陳光謀

（河北中交遠洲工程試驗檢測有限公司，河北石家莊 050035）

1 工程概況

某公路工程全長為36.45km，設(shè)計行車速度為70km/h，采用雙向四車道設(shè)計形式，其路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土面層，以及水泥穩(wěn)定碎石基層，該工程于2014 年完工并投入使用，經(jīng)過多年行車荷載及外界環(huán)境的侵蝕，公路路面結(jié)構(gòu)存在不同程度的損耗，為確保工程的使用安全，需要在不破壞路面結(jié)構(gòu)的情況下檢測其使用性能，主要檢測內(nèi)容包括路面厚度、路面病害情況以及路面現(xiàn)階段性能，根據(jù)要求經(jīng)研究決定采取探地雷達技術(shù)開展該工程路面檢測工作，本文對此展開分析。

2 道路檢測中探地雷達技術(shù)的應(yīng)用

2.1 探地雷達技術(shù)分析

（1）在公路檢測工作中采用的探地雷達技術(shù)，根據(jù)不同的工作原理大體可分為3類，分別為調(diào)頻式探地雷達、步進式探地雷達以及脈沖式探地雷達，其中調(diào)頻式探地雷達和步進式探地雷達，均通過振蕩器對雷達的發(fā)射頻率進行控制，針對結(jié)構(gòu)層復(fù)雜的公路檢測時，其檢測數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，因此，此方式只適用于結(jié)構(gòu)單一的淺層公路中；脈沖式探地雷達對電磁信號的處理較為簡單，可適用于各種公路結(jié)構(gòu)檢測工作，因此，在公路檢測工作中受到廣泛的應(yīng)用，本工程也采用脈沖式探地雷達檢測技術(shù)。

（2）脈沖式探地雷達是由雷達主機、接收和發(fā)射的天線結(jié)構(gòu)、電源、數(shù)據(jù)儲存設(shè)備、顯示器等多項設(shè)備共同組成，在對公路結(jié)構(gòu)層開展檢測工作時，先啟動雷達的控制單元發(fā)射出超帶寬電磁脈沖波，然后通過收發(fā)器對電磁脈沖波進行放大后，利用發(fā)射和接收的天線結(jié)構(gòu)將其傳播至公路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電磁脈沖波進入公路結(jié)構(gòu)后遭遇到不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)層，此時電磁脈沖波會發(fā)生反射現(xiàn)象，經(jīng)反射回的電磁脈沖波由天線結(jié)構(gòu)接收，并將其傳遞至雷達控制單元，最后對雷達控制單元接收到的電磁脈沖波信號進行分析，將其轉(zhuǎn)換至數(shù)字形式的信號后存儲投放于顯示屏上，經(jīng)過對信號的分析便可得知路面的厚度、病害程度等信息[1]。

2.2 探地雷達技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 路面厚度檢測

（1）公路路面是承受車輛直接作用的主要結(jié)構(gòu)層，在長期車輛行駛過程中，不可避免地會對路面表層造成磨耗，從而致使路面厚度產(chǎn)生變化，如路面厚度變化過大，就可能喪失路面應(yīng)有的性能，從而引發(fā)病害問題的發(fā)生。因此，公路建設(shè)單位需要定期檢測路面厚度，確保路面結(jié)構(gòu)的性能，探地雷達檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)之一，具有檢測精度高、檢測速度快的特點，公路建設(shè)單位可采用此技術(shù)開展路面厚度檢測，在路面厚度檢測時先利用雷達向路面結(jié)構(gòu)層中發(fā)射電磁脈沖波，然后根據(jù)脈沖波的行進速度、傳播時間等相關(guān)參數(shù)計算得知路面的厚度，其計算公式如式（1）：

式中：h 為路面的檢測厚度（m），V 為電磁脈沖波傳播的速度（m/s），t為電磁脈沖波傳播的時間（s）。

經(jīng)過公式計算可以得知路面結(jié)構(gòu)層的厚度，從而判斷路面整體厚度是否在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，為確保路面厚度檢測中相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)性，檢測過程中需要注意以下幾點內(nèi)容[2]。

（2）在路面厚度檢測中，路面面層與路面基層采用的材料不同，其介質(zhì)的相對介電常數(shù)必定存在差異，因此電磁脈沖波在不同介質(zhì)下傳播速度存在差異，為確保檢測數(shù)據(jù)的精確性，需要檢測人員合理確定電磁脈沖波在不同介質(zhì)下的傳播速度；其次路面厚度檢測時的檢測方式為每幅斷面選取檢測區(qū)域，利用各個檢測區(qū)域檢測結(jié)果來表示路面的平均厚度，為有效反映路面的真實厚度，在選取檢測區(qū)域時應(yīng)避免選擇路面厚度變化較大的區(qū)域，以避免對檢測結(jié)果造成誤差，可選擇路面相對平坦的位置作為檢測區(qū)域。

