摘要：瀝青路面擁有行車舒適性高、行車噪音小、施工養(yǎng)護(hù)較為簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是有關(guān)調(diào)查表明，瀝青路面在建成后2到3年容易出現(xiàn)諸如裂縫、離析、層間黏結(jié)不良、車轍等形式的損壞。然而，由于路面病害結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與隱蔽性，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)難以適應(yīng)當(dāng)前道路建設(shè)的發(fā)展。三維探地雷達(dá)作為一種新型無損檢測(cè)設(shè)備，兼顧無損、高效、精確、連續(xù)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)?；诖耍瑸楦泳珳?zhǔn)快速地檢測(cè)瀝青路面病害，掌握三維探地雷達(dá)的使用方法，本文選取樟吉高速公路與昌金高速公路共約6km的路段作為實(shí)驗(yàn)路段，采用三維探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，分析雷達(dá)檢測(cè)圖像與檢測(cè)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)檢測(cè)路段各類病害，作出最合適的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。研究表明，根據(jù)三維探地雷達(dá)檢測(cè)圖像，可以很好地判別裂縫、修補(bǔ)、脫空、層間黏結(jié)不良和混合料離析五類病害。根據(jù)路面病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合項(xiàng)目背景、原設(shè)計(jì)與施工情況，可以提出具有針對(duì)性的路面病害養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；三維探地雷達(dá)；無損病害檢測(cè)；養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)

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）03-0023-06

High?speed Pavement Maintenance Program Design Based on 3D Ground?penetrating Radar

CHENG Jianting LIU Ao WANG Shenning JIA Pengtao

（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 Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang Jiangxi 330013， China）

Abstract： Asphalt pavement has many advantages such as high driving comfort， low traffic noise， and relatively easy construction and maintenance. However， surveys have shown that asphalt pavements are prone to damage in the form of cracks， segregation， poor interlayer bonding， rutting in 2 to 3 years after completion. However， due to the complexity and concealment of pavement disease structure， the traditional detection technology is difficult to adapt to the current development of road construction. As a new type of nondestructive testing equipment， 3D ground search radar takes into account the characteristics of nondestructive， efficient， accurate， continuous and simple data processing. Based on this， in order to detect asphalt pavement diseases more accurately and quickly， and to master the use of three?dimensional ground?penetrating radar， a total of about 10km section of Zhangji Expressway and Changjin Expressway was selected as a test section， and three?dimensional ground?penetrating radar was used to analyze the radar detection images and detection data， and statistical detection of various types of roadway diseases to make the most suitable maintenance design. The study shows that according to the 3D ground?penetrating radar detection images， five types of diseases including cracks， repairs， debonding， poor interlayer bonding and mixture segregation can be well discerned. Based on the statistical results of pavement diseases， original design and construction， a targeted design for pavement disease maintenance can be proposed.

Key words： asphalt pavement; 3D ground?penetrating radar; non?destructive disease detection; maintenance program design

0 引言

瀝青路面擁有行車舒適性高、噪音小、施工養(yǎng)護(hù)較為簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)[1?2]。但是，有關(guān)調(diào)查表明，瀝青路面在建成后2到3年容易出現(xiàn)一些形式的損壞，如裂縫、離析、層間黏結(jié)不良、車轍等。如果想要保證瀝青路面保持良好的使用性能，對(duì)路面進(jìn)行及時(shí)的病害檢測(cè)、維修以及養(yǎng)護(hù)將成為一項(xiàng)必要的基礎(chǔ)工作[3]。

