摘要：對(duì)于瀝青路面而言，層間黏結(jié)狀況直接影響到路面的耐久性。本文依托江西某高速的三維探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查分析，提出基于IPP軟件的元素提取方法，對(duì)四類不同路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行層間黏結(jié)狀況的分析。結(jié)果顯示就層間黏結(jié)效果而言，結(jié)構(gòu)類型Ⅰ、Ⅱ優(yōu)于結(jié)構(gòu)類型Ⅲ、Ⅳ。該結(jié)果與其他病害的綜合調(diào)查結(jié)果相吻合，說明該方法在一定范圍內(nèi)具有適用性。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；三維探地雷達(dá)；無損病害檢測(cè)；層間黏結(jié)

中圖分類號(hào)：U416.2""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）03-0018-05

Research on Identification of Asphalt Pavement Interlayer Bond Based on 3D Ground?penetrating Radar

WU Xiaosheng ZHANG Lichao HU Zhaohui WANG Qing YANG Jiangang

（1. Guangzhou Road Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510000， China;2. Guangzhou Cheng'an Testing Ltd. of Highway amp; Bridge， Guangzhou Guangdong 510000， China;3. School of Transportation Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013， China;4. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang Jiangxi 330013， China;5. Institute of Road Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang Jiangxi 330013， China）

Abstract： For asphalt pavement， the interlayer bond condition directly affects the durability of the pavement. Relying on the 3D ground?penetrating radar inspection data of a highway in Jiangxi， combined with field investigation and analysis， an element extraction method based on IPP software was proposed to analyze the interlayer bond condition of four different pavement structures. The results show that structure type Ⅰ and Ⅱ are better than structure type Ⅲ and Ⅳ in terms of interlayer bonding effect. The results coincide with the comprehensive survey results of other diseases， indicating the applicability of the method in a certain range.

Key words： asphalt pavement; 3D ground?penetrating radar; non?destructive disease detection; interlayer bonding

0 引言

隨著高速公路里程的飛速增長(zhǎng)，如何對(duì)瀝青路面進(jìn)行高效科學(xué)的養(yǎng)護(hù)成為養(yǎng)護(hù)單位所面臨的主要問題[1]，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段難以滿足日益增長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)需求。三維探地雷達(dá)作為公路領(lǐng)域新興的檢測(cè)設(shè)備，其快速無損的特性大大提高了傳統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率[2]。但研究者使用該設(shè)備的場(chǎng)景有限，依然聚焦于裂縫、坑槽等傳統(tǒng)項(xiàng)目，并沒有充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力。

蘇新國(guó)[3]等使用剪切強(qiáng)度作為指標(biāo)研究了瀝青路面黏結(jié)強(qiáng)度的主要影響因素。王鵬[4]基于層狀彈性理論，研究了瀝青層間脫開、滑移等情況下層間磨耗層所受應(yīng)力的影響。Mariana R[5]等利用Two?Dimensional（2D）和Finite Element（FE）建模證實(shí)黏結(jié)不良可使路面結(jié)構(gòu)壽命降低80%。徐啟利[6]等研究了車輛對(duì)公路的反復(fù)碾壓以及在自然光候的長(zhǎng)期作用下路面產(chǎn)生的不同表現(xiàn)形式的破損，并分析如何應(yīng)對(duì)層間黏結(jié)不良這一問題?；艟昃闧7]在對(duì)長(zhǎng)大縱坡施工的研究中，論述了基層和面層黏結(jié)性對(duì)道路力學(xué)特性的影響。上述學(xué)者的研究充分探討了層間黏結(jié)對(duì)路面性能的影響，但其研究重點(diǎn)主要局限在材料試驗(yàn)和模擬仿真方面，對(duì)于大規(guī)模層間黏結(jié)狀況的評(píng)價(jià)鮮有研究。為了正確判斷層間黏結(jié)情況以評(píng)價(jià)施工質(zhì)量及提高改造路段的針對(duì)性，本文研究了拓寬三維探地雷達(dá)的使用場(chǎng)景，對(duì)路面層間黏結(jié)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為路面質(zhì)量評(píng)估提出新思路。

