林學麗

摘要 瀝青混凝土路面狀況的好壞，對于路面交通的安全通行有著較大影響，鑒于傳統(tǒng)瀝青混凝土路面檢測技術(shù)相對落后，且對于路面結(jié)構(gòu)有一定的損傷，因此新型無損檢測技術(shù)受到了眾多專家和學者的關(guān)注。三維探地雷達主要通過電磁波在不同電性介質(zhì)傳播受到的影響不同，對反射波進行分析，從而確定被探測物的深度、結(jié)構(gòu)形式和性質(zhì)。依托于某瀝青混凝土路面病害檢測項目，三維探地雷達檢測了路面脫空的深度和面積，且測試結(jié)果與實際情況吻合度較高，證明三維探地雷達在瀝青混凝土路面檢測中具有較強的適用性。

關(guān)鍵詞 瀝青混凝土路面；三維探地雷達；路面檢測；驗證性檢測

中圖分類號 U416.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0099-03

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，公路服役里程增長和車輛交通荷載加大，導致道路維修養(yǎng)護工作面臨較大的壓力。從工程建設方面考慮，瀝青混凝土材料作為路面建設的基本施工材料，得到了較為廣泛的應用。由于瀝青混凝土材料的性能限制和長期交通活載的沖擊影響，瀝青混凝土路面不可避免地存在坑槽、皸裂和裂縫等病害[1-4]，對公路正常運營和安全通行帶來了較大的安全隱患，因此對瀝青混凝土路面進行檢測并采取針對性的維修養(yǎng)護措施，確保路面的健康、安全服役成為當前管養(yǎng)單位關(guān)注的重點問題。根據(jù)當前工程實踐，傳統(tǒng)道路檢測技術(shù)不僅存在工作效率低、檢測代表性不強等弊端，甚至會對路面結(jié)構(gòu)造成一定的損傷。無損檢測新技術(shù)的推廣應用，不僅提高了檢測效率，對于公路行業(yè)運維水平的提升也起到了較大的促進作用[4-7]，大大保障了瀝青混凝土路面的通行能力。針對車轍現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)變形和不均勻沉降等瀝青混凝土路面常見病害，傳統(tǒng)檢測方式無法進行無損、全面的檢測，檢測面廣、技術(shù)先進和精確度高的無損檢測技術(shù)得到廣泛應用。通過對無損檢測技術(shù)的系統(tǒng)組成、工作原理和檢測性能分析，發(fā)現(xiàn)其在瀝青混凝土路面病害檢測方面具備較強的適用性。實際瀝青混凝土病害檢測項目，也驗證了三維探地雷達檢測技術(shù)的高精度和適用性。

1 瀝青混凝土路面常見病害分析

1.1 車轍現(xiàn)象

道路運營過程中，車轍現(xiàn)象是瀝青混凝土路面常見病害之一，嚴重情況下會導致路面產(chǎn)生明顯凹陷，影響行車安全。關(guān)于車轍病害的成因，具體分析如下：

（1）材料缺陷。由于瀝青材料的固有缺陷，瀝青混凝土路面的耐腐蝕性無法達到交通通行要求，造成服役壽命和服役狀況受到較大的影響。

（2）服役環(huán)境差。道路服役周期內(nèi)，雨水沖刷和太陽直射造成瀝青路面高溫，會在較大程度上降低材料硬度，反復荷載作用下甚至會出現(xiàn)車轍現(xiàn)象。

（3）超載現(xiàn)象。道路服役過程中，車輛總荷載和車輛軸載缺乏明確的限制或者限制執(zhí)行不夠嚴格，尤其是軸載超過額定軸載的情況時有發(fā)生，對于瀝青路面的影響更大，長期超載作用下導致路面出現(xiàn)較為嚴重的車轍病害。

（4）工藝不規(guī)范。由于工期影響，部分高速公路施工過程中，路面未完全滿足通車要求便開始承擔車輛荷載，會導致瀝青混凝土在成型過程中出現(xiàn)缺陷，甚至出現(xiàn)嚴重車轍現(xiàn)象。