高速公路的養(yǎng)護(hù)方案要求對(duì)路面外部和內(nèi)部狀況有全面具體的了解，必須依據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行方案的制定[3]。傳統(tǒng)的道路檢測(cè)技術(shù)主要是點(diǎn)取樣法和多功能道路檢測(cè)車檢驗(yàn)法，在我國(guó)，規(guī)范推薦采用鉆芯取樣法進(jìn)行瀝青路面的病害檢查和質(zhì)量評(píng)定工作，這種方法是點(diǎn)取樣法的一種，具有操作簡(jiǎn)單、直觀準(zhǔn)確的特點(diǎn)。但是，隨著測(cè)量方法的改善，對(duì)瀝青路面進(jìn)行鉆芯取樣的檢測(cè)方法逐漸暴露出間斷取樣代表性不足、工作效率低下浪費(fèi)人力物力、鉆芯后對(duì)路面產(chǎn)生不可逆的損壞等缺點(diǎn)[4]。另一方面，多功能道路檢測(cè)車雖然可以實(shí)現(xiàn)道路表面病害的快速檢測(cè)，但需要人工輔助，無法檢測(cè)出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部潛藏的病害，如反射裂縫、路面不均勻沉降等。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代檢測(cè)的需求。核子密度儀、無核密度儀等無損檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上滿足了對(duì)瀝青路面無損、快速檢測(cè)的需要[5?6]。然而，路面的內(nèi)部病害諸如脫空、沒有反射到頂部的反射裂縫、層間黏結(jié)不良、松散等病害很難通過以往的常規(guī)檢測(cè)手段檢測(cè)出來，但是這些內(nèi)部病害會(huì)對(duì)道路的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)和改建產(chǎn)生很大的影響。三維探地雷達(dá)作為一種創(chuàng)新型路面檢測(cè)設(shè)備，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度的快速檢測(cè)，避免鉆芯取樣對(duì)路面結(jié)構(gòu)帶來的破壞，又可以對(duì)道路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行病害與結(jié)構(gòu)物檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性與效率，兼顧無損、高效、精確、連續(xù)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于道路檢測(cè)，并取得了一定的研究成果。美國(guó)的Michael教授致力于研究使用半自動(dòng)或人工智能的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行路面病害識(shí)別。Kang等[7]人基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)地下空洞進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)。他們利用了一個(gè)由三維數(shù)據(jù)中幾個(gè)橫向和縱向圖像組成的二維網(wǎng)格圖像，通過訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并利用韓國(guó)首爾城市道路的真實(shí)三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。李想堂等?[8]人利用探地雷達(dá)來研究瀝青路面的施工均勻性。許松燕等[9]采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路面脫空病害進(jìn)行了檢測(cè)。許獻(xiàn)磊等[10]對(duì)基于GPR的城市道路地下病害差值檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。綜上，目前在三維探地雷達(dá)應(yīng)用于瀝青路面病害檢測(cè)的研究較少，對(duì)三維雷達(dá)圖像處理的研究不足，有必要對(duì)三維雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于病害檢測(cè)以及針對(duì)性地設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)方案展開研究。

為此，本次研究選取樟吉高速公路與昌金高速公路共約6km的路段作為實(shí)驗(yàn)路段，采用三維探地雷達(dá)檢測(cè)各類病害，給出最合適的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。

1 三維探地雷達(dá)檢測(cè)原理

1.1 設(shè)備組成

本次研究使用GeoScope三維探地雷達(dá)，它可以連接地面耦合和空氣耦合天線進(jìn)行不同環(huán)境的地質(zhì)檢測(cè)，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)工作原理是利用電磁波在建筑物內(nèi)擴(kuò)散的特性，通過接收天線吸收反射電磁波，再加以處理產(chǎn)生信號(hào)。電磁波在道路系統(tǒng)的內(nèi)部擴(kuò)散過程中必須遵循反射系數(shù)原理。反射波原理如圖1所示，RicKer子波是由探地雷達(dá)的天線在朝向空氣發(fā)出電磁波時(shí)收集到的波形，利用反射系數(shù)原理與對(duì)RicKer子波的卷積計(jì)算可以獲得整個(gè)道路結(jié)構(gòu)信號(hào)的反射波。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。

2 試驗(yàn)方案

2.1 檢測(cè)方案

本次研究共選取6km高速公路進(jìn)行檢測(cè)，包括樟吉高速公路2km和昌金高速公路4km，具體檢測(cè)路段樁號(hào)見表1。

根據(jù)檢測(cè)路段交通情況，設(shè)計(jì)超車道、行車道分檢的路段檢測(cè)方式，如圖2所示，并根據(jù)圖2設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行不同路段的路面病害統(tǒng)計(jì)。

2.2 雷達(dá)圖像處理

運(yùn)用3D?Examiner軟件進(jìn)行雷達(dá)圖像的截取，分別截取水平面和縱斷面圖像，共計(jì)7"123張。獲取流程如下：（1）登錄軟件，打開目標(biāo)路段采集的雷達(dá)圖像原始數(shù)據(jù)；（2）雙擊Region Processing Settings，對(duì)濾波、增益等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，增益設(shè)置為7dB；（3）點(diǎn)擊Edit region，對(duì)導(dǎo)出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、寬度進(jìn)行調(diào)整，長(zhǎng)度間隔為60m，寬度略大于0.8m，縱斷面每隔兩個(gè)測(cè)道截取一次、水平面在一個(gè)60m中每隔0.08m截取一次；（4）將不同斷面的圖片導(dǎo)出。

2.3 檢測(cè)路段環(huán)境與交通調(diào)查

2.3.1 環(huán)境調(diào)查

（１）溫度

根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到2017—2021年各月份樟樹市與吉安市平均氣溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果。吉安市各年度的平均氣溫在19.3℃～20.6℃之間。各年度平均溫度中，平均溫度最高出現(xiàn)在7月份或者8月份，各年7、8月份平均氣溫為30℃。樟樹市各年度的平均氣溫在19.0℃～20.0℃之間。各年度平均溫度中，平均溫度最高出現(xiàn)在7月份或者8月份，各年7、8月份平均氣溫為30.2℃

