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        基于高精度探地雷達(dá)的瀝青路面厚度無損檢測及動態(tài)調(diào)控研究

        2023-10-20 02:16:22鐘日堅
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2023年19期
        關(guān)鍵詞:瀝青路面檢測

        鐘日堅

        (東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司,廣東東莞 523000)

        0 引言

        交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)中具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè),也是服務(wù)性行業(yè)和現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的重要組成部分。公路是交通運(yùn)輸?shù)闹匾d體,截至2021 年底,我國公路總里程528.07 萬公里,公路養(yǎng)護(hù)里程525.16萬公里,與之相對應(yīng)的公路檢測工作也日趨繁重[1-3]。

        目前,傳統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)厚度檢測和評價方法,主要包括鉆孔取芯外觀評價法和水準(zhǔn)測量高程法[4-6]。鉆孔取芯外觀評價方法是基于破壞性的檢測方法,盡管可靠性很高,但存在一定的局限性;水準(zhǔn)測量高程方法雖然屬于無損檢測方法,能夠評估道路結(jié)構(gòu)層厚度,但對定位基點要求嚴(yán)格,不適用于大面積的厚度檢測[7]。與這些傳統(tǒng)方法相比,探地雷達(dá)(GPR)具有快速、連續(xù)、無損和高精度等特點,這些特點使GPR在道路檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。

        高精度探地雷達(dá)對道路厚度檢測數(shù)據(jù)多用于施工完成后的驗收,在對厚度數(shù)據(jù)的處理、分析等方面仍有一定的不足。因此,文章提出基于厚度代表值和合格值的瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整方法,以獲取道路全斷面厚度數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析,為瀝青路面厚度均勻性控制提供科學(xué)依據(jù)。

        1 高精度探地雷達(dá)在道路無損檢測中的工作原理

        1.1 高精度探地雷達(dá)檢測原理

        為了滿足路面厚度檢測精度要求,該研究采用毫米級的瑞典MALA ProEx 型高精度探地雷達(dá)主機(jī),測試天線頻率范圍為1600MHz 屏蔽天線,采樣頻率為37989MHz。高精度探地雷達(dá)檢測技術(shù)是利用探地雷達(dá)的發(fā)射天線向道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部發(fā)射超高頻脈沖電磁波,由接收天線接收道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部反射的電磁波并由主機(jī)記錄發(fā)射電磁波的運(yùn)動特征,通過數(shù)據(jù)反演形成道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部全斷面的掃描圖,以此評判道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀態(tài)。電磁波傳播特性與道路結(jié)構(gòu)介電特性相關(guān),隨著道路結(jié)構(gòu)材料的電性和組構(gòu)的變化,高精度探地雷達(dá)的探測路徑、電磁場強(qiáng)度和波形都會發(fā)生變化。高精度探地雷達(dá)工作原理如圖1 所示。

        1.2 電磁波傳播理論

        電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性,介質(zhì)的電性參數(shù)主要有電導(dǎo)率μ、介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率。由于道路是分層鋪筑的,電磁波在道路傳播過程中,各層之間的介電常數(shù)不一致,分界面會產(chǎn)生不同的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播理論基礎(chǔ)源于麥克斯韋電磁波方程組。電磁波傳播理論相關(guān)參數(shù)如下:

        1.2.1 電磁脈沖波旅行時間

        電磁脈沖波旅行時間如式(1)所示:

        式(1)中:z為道路結(jié)構(gòu)層的厚度;x為發(fā)射、接收天線的距離(由于式中z>x,所以x可以忽略不計);v為電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。

        1.2.2 電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度

        電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度如式(2)所示:

        式(2)中:c為電磁波在真空中的傳播速度(0.29979m/ns);εr為道路結(jié)構(gòu)層的相對介電常數(shù),μr為道路結(jié)構(gòu)層的相對磁導(dǎo)率(一般μr≈1)。

        1.2.3 電磁波的反射系數(shù)

        由于道路結(jié)構(gòu)層的材料組構(gòu)存在差異性,電磁波在道路結(jié)構(gòu)層傳播過程中相對介電常數(shù)會發(fā)生明顯變化,電磁波在穿透不同結(jié)構(gòu)層時會產(chǎn)生反射或透射現(xiàn)象,電磁波反射系數(shù)計算如式(3)所示:

        式(3)中:r為道路結(jié)構(gòu)層界面電磁波反射系數(shù);ε1為k1 層道路結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù);ε2為k2 層道路結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)。

        1.2.4 探地雷達(dá)記錄時間和道路結(jié)構(gòu)層軸向深度的關(guān)系

        探地雷達(dá)記錄時間和道路結(jié)構(gòu)層軸向深度的關(guān)系如式(4)所示:

