）；設置雷達的樣本數(shù)量一般為512。

2 探地雷達在道路病害檢測中的應用

2.1 松散病害檢測

道路對行駛車輛的承載能力會隨著路基的松散而逐漸下降，外界環(huán)境會影響其基礎部分出現(xiàn)一定的塌陷。

2.1.1 出現(xiàn)路基松散的主要原因

（1）使用墊料鋪設路面下層后，在進行碾壓工序時，最終的標準高度小于原有的工程設計高度，上層的墊料需要加厚，但是將上層的結構層墊料加厚以后，會造成該結構層的實際厚度超過了碾壓的要求厚度，使路面結構層的壓實度無法達到設計要求，出現(xiàn)松散的情況。

（2）在施工過程中，沒有根據(jù)相應的施工規(guī)范要求進行作業(yè)。在對不同墊料進行碾壓時，需要使用不同的壓路機，如對碎石土進行填料碾壓時需要用振動壓路機；對粉煤灰進行填料碾壓時應該使用重型靜力壓路機。

（3）選擇的墊料不合適。對路基進行填筑的過程中，所使用的泥炭或者凍土等墊料沒有進行技術上的處理。

（4）在對路基進行填筑的過程中，將不同的墊料混合到了一起。不同墊料的密度存在差異性。對路基進行施工時，需要將墊料進行分類處理，對各個結構層的壓實度進行檢測時，需要使用一樣的標準，如果將墊料混合到一起進行填筑，就會降低壓實效果，使路基的壓實度不高，會出現(xiàn)路基松散的情況。

（5）地基的承載能力隨著外界環(huán)境的不斷變化和影響而降低。如果在鋪設路面的過程中，排水系統(tǒng)設置得并不完善，路基排水能力差，導致水長期浸泡路基，出現(xiàn)松散的情況。

2.1.2 松散路基的雷達圖形

壓實度較好的路段，各個結構層中的介質(zhì)密度和水分都均勻地分布，在同一個結構層面的介質(zhì)中，電磁波在傳播過程中指數(shù)會不斷地降低，并且在雷達的剖面上，反射振幅較弱、反射信號顯示的相位有序；壓實度較差的路段，各個結構層中的介質(zhì)密度和水分會呈現(xiàn)不均勻的分布，電磁波在同一層介質(zhì)中進行傳播時，如果遇到了水分或者介質(zhì)密度分布差異性較大的地方，就會呈現(xiàn)明顯的反射情況，導致在雷達圖形上呈現(xiàn)較強的反射振幅以及反射信號相位缺乏連續(xù)性。

病害最常出現(xiàn)的位置是橋頭，因此在對橋頭進行松散檢測時，其雷達波呈現(xiàn)明顯的響應特征，并且出現(xiàn)了多次雷達波以及繞射波的情況。而出現(xiàn)松散情況的位置在反射上的標志就是雷達剖面的反射存在多次且散亂的情況，根據(jù)該顯示可以判斷出松散位置存在的區(qū)域。

2.2 空洞病害檢測

當?shù)缆饭こ坛霈F(xiàn)空洞病害時，可能會引起路面塌陷。

2.2.1 產(chǎn)生空洞的主要原因

（1）路基的密實度受到地下工程的影響而逐漸下降，時間久了就會出現(xiàn)路基沉降，同時該處會變成一個空洞。

（2）路基受到地下水不停沖刷的影響，導致路基出現(xiàn)塌陷，從而出現(xiàn)空洞。

（3）當?shù)叵鹿艿莱霈F(xiàn)破損時，會使管道的內(nèi)部和外部之間形成一條通道，周圍的土壤都隨著壓力而被吸入管道，使該處的路基出現(xiàn)空洞。當空洞出現(xiàn)時，道路上層的壓力需要依靠瀝青或者混凝土部支撐，時間久了就會破壞路面，嚴重的會使路面出現(xiàn)塌陷。

2.2.2 空洞的雷達顯示圖

正常情況下，如果路面和下面各個結構層之間貼合得比較緊密，在使用探地雷達進行檢測的過程中，其電磁波信號所形成的反射就比較弱，并且電磁的反射波呈現(xiàn)出一種帶狀、有規(guī)律性且有序的反射波。如果對出現(xiàn)空洞的部位進行探地雷達檢測，那么電磁波在傳播過程中，由于空洞周圍的介質(zhì)和其他地方的介質(zhì)電性方面存在著較大的差異性，就會出現(xiàn)明顯的反射電磁波。這也是對空洞使用探地雷達檢測的前提條件。在探地雷達圖上，其空洞位置顯示出來的是兩側比較強的繞射波；如果空洞距離地面比較近，并且空洞中的介質(zhì)是空氣，那么在雷達波形圖上，該處的異常顯示為逐漸上升的反射波振幅，同時有空洞的位置會呈現(xiàn)出多次性的發(fā)育波；如果空洞部分的電磁波傳播介質(zhì)為水，并且該處出現(xiàn)了下陷的情況，那么在雷達波形圖上，異常位置會呈現(xiàn)出逐漸上升的反射波振幅，且下陷部分的反射波的同相軸，會出現(xiàn)一個顯著的凹陷情況。

2.3 沉陷病害檢測

道路的正常運營會因為路基出現(xiàn)沉陷而受到影響，如果沉陷較為嚴重，那么道路上車輛的行車安全就會受到威脅。

2.3.1 道路出現(xiàn)沉陷的主要原因

（1）缺乏完整的地質(zhì)資料，道路下面可能存在暗溝或者溶洞，時間久了就會對路基的穩(wěn)定性造成影響，使路基出現(xiàn)沉陷的情況。

（2）使用墊料對路基進行填筑的過程中，由于沒有很好地控制填土的壓實度，導致填土的后期塑性和黏彈性不足，出現(xiàn)嚴重的變形情況，引起該處路面沉陷，其中最為明顯的沉陷路段就是具有較高填土的部分。

（3）在路面施工過程中，由于填土的速度快于相關規(guī)范的要求，并且軟土地基部分的填土高度缺乏臨界點，導致填土到臨界位置時，無法加強對路基沉陷的觀測，使整個路基承載能力降低，部分結構出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，導致出現(xiàn)沉陷問題。

2.3.2 沉陷的雷達顯示圖

對道路出現(xiàn)沉陷使用探地雷達進行檢測時，其波形圖中的反射信號呈現(xiàn)的形式為凹陷形，呈整體狀態(tài)出現(xiàn)。

3 結語

在道路工程檢測中，最具高效性、無損性、便捷性以及連續(xù)性的檢測方式就是探地雷達檢測技術。對探地雷達在實際道路工程檢測中的應用進行探究分析，通過該技術對路面結構層厚度檢測的應用，對該技術的原理和方式做出詳細闡述，并且對道路病害檢測進行研究。在對公路的施工質(zhì)量進行檢查時，經(jīng)常應用LTD—3R 型路面檢測車載系統(tǒng)，其主要的構成結構是：工程車、便攜計算系統(tǒng)、雷達主機以及空氣耦合天線等。在檢測過程中，其水平檢測速度最高可以達到60km/h，并且各類型指標基本達到或超過到國外相類似產(chǎn)品水平，該檢測系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的鉆芯方式，對公路的路面結構層厚度進行檢測的過程中，確保整個工作具有較高的速度、精準度以及無損性。不僅如此，探地雷達還被廣泛應用在我國的交通、地質(zhì)、考古等部門，在我國的整體經(jīng)濟建設和發(fā)展過程中，具有一定的重要性。