1.2 結(jié)構(gòu)變形

作為瀝青路面常見病害之一，結(jié)構(gòu)變形不僅會造成路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，還會影響公路車輛的安全通行，嚴重情況下車輛顛簸對路面會造成更大的沖擊，二者相互耦合則會造成結(jié)構(gòu)變形的進一步發(fā)展，嚴重影響公路交通正常通行。對于瀝青混凝土路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形進行如下分析：

（1）雨水侵蝕。由于瀝青路面排水不及時或者排水不暢，導致水分滲入道路基層，破壞路面結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生一定形變，嚴重地影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況甚至破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）防水能力不足。設計瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)時，為了防水的需要，專門設計了一層防水層，由于施工工藝的缺陷或者材料老化，導致防水能力無法滿足設計要求，長期滲水作用下引起路面結(jié)構(gòu)變形甚至破壞的嚴重病害。

（3）管養(yǎng)不合理。當前公路運維中對于養(yǎng)護重視程度不足，造成養(yǎng)護措施不及時，最終造成路面裂縫，在雨水沖刷和活載沖擊作用下造成嚴重的結(jié)構(gòu)變形。

1.3 不均勻沉降

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)在運營中面臨諸多挑戰(zhàn)，不均勻沉降就是影響路面結(jié)構(gòu)完整性和行車安全的重要因素之一。導致路面發(fā)生不均勻沉降的因素很多，現(xiàn)進行如下分析：

（1）施工方面。填土路基尤其是高填方路基，由于填土配合比或者壓實度存在問題，或者填土厚度不均勻，均會造成路基一定程度的不均勻沉降，反射到路面結(jié)構(gòu)上則表現(xiàn)為一定程度的凹陷。

（2）運維方面。瀝青混凝土路面，如果防水被破壞或者防水能力不足，則會導致路面積水滲到路基結(jié)構(gòu)，甚至造成路基發(fā)生不均勻沉降，嚴重時會反射到路面結(jié)構(gòu)。

2 探地雷達系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

探地雷達的硬件主要包括接收機、發(fā)射機和處理器，其中接收機包括信號處理機、數(shù)字存儲器和信息器。探地雷達具體構(gòu)成如圖1所示。

根據(jù)圖1的三維探地雷達系統(tǒng)組成，對于組成部件進行如下的功能分析：

（1）雷達主機。雷達主機是三維探地雷達的主要部件，其核心技術(shù)是頻率步進技術(shù)，通過電磁波的發(fā)射和接收能夠完成大量的數(shù)據(jù)采集，具有較高的分辨率和一定深度的探測能力。

（2）地面耦合天線。地面耦合天線主要影響探測寬度，其核心技術(shù)是天線陣列及時，電磁波頻率范圍在200～3 000 MHz，在瀝青混凝土路面檢測中的適用性較強。耦合天線通過不同的發(fā)射天線和接收天線，單次檢測可以實現(xiàn)對多條測線進行檢測，覆蓋范圍相對較大，形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理分析形成三維圖像。

（3）數(shù)據(jù)分析軟件。數(shù)據(jù)分析軟件的功能是對地面耦合天線接收到的反射波信號進行處理，反演得到檢測結(jié)構(gòu)信息。三維探地雷達進行一次掃描，能夠同時獲得垂直斷面和水平斷面的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件的處理，形成高清晰度的三維圖像信息。

2.2 探地雷達工作原理

探地雷達系統(tǒng)的工作原理是將電磁波向被探測物發(fā)射，脈沖在遇到不同電性界面，部分雷達波會因反射被接收天線接收。由于電磁波的傳播路徑、強度和波形受到介質(zhì)和反射形態(tài)的較大影響，根據(jù)反射波的信號分析，對于被探測物的深度、結(jié)構(gòu)形式和性質(zhì)進行分析。關(guān)于探地雷達電磁波在探測工作中的工作流程如圖2所示。

