摘要：本文基于三維探地雷達(dá)的測量原理和工作特點(diǎn)，根據(jù)瀝青路面材料的介電特性揭示介電常數(shù)與瀝青路面厚度的關(guān)系，并運(yùn)用三維探地雷達(dá)檢測原理反算面層厚度。本文分別使用多種方法對試驗(yàn)段進(jìn)行介電常數(shù)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比優(yōu)化。結(jié)合工程實(shí)際情況，最終對瀝青路面厚度誤差源、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)。結(jié)果表明：三維探地雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)瀝青面層厚度高效、準(zhǔn)確、連續(xù)、大規(guī)模測量；優(yōu)化計(jì)算方法后，探地雷達(dá)對瀝青路面厚度的檢測精度達(dá)99.82%，滿足工程檢測要求；對比相同結(jié)構(gòu)不同測道的厚度均勻性，右測道厚度變化值要略小于左測道厚度的變化值；對比不同結(jié)構(gòu)相同測道的厚度均勻性，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)誤差系數(shù)不同，多個(gè)測道越靠近中心，檢測結(jié)果越靠近實(shí)際檢測結(jié)果，越往兩邊檢測結(jié)果越差。

關(guān)鍵詞：三維探地雷達(dá)；介電常數(shù)；瀝青路面；無損檢測技術(shù)；路面厚度

中圖分類號：U416.2""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""""""""""nbsp;""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0175-06

Asphalt Pavement Thickness Detection and Uniformity Analysis Evaluation Based on 3D GPR

YE Changqing

（Jiangxi Comprehensive Transportation Development Research Center， Nanchang Jiangxi 330036， China）

Abstract： Based on the measurement principle and working characteristics of 3D ground penetrating radar， this paper， reveals the relationship between the dielectric constant and the thickness of asphalt pavement according to the dielectric properties of asphalt pavement materials， and uses the detection principle of 3D ground penetrating radar to back calculate the thickness of asphalt pavement. In this paper， a variety of methods are used to calculate the dielectric constant of the test section， and the calculated results are compared with the real data for optimization. Combined with the actual situation of the project， the error source， accuracy and stability of asphalt pavement thickness are finally analyzed and evaluated. The results show that 3D GPR can measure the thickness of asphalt pavement efficiently， accurately， continuously and on a large scale. After optimizing the calculation method， the detection accuracy of GPR for asphalt pavement thickness reaches 99.82%， meeting the engineering detection requirements. By comparing the thickness uniformity of different channels with the same structure， the thickness variation of the right channel is slightly smaller than that of the left channel. By comparing the thickness uniformity of the same channel with different structures， it is found that the error coefficients of different structures are different. The closer the multiple channels are to the center， the closer the detection results are to the actual detection results， and the closer the detection results are to both sides， the worse the detection results are.

Key words： 3D ground penetrating radar; dielectric constant; asphalt pavement; non destructive testing technology; pavement thickness

0 引言

路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測通常采用鉆芯取樣法，該方法雖然準(zhǔn)確性較高，但對路面具有較大的損害[1]。鉆取芯樣過程中需要投入大量的人力及時(shí)間成本，有限間斷的芯樣個(gè)數(shù)不能準(zhǔn)確代表檢測道路的全部質(zhì)量水平，抽樣式鉆芯會破壞路面結(jié)構(gòu)的完整程度，且這種破壞不可逆。同時(shí)，檢測結(jié)束后采用合理的評價(jià)手段對瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行精準(zhǔn)評價(jià)，可在一定程度上預(yù)防瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重病害問題[2?3]。因此，采用合理的檢測及評價(jià)方法可以有效避免道路損傷，對延長瀝青路面使用壽命具有重要作用[4?5]。

目前，Yang等人[6]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測證明了三維雷達(dá)無損檢測的可靠性。李暉等人[7]利用三維探地雷達(dá)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共中心點(diǎn)法可以解決無損檢測問題；祝麗、唐嘉明等人[8?9]通過多種方法計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)層的厚度，并對道路的施工厚度均勻性進(jìn)行分析研究，有效提高路面施工厚度合格率。于曉賀等人[10]依托相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)，證明了探地雷達(dá)對瀝青路面厚度的檢測精度及均勻性評價(jià)的優(yōu)越性。SHAN ZHAO等人[11]利用最小二乘法對共中心點(diǎn)法方程組求解，證明了共中心點(diǎn)可以很好地預(yù)測路面厚度。

綜上所述，本文通過對試驗(yàn)段厚度檢測方法可靠性及準(zhǔn)確性的分析，優(yōu)化相應(yīng)檢測方法。同時(shí)，采用探地雷達(dá)對瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行系統(tǒng)性分析評價(jià)，最終為實(shí)現(xiàn)瀝青路面厚度高效、準(zhǔn)確、連續(xù)及大規(guī)模檢測提供參考。

1 三維探地雷達(dá)檢測原理

1.1 設(shè)備組成及天線布設(shè)