2.2.2 路面病害檢測

2.2.2.1 空洞檢測

（1）公路行車過程中因路面積水的侵蝕和沖刷，會導(dǎo)致路面下方的混合料被擠出結(jié)構(gòu)層，從而造成空洞問題的存在，對本工程而言路面空洞的位置可能出現(xiàn)在基層與底基層之間，如路面出現(xiàn)空洞問題后不能及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，可能會造成路面發(fā)生坑槽問題，嚴(yán)重威脅公路的行車安全，針對路面空洞問題的檢測方法有很多，包括外觀評定法、彎沉檢測法、探地雷達法等，經(jīng)對比得知與其他技術(shù)相比探地雷達法檢測速度更快、檢測數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，因此，可采用探地雷達法檢測路面空洞問題[3]。

（2）探地雷達法檢測公路路面空洞病害主要是利用脫空區(qū)域?qū)﹄姶琶}沖波反射存在影響的原理，開展檢測時先向路面結(jié)構(gòu)層中發(fā)射電磁脈沖波，當(dāng)脈沖波傳遞至空洞區(qū)域后，若空洞區(qū)域保存完好且未被積水充盈，則此區(qū)域呈現(xiàn)高電阻率的特性，若空洞區(qū)域積水充盈，則此區(qū)域呈現(xiàn)低電阻率的特性，無論何種現(xiàn)象均會使脈沖波發(fā)生強反射的狀態(tài)，同時經(jīng)反射后的波形特征也會發(fā)生一定變化，因此，對經(jīng)反射后的信號進行分析，如路面某區(qū)域存在強反射且波形存在變化現(xiàn)象，則該區(qū)域存在空洞問題。

2.2.2.2 松散檢測

路面混合料壓實度不足、或遭受積水侵蝕使混合料之間孔隙率增加，會導(dǎo)致路面松散病害的發(fā)生，此類病害的出現(xiàn)會降低路面的承載力和強度，如不能及時處理可能會造成更嚴(yán)重的病害問題，針對此問題可采取地質(zhì)雷達技術(shù)進行檢測，由于混合料發(fā)生松散病害后，混合料之間的孔隙率會增加，混合料密度差異存在變化，當(dāng)電磁脈沖波遭遇松散區(qū)域的混合料后，會產(chǎn)生明顯的反射，且經(jīng)反射后的脈沖波具有反射波多、規(guī)模小、不連續(xù)、能量變化大的特性，因此，在路面檢測中如反射波存在上述特性，則該區(qū)域存在松散病害。

2.2.2.3 沉陷病害檢測

路面沉陷也是常見的路面病害之一，沉陷病害的出現(xiàn)不僅會影響到公路的正常運營，甚至還可能威脅到人們的行車安全，之所以路面會發(fā)生沉陷問題，可能因為在公路施工中未能明確公路的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其下方存在暗溝、溶洞等，在長期荷載作用下導(dǎo)致路面沉陷，其次公路施工中因施工質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，經(jīng)長期車輛荷載而發(fā)生沉陷；最后路面其他病害引發(fā)沉陷問題的發(fā)生，針對路面沉陷病害不僅會發(fā)生于路面表層，還可能發(fā)生于路面下方。因此，針對路面下的沉陷可采用地質(zhì)雷達技術(shù)進行檢測，若其下方存在沉陷問題，則經(jīng)反射后的脈沖波，其波形會存在明顯的凹陷[4]。

2.2.3 路面指標(biāo)評價

（1）在路面檢測過程中，除了對路面厚度及病害的檢測，檢測單位還可以利用探地雷達技術(shù)檢測路面的性能，并根據(jù)性能評價來判定公路當(dāng)前是否需要制定養(yǎng)護方案等，其中探地雷達技術(shù)可有效地確定路面結(jié)構(gòu)中的含水率，在路面結(jié)構(gòu)中，其混合料的介電常數(shù)在4～20，而水的介電常數(shù)為81，如路面中的含水率過大，則混合料的介電常數(shù)會發(fā)生變化，其電磁脈沖波的傳播速度就不同。因此，根據(jù)其傳播速度，進而計算出混合料的介電常數(shù)，然后依據(jù)含水率與介電常數(shù)的變化關(guān)系可計算得出路面的含水率。

（2）據(jù)研究表明路面的壓實度與混合料之間的孔隙率存在負相關(guān)的聯(lián)系，即路面的孔隙率越大，其壓實度就越小，路面的孔隙率越小，其壓實度就越大，而孔隙率主要是指路面瀝青混合料取出礦料、瀝青等材料后孔隙體積和混合料總體積的百分比，路面的孔隙率不同，探地雷達檢測時電磁脈沖波的傳播速度就不同，因此，檢測人員可通過對路面電磁脈沖波傳遞速度進行分析，從而判斷路面的孔隙率，最后對其壓實度作出評價。

2.3 探地雷達技術(shù)的應(yīng)用要點

2.3.2 測線布設(shè)

