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。