本次研究使用的是挪威3D?Radar公司的GeoScope三維探地雷達(dá)，三維探地雷達(dá)主要組成部分包括：天線陣列、雷達(dá)主控器單元、計(jì)算機(jī)和GPS，設(shè)備主要組成及天線布設(shè)方式如圖1所示。目前，三維探地雷達(dá)具有探測深度大、圖像更直觀、覆蓋范圍全、檢測效率高的特點(diǎn)，更適用于道路無損檢測。

1.2 三維雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

（１）步進(jìn)頻率雷達(dá)：利用數(shù)字頻率信號源，可以產(chǎn)生0.5～10mm的掃描周期，采用一個(gè)同相接收機(jī)，可以確保整個(gè)掃描周期可被完全有效利用，檢測示意圖如圖2所示。

（２）天線陣列：可進(jìn)行21個(gè)天線陣子掃描，頻率覆蓋范圍為100Mhz～3Ghz。

（３）共中心點(diǎn)檢測模式（CMP）：三維探地雷達(dá)可以設(shè)置三維CMP采集模式，可檢測各層的厚度和對應(yīng)的介電常數(shù)。

（４）工作效率：采用1.8m天線陣列，以80km/h車速行駛，提供7.5cm 7.5cm網(wǎng)格的完全三維圖像。

2 試驗(yàn)方案

2.1 三維探地雷達(dá)瀝青路面厚度數(shù)據(jù)采集

2.1.1 工程概況

某實(shí)體工程項(xiàng)目路面技術(shù)改造后上、下行路面主要有類型I、類型Ⅱ、類型Ⅲ以及類型Ⅳ四種結(jié)構(gòu)（表1）。結(jié)合養(yǎng)護(hù)資料以及現(xiàn)場勘測路面完整度情況，選擇四種結(jié)構(gòu)類型各一公里路段，作為試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1.2 試驗(yàn)段測道布設(shè)方案

本文采用DGX1820型號三維探地雷達(dá)，一次有效測道的寬度達(dá)到1.5m，為保證檢測的全覆蓋性，單車道進(jìn)行兩次檢測，行車道布設(shè)詳情如圖3所示。路段內(nèi)每隔8m進(jìn)行一個(gè)斷面設(shè)置，每個(gè)斷面三個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)距離道路中線的距離按照雷達(dá)天線位置設(shè)置，依次為0.25m、0.7m和1.3m，測點(diǎn)布設(shè)圖如圖4所示。

2.1.3 瀝青路面厚度數(shù)據(jù)信息提取

本研究采用3D Examine軟件對探地雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過一定指令區(qū)分面層與基層分界線，如圖5所示，對瀝青路面雙程走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

2.2 瀝青路面厚度測量方法

2.2.1 芯取樣法

2.2.2 振幅全反射法

2.2.3 共中心點(diǎn)法

3 厚度測量方法可靠性研究

3.1.1 基于多維介電常數(shù)測量方法準(zhǔn)確性分析

為研究瀝青路面介電常數(shù)變化情況，選擇結(jié)構(gòu)類型Ⅰ中任意1公里作為試驗(yàn)段。三種介電常數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，振幅全反射法誤差值過大。其原因?yàn)樵趯?shí)際的檢測過程中，路面會產(chǎn)生起伏，電磁波間相互干涉，將會產(chǎn)生一定的表面散射，因此該方法容易產(chǎn)生較大的誤差。如圖7所示，鉆芯取樣法、共中心點(diǎn)法和振幅全反射法計(jì)算出介電常數(shù)均值分別為8.01，2.50和8.24，振幅全反射法計(jì)算誤差較大。鉆芯取樣法介電常數(shù)極值為2.49，振幅全反射法介電常數(shù)極值為2.7，共中心點(diǎn)法介電常數(shù)極值為3.75。而鉆芯取樣法和共中心點(diǎn)法在25%～75%范圍內(nèi)計(jì)算出的瀝青路面介電常數(shù)相對穩(wěn)定，均值差異性較小。由于共中心點(diǎn)法的優(yōu)越性，考慮將共中心點(diǎn)法與鉆芯取樣法相結(jié)合。

3.1.2 介電常數(shù)優(yōu)化修正

將振幅分析法、共中心點(diǎn)法與取芯法對比，通過鉆芯取樣法的結(jié)果和其他兩種計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化修正。得到試驗(yàn)段修正系數(shù) 、 ，結(jié)果見表2。

3.1.3 精確性及穩(wěn)定性分析

基于上文得到的介電常數(shù)，利用修正介電系數(shù)，以及在已知檢測段所取待測點(diǎn)位的雙程走時(shí)，利用公式（4）可計(jì)算出鉆芯取樣法、振幅全反射法及共中心點(diǎn)法的厚度。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

以真實(shí)測量的芯樣厚度數(shù)據(jù)作為真值，將鉆芯取樣法、振幅全反射法及共中心點(diǎn)法計(jì)算的瀝青層路面厚度與實(shí)測芯樣厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖9所示，鉆芯取樣法誤差率為0.54%，振幅全反射法誤差率為40.43%，共中心點(diǎn)法為0.18%。