（1）本工程探地雷達路面檢測前，先要合理地選擇測線（測線是指選擇檢測的天線頻率），以便于快速確定公路的使用狀態(tài)及性能，在布設(shè)測線時可采取探地雷達剖面法選取測線，經(jīng)選擇的測線應(yīng)符合工程的實際情況，所謂的探地雷達剖面法是將探地雷達的發(fā)射天線與接收天線保持固定距離，并將其延檢測方向移動，然后利用計算機繪圖功能記錄組成的探地雷達剖面圖，最后選擇滿足檢測要求的測線[5]。

（2）根據(jù)上述方法本次檢測共選取3 種頻率的天線組合開展檢測工作，其頻率分別為100MHz、200MHz以及400MHz，每種測線對應(yīng)的輻射時間及距離均不相同，其中100MHz 對應(yīng)的輻射時間為10ns，輻射距離為1.0m，200MHz 對應(yīng)的輻射時間為5ns，輻射距離為10.5m，400MHz 對應(yīng)的輻射時間為2.5ns，輻射距離為0.25m，此外，在普查時可采用100MHz 的天線，詳查時可采用200MHz或400MHz的天線。

2.3.1 測線定位

在公路探地雷達檢測過程中，通過其檢測技術(shù)可獲取公路現(xiàn)場的雷達圖像，然后將其按照1∶1 的比例還原至實際公路上，為有效地保證通過探測可以獲得該區(qū)域的雷達圖像，需要對測試的天線進行精確定位，目前常用的定位方法有2 種，其一為全站儀測量定位法，通過測量每條測線的起點與終點，明確測線的檢測位置；其二是采用全球定位系統(tǒng)，即GPS 進行測量，通過GPS 明確天線通過的每一點的坐標(biāo)，最終獲取精確的檢測位置，但由于本工程位于城市內(nèi)，存在的高層建筑物、遮擋較多，采用GPS 定位時信號弱，其定位效果一般，因此，本次測量定位時選擇全站儀定位法[6]。

2.3.3 天線中心頻率

確定探地雷達檢測的精確位置后開展檢測工作，在探地雷達檢測中天線的中心頻率對檢測結(jié)果具有決定性的作用，為實現(xiàn)對公路質(zhì)量的全方位評價，本次檢測過程中每個檢測區(qū)域均采用不同頻率的天線進行多次檢測，然后通過對檢測數(shù)據(jù)詳細對比和分析，最終確定公路的質(zhì)量狀況，在設(shè)置不同頻率天線的組合方式時，應(yīng)在滿足探測深度的前提下，選擇分辨率最高的天線，如在路面空洞病害檢測時，檢測人員針對地表5～7m 深度檢測時，可采取頻率為100MHz 的天線，針對地表3m 深度檢測時，可采取頻率為200MHz的天線。

2.3.4 測試速率

路面探地雷達檢測過程中，天線具有一定的移動速度，其移動速度越快檢測效率越高，移動速度越慢檢測效率越低，但當(dāng)天線的移動速度過快時，就容易導(dǎo)致雷達信號喪失，從而影響檢測結(jié)果，因此，為保證路面檢測的精準(zhǔn)性，本次檢測過程中要合理確定天線的移動速度，根據(jù)計算結(jié)果表明，當(dāng)天線中心頻率為100MHz，且目標(biāo)體尺寸為1m×1m 時，天線的發(fā)射電磁脈沖波寬度為10ns，掃描采樣數(shù)為512。因此，當(dāng)需要的掃描采樣數(shù)據(jù)一致，天線的移動速度與掃描大小成正比，即掃描大小越大，則天線移動速度越慢，根據(jù)工程實際情況，本次探地雷達檢測時100MHz 的天線最大移動速度應(yīng)控制在10km/h[7]。

2.4 探地雷達檢測結(jié)果

為確保本工程探地雷達技術(shù)對公路質(zhì)量檢測的精準(zhǔn)性，檢測單位除探地雷達檢測技術(shù)外，同時還利用鉆芯取樣法對路面的厚度、病害程度及性能進行評價，然后通過2組結(jié)果的對比，明確探地雷達檢測技術(shù)的精準(zhǔn)性，在鉆芯取樣檢測時，共采取有3組樣本，各樣本在實驗室進行檢測分析，其試驗對比結(jié)果如表1：

由表1結(jié)果可得，公路路面探地雷達檢測厚度與芯樣檢測厚度最大差值為0.3cm，探地雷達檢測病害程度為與芯樣的病害程度一致，探地雷達檢測的路面壓實度與芯樣的路面壓實度最大差值為2%，因此經(jīng)過本次對比分析可以得知，采取探地雷達技術(shù)可有效地判斷公路的實際情況，其檢測效果良好。

表1 檢測結(jié)果對比

3 結(jié)語

總而言之，我國地域遼闊，公路分布廣泛，且線路普遍偏長，為有效地避免公路病害問題的發(fā)生，公路管理單位有必要采取探地雷達檢測技術(shù)對路面的性能、病害等問題進行研究，然后依據(jù)檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)掌握公路現(xiàn)階段的病害情況，找出病害發(fā)生的原因，最后制定詳細、有效的處理方案，以確保公路的使用安全，這對提升公路使用年限，促進國內(nèi)公路行業(yè)的健康發(fā)展具有重要的意義。