        式(4)中:z為道路結(jié)構(gòu)層的軸向深度;t為雷達(dá)記錄時間。

        1.2.5 探地雷達(dá)檢測頻率

        在道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測過程中,應(yīng)優(yōu)先選擇較高頻率的發(fā)射天線。有時采用一種頻率進(jìn)行檢測,由于頻率固定,檢測數(shù)據(jù)無法滿足檢測深度與分辨率最大限度的優(yōu)化,因此需要采用兩種不同的頻率進(jìn)行檢測。

        1.2.6 采樣時窗

        采樣時窗是探地雷達(dá)接收電磁反射波的時間范圍。采樣時窗的長度主要由介質(zhì)的探測深度和介電常數(shù)決定??赏ㄟ^式(5)計算采樣時窗:

        式(5)中:△T為時窗長度(ns);d為目標(biāo)體的厚度或埋深(m);εr為相對介電常數(shù);a為調(diào)整系數(shù),一般取1.5~2。

        1.2.7 采樣率與采樣間距

        采樣率是記錄相鄰兩次反射波采樣點之間的時間間隔。采樣率越高,單位時間內(nèi)的采樣點數(shù)越多,用單位赫茲(Hz)表示。電磁波一個周期內(nèi)不少于兩個點,可由式(6)確定:

        式(6)中:s為采樣率(Hz);τ為天線中心頻率(MHz);k為調(diào)整系數(shù),一般取5~10。

        采樣間距是根據(jù)沿線道路的長度來確定,一般按1~5m 的間隔布設(shè)。

        2 高精度探地雷達(dá)在路面厚度檢測中的數(shù)據(jù)處理及分析

        2.1 路面厚度檢測數(shù)據(jù)處理

        高精度探地雷達(dá)在發(fā)射電磁波和接收反射信號的過程中會受到噪聲的干擾,為了提高道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部探測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,需要在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行降噪處理。通過數(shù)據(jù)處理后生成的雷達(dá)云圖包括道路結(jié)構(gòu)層特征波和干擾波,而準(zhǔn)確識別并分析這兩種波是解譯道路結(jié)構(gòu)層雷達(dá)云圖的關(guān)鍵。主要是通過數(shù)據(jù)正演關(guān)系獲取特征波的特征值,通過道路對結(jié)構(gòu)層實體檢測數(shù)據(jù)校核干擾波的特征值。

        2.2 路面厚度檢測數(shù)據(jù)分析及動態(tài)調(diào)整方法

        為了實現(xiàn)對瀝青路面厚度的動態(tài)控制,需對檢測路段進(jìn)行區(qū)域劃分。區(qū)域劃分應(yīng)根據(jù)道路路線上下行幅線、路線長度和車道數(shù)等進(jìn)行網(wǎng)格化。綜合考慮項目特點、規(guī)范厚度檢測要求和施工工藝,以200m 作為劃分區(qū)域較為合適。全斷面按1m 間隔采集數(shù)據(jù),每個劃分區(qū)域有1200 個數(shù)據(jù)點。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》(JTG F80/1—2017)中關(guān)于高速/一級公路的總厚度值可分為代表值厚度(-5%H)和合格值厚度(-10%H)?;诖碇岛秃细裰档暮穸绕羁刂浦等缡剑?)~(8)所示:

        式(7)中:Δhd為基于代表值厚度的厚度偏差;hd為下層結(jié)構(gòu)層厚度;H為結(jié)構(gòu)層總厚度;R1為容許偏差;為檢測厚度均值。

        式(8)中:Δhh為基于合格值厚度的厚度偏差;R2為路面總厚度極小值容許偏差;hmin為檢測厚度的極小值。

        結(jié)構(gòu)層厚度偏差控制值應(yīng)同時滿足代表值和合格值的要求,如式(9)所示:

        瀝青路面施工厚度動態(tài)調(diào)整應(yīng)同時滿足厚度偏差和設(shè)計厚度的要求,路面厚度動態(tài)調(diào)整方法如式(10)所示:

        式(10)中:ht為厚度動態(tài)調(diào)整值;hdi為第i 層厚度設(shè)計值。

        3 工程應(yīng)用研究

        3.1 工程概況

        為了實現(xiàn)對道路結(jié)構(gòu)層厚度的動態(tài)控制,研究利用IRIS-I 型探地雷達(dá)對廣東省東莞市某一級公路瀝青路面厚度進(jìn)行全斷面雷達(dá)無損檢測。該工程瀝青路面厚度設(shè)計為18cm(上層厚度4cm+中層厚度6cm+下層厚度8cm),左右幅共六車道。研究主要對K1+500—K2+500 路段瀝青面層厚度進(jìn)行全面檢測和評估(見圖2),將該路段長度按200m 每等分劃為5 個區(qū)域,并對其厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度雷達(dá)檢測云圖