3 三維探地雷達應用分析

3.1 檢測深度

根據(jù)探地雷達工作原理可知，接收天線接收被探測物發(fā)射回來的信號，由于存在多個反射面，信號的幅度和行走時間均會存在一定的差別，通過對接收信號進行處理，其中包括校正、疊加、濾波和偏移處理，然后在分析電磁波傳播介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率的情況下計算得到電磁波波速，根據(jù)電磁波的行走時間和反射界面，從而確定反射波的形態(tài)、振幅和變化特征，進一步計算可以得到被探測物的空間坐標。計算被探測物深度的計算公式如式（1）所示。

式中，v——電磁波真空傳播波速（m/s）；——傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù)；t——被探測物界面反射波雙向傳播時間（s）。

3.2 天線頻率

探地雷達能夠探測到的最大深度受到探地雷達性能和探測環(huán)境的影響，其中環(huán)境影響因素包括傳播介質(zhì)的介電特性、電磁波其他特性等。根據(jù)當前研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的檢測過程中，如果電磁波的頻率高，則在傳播過程中因受到的影響較大會發(fā)生較快的衰減，造成檢測深度受到較大的限制。考慮探地雷達檢測中電磁波的傳播、傳播介質(zhì)的介電特性和電磁波傳播的規(guī)律，探地雷達的天線頻率將會對探測雷達的檢測深度產(chǎn)生較大影響，因此應結(jié)合被探測物的深度、目標探測深度選擇天線頻率，其中天線頻率與被探測物深度的對應如表1所示。

4 案例分析

4.1 工程概況

某城市道路項目位于我國平原地區(qū)，全長為4.3 km，雙向六車道設計，設計時速為60.0 km/h。路面結(jié)構(gòu)為4 cmSMA-13（SBS改性）+改性瀝青粘油層+8 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+1 cm封層+40 cm粉煤灰三渣+15 cm礫石砂。

道路路基設計中存在一定的挖方和填方路面，施工過程中由于雨水沖刷造成一定程度的不均勻沉降，經(jīng)后期處理后滿足交工驗收標準。由于該地降雨較為頻繁，對于道路的防水和排水能力的挑戰(zhàn)性較大。隨著道路通行時間增加，道路路面出現(xiàn)了一定程度的沉陷，反射到地面則是出現(xiàn)沉陷。為了全面了解地面沉陷的原因以及沉陷位置的路基結(jié)構(gòu)情況，便于采取針對性的處治措施，采用三維探地雷達進行瀝青混凝土路面沉陷病害的檢測，從而確定病害的深度和范圍。

4.2 檢測結(jié)果分析

檢測采用的三維探地雷達，采用能夠覆蓋1.5 m寬路面的地面耦合曲線，采用多條檢測路線即可對路面進行全覆蓋的檢測。地面耦合雷達檢測時，車輛行駛速度V=10.0～15.0 km/h，相比傳統(tǒng)檢測技術(shù)，檢測效率較高。根據(jù)該文探地雷達主要用于瀝青混凝土路面檢測，根據(jù)表1可知天線頻率為1 500 MHz，有效檢測深度小于1.0 m，即能滿足檢測要求。采用三維探地雷達對發(fā)生沉陷的路面進行掃描，得到縱斷面圖如圖4所示。

根據(jù)路面外觀檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土路面還存在部分開裂現(xiàn)象，這也會對路基空洞的反射信號造成一定的干擾。根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，路基區(qū)域部分脫空現(xiàn)象較為嚴重，約為0.3 m深，但是從信號無法確定空洞頂部、底部的信號，因此很難準確計算脫空位置的高度。

5 結(jié)語

經(jīng)濟社會的持續(xù)快速發(fā)展，對于瀝青混凝土路面的服役狀態(tài)提出了新要求。由于當前路面下管線縱橫交錯，且管道老化存在部分漏水和滲水，傳統(tǒng)檢測方法無法有效地進行檢測，且對道路路面會產(chǎn)生一定程度的破壞。在對瀝青混凝土路面常見病害和傳統(tǒng)檢測技術(shù)限制的研究基礎上，該文提出三維探地雷達在瀝青混凝土路面病害檢測中具有較強的適用性，根據(jù)對雷達系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理和工作性能的分析，實際檢測項目驗證了探地雷達的檢測效果，結(jié)果顯示三維探地雷達能夠滿足瀝青混凝土路面病害檢測的需求。

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