1 三維探地雷達(dá)檢測(cè)原理

1.1 設(shè)備組成

本次研究采用天線型號(hào)為DXG1820的三維雷達(dá)天線，該型號(hào)天線屬于步進(jìn)頻率三維探地雷達(dá)中的淺層地面耦合型天線陣，主要由雷達(dá)主機(jī)、電池、淺層地面偶合天線與3D?Examiner數(shù)據(jù)分析軟件組成。

1.2 檢測(cè)原理

探地雷達(dá)工作原理是通過發(fā)射天線向結(jié)構(gòu)物發(fā)射一定頻率的電磁波，通過電磁波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播的特點(diǎn)，由接收天線進(jìn)行反射電磁波接收，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理形成圖像。電磁波在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部傳播過程需要遵守反射系數(shù)原理，反射電磁波原理如圖1所示，RicKer子波是探地雷達(dá)天線朝向空氣發(fā)射電磁波后接收到的波形，通過反射系數(shù)與RicKer子波進(jìn)行卷積運(yùn)算即可得到含有道路結(jié)構(gòu)信息的反射電磁波。

為了高效展示與運(yùn)用反射電磁波信號(hào)，采用灰度理念將反射電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為灰度圖形式的雷達(dá)圖像，如圖2所示。?

在本研究中，采用灰度顯示模式對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行處理，以便后續(xù)工程的處理。

2 試驗(yàn)方案

2.1 檢測(cè)方案

根據(jù)本次檢測(cè)路段的結(jié)構(gòu)，將檢測(cè)路段分為四類，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對(duì)四類路段的行車道使用三維雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，為了保證對(duì)車道的完整檢測(cè)，檢測(cè)每個(gè)車道均排布三條測(cè)線，每?jī)蓷l測(cè)線保證15cm的重合，如圖4所示。

? 2.2 雷達(dá)圖像處理

2.2.1 三維雷達(dá)圖像獲取

將檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D?Examiner軟件后對(duì)同一車道的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行縫合。本次共檢測(cè)路段21km，截取水平面圖片1"260張，具體樁號(hào)見表1。

為了保證獲取圖像的一致性，本次檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為：增益7dB、寬度1.5m、長(zhǎng)度60m、水平面取樣間距8cm。

將不同水平面的圖像分別截取保存，截取效果如圖5所示。

2.2.2 層間黏結(jié)的識(shí)別方法

1. 灰度圖像的處理

層間完全連續(xù)為路面結(jié)構(gòu)層之間黏結(jié)的最理想狀態(tài)，但實(shí)際工況中，其層間存在不同程度的黏結(jié)不足現(xiàn)象。三維雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)車道切面的數(shù)據(jù)獲取，在雷達(dá)波形圖（灰度）中，灰色代表集料，白色代表空隙，黑色代表松散體。通過分析不同形態(tài)的雷達(dá)波形圖，可相對(duì)定量評(píng)價(jià)層間黏結(jié)程度。

從image pro plus（IPP）獲得的切面圖像為灰度圖像，通過圖像處理軟件分別計(jì)算不同色彩的面積占比，得到不同組成在切面的比例情況。當(dāng)處理單個(gè)圖像時(shí)，使用色彩吸管與分色工具實(shí)現(xiàn)對(duì)不同色彩對(duì)象的選取，如圖6所示。由圖6可知，（a）為未處理原圖，選中白色域后如（b）所示，選中灰色區(qū)域后如（c）所示，選中全部區(qū)域后如（d）所示，黃色區(qū)域面積通過全部區(qū)域面積 白色區(qū)域面積 灰黑色區(qū)域面積求得，然后計(jì)算不同色彩占比，最終得到不同組成在切面的比例情況。

1. 層間黏結(jié)的判定

由檢測(cè)路段病害匯總可知，路面典型病害中，層間黏結(jié)不良是路面病害中的主要形式之一。為判定層間黏結(jié)不良的程度，采用圖像分析法，在面層與基層的交界處分上、中、下三層截取圖像，對(duì)獲取的灰度圖像進(jìn)行圖像處理，得到不同色彩的面積，最終計(jì)算出不同黏結(jié)情況的面積占比。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，按照層間黏結(jié)中空氣 松散體占比情況將黏結(jié)狀況分為三級(jí)，詳見表2。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

本次研究使用某高速公路21km的雷達(dá)檢測(cè)圖像，依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制各路段層間黏結(jié)情況圖，其中部分情況如圖7所示。?