        3.2 高精度雷達(dá)參數(shù)標(biāo)定

        為了獲取更為準(zhǔn)確的厚度數(shù)據(jù),需對雷達(dá)檢測點的結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行鉆芯取樣,通過反演計算雷達(dá)測試系統(tǒng)中瀝青混凝土的介電常數(shù)。為了獲取瀝青混凝土介電常數(shù),該項目預(yù)先鋪筑了200m 試驗路段,分別在試驗段起點K1+500、中點K1+600 和終點K1+700位置處,利用瑞典MALA ProEx 型探地雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)定點采集,以消除瀝青混凝土路面不同實施階段下的材料差異性。最后根據(jù)鉆芯取樣量取試件厚度,依此反演出雷達(dá)測試系統(tǒng)中的介電常數(shù)(見表1)。

        表1 瀝青混凝土介電常數(shù)標(biāo)定

        根據(jù)表1 的試驗結(jié)果,該項目在厚度檢測時采用的介電常數(shù)為5.22。

        3.3 瀝青路面總厚度分析

        為了評價瀝青路面總厚度的合格率,對K1+500—K2+500 的厚度檢測值進(jìn)行匯總,如圖3 所示。為了進(jìn)一步分析瀝青路面厚度的均勻性,將樁號K1+500—K2+500 按200m 劃分5 個不同樁號區(qū)域,并對這些區(qū)域的厚度均值和變異系數(shù)進(jìn)行匯總,如圖4 所示。

        圖3 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度檢測值

        圖4 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度檢測均值和變異系數(shù)

        從圖3 可以看出,K1+500—K2+500 段右幅瀝青路面的厚度值波動較大,呈“M”形,左幅路段瀝青路面厚度值在樁號起始段波動較大,其他區(qū)域內(nèi)厚度值相對平穩(wěn)。這與路面基層施工質(zhì)量密切相關(guān),且右幅基層的施工平整度明顯比左幅差,顯著增加了工程成本。圖4 結(jié)果表明,K1+500—K2+500 段瀝青路面的總厚度平均值為19.8cm,合格率為99.2%。樁號區(qū)域1的厚度離散性最大,區(qū)域3 的離散性最小,且厚度均勻性最好,這是因為區(qū)域1 為該路段基層施工起點,在攤鋪機(jī)具組合和搭配上存在一些不確定性因素,導(dǎo)致路面基層平整度較差。

        3.4 瀝青路面施工厚度動態(tài)調(diào)整

        根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》(JTG F80/1—2017)可計算出K1+500—K2+500 段瀝青路面代表值和合格值偏差分別為0.9cm 和1.8cm,代表厚度值和合格厚度值分別為17.1cm 和16.2cm?;诖碇岛秃细裰岛穸绕钪稻唧w如表2和表3。

        表2 基于代表值厚度的偏差值

        表3 基于合格值厚度的偏差值

        由表2 和表3 可以看出,K1+900—K2+100 段瀝青路面的總厚度均偏厚;所有區(qū)域中,區(qū)域2 的厚度偏差最大,最大偏差值為-4.9cm,最小偏差值為0.6cm。區(qū)域1 厚度偏差值兩極分化,厚度均勻性較差,根據(jù)厚度調(diào)整原則,該段區(qū)域厚度調(diào)整較大,直接導(dǎo)致成本增加。

        以樁號區(qū)域3 為例,對K1+900—K2+100 段中下面層瀝青路面的厚度值進(jìn)行調(diào)整分析,據(jù)此確定該區(qū)域厚度調(diào)整控制值,如表4 所示。

        表4 瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整

        由表4 可以看出,在滿足全域厚度的基礎(chǔ)上,基于代表值和合格值厚度偏差值,可計算出瀝青路面厚度調(diào)整值,進(jìn)而對瀝青路面施工厚度進(jìn)行調(diào)整,保證路面厚度均勻性,確保工程施工質(zhì)量,為瀝青路面耐久性設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。綜合瀝青磨耗層的厚度和經(jīng)濟(jì)性,建議在中下瀝青面層施工過程中采用厚度動態(tài)調(diào)控方法。

        4 結(jié)論

        通過對道路結(jié)構(gòu)厚度無損檢測中高精度探地雷達(dá)的相關(guān)工作原理、數(shù)據(jù)處理及厚度動態(tài)調(diào)整方法的分析,并結(jié)合工程實例,對高精度探地雷達(dá)在道路結(jié)構(gòu)層厚度無損檢測中的應(yīng)用進(jìn)行研究,得出如下結(jié)論:第一,在道路無損檢測中應(yīng)用高精度探地雷達(dá),應(yīng)合理設(shè)置相關(guān)參數(shù),以確保道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。第二,基于高精度探地雷達(dá)檢測的厚度數(shù)據(jù),采用代表值和合格值厚度偏差的瀝青路面厚度控制方法,可實現(xiàn)對瀝青路面施工厚度的動態(tài)調(diào)整,確保瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度的均勻性。第三,在瀝青路面施工過程中,引入高精度探地雷達(dá)技術(shù)對路面厚度進(jìn)行分層實時檢測,有利于施工質(zhì)量的動態(tài)控制與調(diào)整。

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