因此，本文優(yōu)化共中心點(diǎn)法，將其作為三維雷達(dá)無損檢測的優(yōu)選方法進(jìn)行工程應(yīng)用。

4 基于項(xiàng)目下的瀝青路面厚度均勻性分析與評價(jià)

結(jié)合鉆芯取樣與共中心點(diǎn)法優(yōu)化介電常數(shù)后，采用相同結(jié)構(gòu)不同測道和不同結(jié)構(gòu)相同測道檢測數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果指標(biāo)來評價(jià)瀝青路面面層厚度的分布規(guī)律，對比分析不同方法間的精確性和穩(wěn)定性來評價(jià)其測量效果。

4.1 基于修正介電常數(shù)的厚度計(jì)算結(jié)果

該試驗(yàn)段利用優(yōu)化介電常數(shù)及三維雷達(dá)數(shù)據(jù)，最終選取了相關(guān)檢測指標(biāo)進(jìn)行分析。如表3所示，三維探地雷達(dá)厚度檢測誤差均值最大為0.045cm，最小為0.007cm。誤差產(chǎn)生原因如下：大部分路段投入運(yùn)營后會發(fā)生磨損，導(dǎo)致路面的實(shí)際厚度比設(shè)計(jì)厚度小。同時(shí)結(jié)合修正方式，在工程上應(yīng)用相對誤差為0.18%，精確性達(dá)到工程要求。

4.2 相同結(jié)構(gòu)下不同測道準(zhǔn)確性分析

選取左右兩個(gè)不同測道計(jì)算得到兩測道的厚度數(shù)據(jù)如圖10所示。

對比左右測道的厚度數(shù)據(jù)計(jì)算其平均誤差，通過計(jì)算誤差系數(shù)來進(jìn)行厚度誤差分析。不同測道中的三維探地雷達(dá)檢測厚度的平均誤差最大值為0.681cm，最小值為0.005cm。并計(jì)算其變異系數(shù)范圍在0～5%。從整體趨勢看來，右測道的測道厚度要優(yōu)于左測道的厚度的變化值。調(diào)查路面車流量及養(yǎng)護(hù)歷史，左右測道厚度的差異可能是由駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣及駕駛?cè)税踩庾R造成的。

4.3 不同結(jié)構(gòu)相同測道準(zhǔn)確性分析

對四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)相同測道全通道準(zhǔn)確性研究，一共設(shè)置20個(gè)通道，每個(gè)通道間隔距離為0.075m，檢測結(jié)果如圖11所示。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度不同，但同一結(jié)構(gòu)厚度基本一致。不同結(jié)構(gòu)變化趨勢不一致，原因是路面鋪設(shè)材料本身及行車情況導(dǎo)致路面平整度檢測結(jié)果產(chǎn)生差異性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，越靠近中心，檢測結(jié)果越靠近實(shí)際檢測結(jié)果，越往兩邊，檢測結(jié)果越?偏離實(shí)際檢測結(jié)果。

四個(gè)結(jié)構(gòu)平均值分別為23.96cm，20.05cm，23.86cm以及18.06cm。其相對誤差系數(shù)分別為1.16%，1.24%，2.25%以及3.31%。產(chǎn)生誤差的原因可能是路面類型結(jié)構(gòu)不同，所用材料差異性較大，因此在瀝青路面厚度測量過程中產(chǎn)生一定的誤差。同時(shí)，路面平整度、天氣變化以及車輛行駛特性、天線與面層的距離不斷變化，在計(jì)算面層厚度的過程中會產(chǎn)生誤差。在差異性較大的情況路段，需要結(jié)合養(yǎng)護(hù)歷史，分析其路段潛在病害，保障道路使用壽命。

5 結(jié)語

（１）基于修正介電常數(shù)的厚度計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較好，試驗(yàn)段修正后鉆芯取樣法誤差率為0.54%，共中心點(diǎn)法為0.18%。共中心點(diǎn)法的計(jì)算原理清晰明了，可實(shí)現(xiàn)精度較高、覆蓋面積較大的計(jì)算，效果明顯，該方法具有較高的可靠度。

（２）進(jìn)行全路段檢測，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同的路段，在運(yùn)營后出現(xiàn)了高于或低于設(shè)計(jì)厚度的情況。進(jìn)一步比較不同結(jié)構(gòu)相同測道、相同結(jié)構(gòu)不同測道的厚度均勻性確定共中心點(diǎn)法在路面檢測中的可行性。對比相同結(jié)構(gòu)不同測道的厚度均勻性，發(fā)現(xiàn)不同測道中的三維探地雷達(dá)檢測厚度的平均誤差最大值為0.681cm，最小值為0.005cm。并計(jì)算其變異系數(shù)范圍在0～5%。右測道的測道厚度要小于左測道厚度的變化值。

（３）對比不同結(jié)構(gòu)相同測道的厚度均勻性，昌金道路四個(gè)結(jié)構(gòu)路面厚度相對誤差系數(shù)分別為1.16%，1.24%，2.25%以及3.31%。產(chǎn)生誤差的原因可能是路面類型結(jié)構(gòu)不同，所用材料差異性較大，因此在瀝青路面厚度測量過程中產(chǎn)生一定的誤差。

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