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)層間黏結(jié)的檢測(cè)分析，分析對(duì)應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)，得出對(duì)應(yīng)路段不同層間黏結(jié)程度的比例，見表3。

由表3可知，路面結(jié)構(gòu)Ⅳ的層間黏結(jié)良好路段占比最低，層間黏結(jié)不良路段占比最高，而路面結(jié)構(gòu)Ⅲ的層間黏結(jié)良好路段占比最高，路面結(jié)構(gòu)Ⅰ的層間黏結(jié)不良路段占比最低。路面結(jié)構(gòu)Ⅰ與Ⅲ的層間黏結(jié)良好路段占比分別為14.71%與21.38%，均高于路面結(jié)構(gòu)Ⅱ與Ⅳ的層間黏結(jié)良好路段占比。并且，路面結(jié)構(gòu)Ⅰ與Ⅲ的層間黏結(jié)不良路段占比分別為7.35%與15.90%，低于路面結(jié)構(gòu)Ⅱ與Ⅳ的層間黏結(jié)不良路段占比?？傮w來看，相比瀝青混凝土層，乳化瀝青冷再生層與水穩(wěn)基層的層間黏結(jié)效果更好。

就層間黏結(jié)狀態(tài)達(dá)到良好與一般的比例而言，從高到低為結(jié)構(gòu)類型Ⅰ 結(jié)構(gòu)類型Ⅱ 結(jié)構(gòu)類型Ⅲ 結(jié)構(gòu)類型Ⅳ，分別為92.65%、90%、84.1%和69.22%。這表明結(jié)構(gòu)類型Ⅰ與結(jié)構(gòu)類型Ⅲ的層間黏結(jié)狀態(tài)總體優(yōu)于結(jié)構(gòu)類型Ⅱ與結(jié)構(gòu)類型Ⅳ，與路面病害檢測(cè)結(jié)果一致。結(jié)合檢測(cè)路段施工與養(yǎng)護(hù)歷史，結(jié)構(gòu)類型Ⅰ與結(jié)構(gòu)類型Ⅲ下面層為路面改建期間施工，結(jié)構(gòu)類型Ⅱ與結(jié)構(gòu)類型Ⅳ下面層為原新建期間施工，結(jié)構(gòu)類型Ⅰ與結(jié)構(gòu)類型Ⅲ服役時(shí)間要明顯低于結(jié)構(gòu)類型Ⅱ與結(jié)構(gòu)類型Ⅳ，因此結(jié)構(gòu)類型Ⅲ與結(jié)構(gòu)類型Ⅰ的層間黏結(jié)總體優(yōu)于結(jié)構(gòu)類型Ⅱ與結(jié)構(gòu)類型Ⅳ。將不同路面結(jié)構(gòu)類型層間黏結(jié)不良的比例進(jìn)行對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型Ⅳ層間黏結(jié)不良的比例最高，且遠(yuǎn)高于其他路面結(jié)構(gòu)類型，其次是結(jié)構(gòu)類型Ⅲ，最少的是結(jié)構(gòu)類型Ⅰ，由該道路的養(yǎng)護(hù)歷史可知，結(jié)構(gòu)Ⅰ與結(jié)構(gòu)Ⅲ的路段服役時(shí)間遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)Ⅱ與結(jié)構(gòu)Ⅳ的路段。

4 結(jié)論

1. 由于脫空部位的介電常數(shù)與周圍不同，通過處理雷達(dá)圖像，可以相對(duì)準(zhǔn)確地得到路面層間黏結(jié)的情況。
2. 探地雷達(dá)可以準(zhǔn)確地判斷不同路面結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)情況，并且其結(jié)論與實(shí)際情況相符。
3. 三維探地雷達(dá)檢測(cè)路面脫空情況的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)速度快、覆蓋范圍廣、對(duì)路面影響小、結(jié)果精?準(zhǔn)。
4. 三維探地雷達(dá)在路面檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，可以在路面檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模推廣。

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