（２）降水量調(diào)查

通過中國(guó)氣象網(wǎng)采集吉安市與樟樹市降水量數(shù)據(jù)。吉安市各年度平均降雨量分別為980mm、1"167mm、1"642mm、1"577mm、1"246mm，而樟樹市各年度的平均降雨量分別為1"096mm、1"139mm、2"029mm、1"630mm、1"336mm。近3年平均降雨量總體趨勢(shì)在1"200mm以上，降雨量較為充沛。

2.3.2 交通調(diào)查

不同重量的車輛對(duì)路面的疲勞損傷不同，昌金高速不同重量的車輛比例如圖3所示。由圖3可見，昌金高速上的車輛類別以輕型車（0～2t）為主，占比超過70%，總重量在15t以上的重型車僅占3.93%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 路面病害統(tǒng)計(jì)

3.1.1 病害雷達(dá)圖像特征分析

（１）裂縫（LF）

裂縫位置處的介電常數(shù)小于正常路面介電常數(shù)，因此波形圖會(huì)與正常路面結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。同相軸不連續(xù)，斷裂處波形呈現(xiàn)向上凸起的形態(tài)，似山峰。同時(shí)在雷達(dá)橫斷面圖上可以見到一小塊條形強(qiáng)反射區(qū)內(nèi)，如果裂紋中有空氣，從瀝青路面流入裂紋，相位為負(fù)，很少有明確的負(fù)峰。

（２）修補(bǔ)（XB）

修補(bǔ)位置處與原路面連接處同相軸彎曲，呈現(xiàn)略微的弧形，在水平面上可以看到細(xì)縫，且內(nèi)部同相軸連續(xù)、平滑。由于修補(bǔ)材料與原路面材料不同，二者之間的反射振幅有明顯差異，在雷達(dá)圖的縱斷面地面線處可見略微低于地面線的一條水平線；地面線以下結(jié)構(gòu)層次明顯；一般范圍較大，雷達(dá)信號(hào)高亮。

（３）脫空（TK）

由于新舊路基間存在變形和沉降，高速公路很容易出現(xiàn)脫空類型的病害。分析其雷達(dá)圖像，縱斷面呈現(xiàn)類似于拋物線，雷達(dá)信號(hào)高亮；水平面相應(yīng)地出現(xiàn)白色高亮，呈塊狀矩形；橫斷面同向軸高亮，也可能會(huì)出現(xiàn)類似于縱斷面的拋物線，振幅波動(dòng)較大。

（４）層間黏結(jié)不良（CN）

層間連接較差位置處的介電常數(shù)小于層間連接良好位置處的介電常數(shù)，介電常數(shù)的變化導(dǎo)致層間連接處振幅增大；同相軸連續(xù)，但層間連接較差位置處的反射強(qiáng)度大于層間連接較好位置處的反射強(qiáng)度。

（５）混合料離析（HL）

混合料離析的波形比較散亂，沒有規(guī)律，通常是高亮的黑點(diǎn)在白色區(qū)域周圍跳動(dòng)，呈現(xiàn)不連續(xù)的黑白點(diǎn)，且同相軸不連續(xù)，波形雜亂程度隨離析程度加大而加劇?；旌狭想x析部位介電常數(shù)要小于正常部位介電常數(shù)，介電常數(shù)變化導(dǎo)致振幅增大。

3.1.2 路面病害統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)各檢測(cè)路段中各類病害的數(shù)目，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可見，在測(cè)試的路段中病害總數(shù)為2"323個(gè)；其中，CN（層間黏結(jié)不良）的個(gè)數(shù)最多，有1216個(gè)，XB（修補(bǔ)）的個(gè)數(shù)最少，只有38個(gè)，因此，在之后的道路養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)格外注重層間黏結(jié)不良的病害處治方案；存在病害最多的路段為 ，有797個(gè)病害，但是病害個(gè)數(shù)最多的1km路段為 ，共有521個(gè)病害；病害個(gè)數(shù)最少的1km路段為 ，共有215個(gè)病害。

統(tǒng)計(jì)各檢測(cè)路段中各類病害的面積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3可見，在測(cè)試的路段中病害面積總計(jì)4"181m²；CN（層間黏結(jié)不良）所占面積最大，為2"191m²，LF（裂縫）的面積最小，只有48m²，因此在之后的道路養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)地勘察的異常情況進(jìn)行病害處治方案設(shè)計(jì)；存在病害面積最大的路段是 ，為1"808m²，平均1km路段病害所占面積為904m²，面積最小的1km路段為 ，占360m²。

3.2 養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)

在路面養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)中，需要通過參考各病害的深度和位置提出針對(duì)性的處置方案，各類病害深度見表4。

根據(jù)病害成因、病害類群、病害程度、施工連續(xù)性和處置層位，劃分檢測(cè)路段的設(shè)計(jì)單元，見表5。

根據(jù)路面出現(xiàn)的各種病害特點(diǎn)、病害產(chǎn)生原因，采用了以下處置方案：

（１）B1方案：裂縫

（２）①方案一

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中LF樁號(hào)的范圍內(nèi)路面縱向裂縫病害。

處置方案：銑刨原路面上面層和中面層，沿縫走向鋪設(shè)寬度不小于50cm的抗裂貼，回補(bǔ)4cm改性瀝青AC?13上面層 剩余高度改性瀝青AC?20中面層。若處置路段位于待罩面路段內(nèi)，則原定回補(bǔ)中面厚度需加上罩面厚度。

②方案二

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中LF樁號(hào)的范圍，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)層中的橫向裂縫病害。對(duì)于路面出現(xiàn)的單條無支縫且無變形的橫向裂縫采用日常養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行修補(bǔ)。針對(duì)路面出現(xiàn)的有支縫、啃邊現(xiàn)象或伴隨局部沉陷的橫向裂縫或連續(xù)橫向裂縫病害，采用如下處置方案。

處置方案：銑刨原路面上、中面層，在下面層整體結(jié)構(gòu)承載力良好，且下面層裂縫無變形及支縫的前提下，開槽灌縫后，鋪設(shè)50cm寬的抗裂貼，再回補(bǔ)4cm改性瀝青AC?13上面層 剩余高度改性瀝青AC?20中面層

（２）C1方案：修補(bǔ)

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中XB樁號(hào)范圍內(nèi)修補(bǔ)不良的路段。

處置方案：將原路面面層銑刨，回補(bǔ)4cm改性瀝青AC?13上面層 剩余高度改性瀝青AC?20下面層。以上方案中，如果銑刨后銑刨面仍存在病害，則沿病害范圍繼續(xù)向下一結(jié)構(gòu)層銑刨，面層采用改性瀝青混合料AC?20、基層采用ATB?25回補(bǔ)。

（３）C2方案：脫空

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中的TK樁號(hào)的范圍，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)層中的脫空病害，實(shí)施施工中也要注意與層間黏結(jié)不良病害區(qū)分開。

處置方案如下：

①布孔。在病害處進(jìn)行注漿孔的布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)搭板長(zhǎng)度確定鉆孔數(shù)量；

②鉆孔。鉆孔深度的確定以檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)。如果路面出現(xiàn)瀝青混合料板脫空、基層疏松或者局部脫空等問題時(shí)，鉆孔深度應(yīng)在0.4～0.6m之間；如果路面出現(xiàn)路基疏松的問題，鉆孔深度應(yīng)在0.6～0.8m之?間。

③清孔。完成鉆孔施工后，可通過壓縮空氣的方法進(jìn)行鉆孔內(nèi)部的清理，直至里面不存在異物，再用清水清洗鉆孔。

（４）C3方案：層間黏結(jié)不良

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中CN樁號(hào)的范圍，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)層中的層間黏結(jié)不良這一病害。

處置方案：根據(jù)層間黏結(jié)不良所處層位確定銑刨深度。銑刨病害以上路面，處置措施如下：

①若病害處于瀝青混合料面層之間，設(shè)置改性乳化瀝青粘層。瀝青層之間，無論層間是否被污染，均要求撒改性乳化瀝青粘層，用量為0.5kg/m2，保證瀝青層連接成為一個(gè)整體，共同受力。

②若病害處于面層與基層之間，設(shè)置透層。在水穩(wěn)碎石基層頂面設(shè)置透層，應(yīng)先用鋼絲帚將基層頂面的水泥砂漿清掃干凈，使粗碎石外露，然后撒布高滲透乳化瀝青，撒布量為1.2kg/m2。

（５）C4方案：混合料離析

適用條件：適用于設(shè)計(jì)單元表中HL樁號(hào)的范圍，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)層中的混合料離析病害。

處置方案：根據(jù)混合料離析所處層位確定銑刨深度。銑刨病害所處層位及以上路面，回補(bǔ)4cm改性瀝青AC?13上面層 剩余高度改性瀝青AC?20中面層。同時(shí)，全面考慮各因素，做好層間黏結(jié)處理。

4 結(jié)論

1. 根據(jù)三維探地雷達(dá)檢測(cè)圖像，可以判別裂縫、修補(bǔ)、脫空、層間黏結(jié)不良和混合料離析五類病害。
2. 根據(jù)路面病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合項(xiàng)目背景、原設(shè)計(jì)與施工情況，可以提出具有針對(duì)性的路面病害養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)方案。

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