探地雷達(dá)在道路工程中的應(yīng)用研究

劉 勇

自從1988年我國(guó)第一條高速公路滬嘉高速建成通車以來(lái),我國(guó)的公路事業(yè)進(jìn)入了以建設(shè)高等級(jí)公路為主的新時(shí)代,但目前,我國(guó)公路工程檢測(cè)技術(shù)還停留在世界發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代初期或中期水平,檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法原始、落后,不能很好的對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行全面、快速、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。許多費(fèi)用高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,甚至對(duì)工程有破壞性的檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法仍在繼續(xù)使用,傳統(tǒng)的公路路基路面檢測(cè)設(shè)備相對(duì)落后,現(xiàn)行的傳統(tǒng)路面性能評(píng)價(jià)方法已不能滿足日益繁忙的交通需要,為此亟需發(fā)展快速、簡(jiǎn)便、有效的公路無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù),探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)即是在此背景下逐漸發(fā)展起來(lái)的新型檢測(cè)技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

在國(guó)際方面:1910年,德國(guó)專家用偶極天線探測(cè)地下相對(duì)高導(dǎo)電性質(zhì)的區(qū)域,正式提出了探地雷達(dá)概念。Hulsenbeck在1926年第一個(gè)提出應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路,他指出,介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生電磁波反射。20世紀(jì)70年代后,探地雷達(dá)的應(yīng)用從冰層、鹽礦等弱耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、煤層、巖層等有耗介質(zhì)。80年代末期,美國(guó)率先開始將雷達(dá)技術(shù)移植于路基路面物理力學(xué)指標(biāo)的無(wú)破損檢測(cè),并于1994年制造出第一臺(tái)公路型探地雷達(dá)(簡(jiǎn)稱路用雷達(dá))。近年來(lái),美國(guó)勞雷工業(yè)公司在SIR-10H地質(zhì)雷達(dá)的基礎(chǔ)上,不斷推出多道、寬頻、高速、高分辨、深穿透、多天線、多功能的地質(zhì)雷達(dá)家族,廣泛應(yīng)用于路基、路面厚度和橋梁破損檢測(cè)。

在國(guó)內(nèi)方面:地質(zhì)雷達(dá)一誕生,我國(guó)即開始了引進(jìn),但發(fā)展緩慢,直至1997年3月在南京召開了“地質(zhì)雷達(dá)公路檢測(cè)專項(xiàng)技術(shù)研討會(huì)”之后,該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)才受到一定的重視,先后有遼寧、河南、河北、廣西、吉林等11個(gè)省市引進(jìn)路用雷達(dá)并實(shí)際應(yīng)用于公路建設(shè)之中,尤要提出的是鄭州大學(xué)在路用雷達(dá)的應(yīng)用、信號(hào)處理、檢測(cè)路面含水量、空隙率和壓實(shí)度的應(yīng)用研究以及路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性試驗(yàn)研究、層狀體系介電特性反演及其工程應(yīng)用等方面做了大量的工作,并取得了一系列相應(yīng)的研究成果。但總的說(shuō)來(lái),由于國(guó)內(nèi)整體起步較晚,研究工作多還處于初級(jí)階段,很多技術(shù)還很不成熟和完善,亟待系統(tǒng)地研究。

2 探地雷達(dá)的組成及工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。設(shè)備主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)和終端設(shè)備等組成。它是探測(cè)地表下結(jié)構(gòu)和埋設(shè)物的新型無(wú)損探測(cè)儀器,即利用電磁波對(duì)地表的穿透能力,從地表上向地下發(fā)射某種形式的電磁波,電磁波在地下介質(zhì)特性變化的界面上發(fā)生反射,通過(guò)接收反射回波信號(hào),根據(jù)其時(shí)延、形狀及頻譜特性等參數(shù),解譯出目標(biāo)深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)字圖像的恢復(fù)與重建技術(shù),對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行成像處理,以期達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)真實(shí)和直觀的再現(xiàn)。

該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)速度快:公路探測(cè)雷達(dá)具有非常高的掃描速率,可實(shí)現(xiàn)高速行駛,不斷流密點(diǎn)測(cè)量鋪設(shè)層厚度;2)精度高:據(jù)資料統(tǒng)計(jì),地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路面厚度的檢測(cè)誤差在5 mm左右;3)應(yīng)用范圍廣:地質(zhì)雷達(dá)可用于公路建設(shè)的全過(guò)程;4)無(wú)破損:與鉆芯取樣比較,路面雷達(dá)的檢測(cè)對(duì)路面不造成破損;5)操作簡(jiǎn)便:自動(dòng)檢測(cè)軟件具有極強(qiáng)的層面追蹤、層厚檢測(cè)功能。

3 道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部病害識(shí)別研究

3.1 結(jié)構(gòu)層內(nèi)部病害主要表現(xiàn)形式

主要有三種:1)層間脫空:面層與基層表面之間出現(xiàn)空隙,這主要是兩個(gè)層面之間施工時(shí)粘合不好或是透水性設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的。比如:有許多鉆孔資料顯示,在脫空部位常常存在1 mm～2 mm的灰土層,這是由于施工期間清理不完善所造成的;另外,如果基層透水性較好,則很容易在層間形成充氣脫空;如果基層透水性不好就很可能會(huì)使面層與基層之間形成充水脫空。2)層內(nèi)蜂窩:這主要是在施工時(shí)由于壓實(shí)度不夠造成的。若是滲入了水則會(huì)形成層內(nèi)富水區(qū)。3)地基基礎(chǔ)變形:主要會(huì)引起瀝青面層發(fā)生裂隙、脫空甚至塌陷等現(xiàn)象。由此可以看出,結(jié)構(gòu)層病害的表現(xiàn)千差萬(wàn)別,但具體原因主要是由于空氣或水的進(jìn)入而造成的,這便成了我們應(yīng)用路面雷達(dá)進(jìn)行病害檢測(cè)的前提。

3.2 雷達(dá)病害識(shí)別的原理與方法

反射電磁波相位如何改變,直接取決于地層分界面的物性變化,當(dāng)反射系數(shù)R的符號(hào)為負(fù)時(shí),說(shuō)明上層的波阻抗要大于下層的波阻抗,反射電磁波的相位將同入射電磁波的相位反向。反之亦然。這樣,若是在正常的道路結(jié)構(gòu)中加入了水、空氣或其他介質(zhì),則可以根據(jù)反射電磁波在不同地層中其強(qiáng)度被衰減的程度和相位的變化,相對(duì)定性地推斷目標(biāo)物的性質(zhì)和變化。根據(jù)式(1)計(jì)算得知,脫空層的存在將使得反射系數(shù)增大2倍～3倍,所以來(lái)自面層的底界面的反射強(qiáng)度將大大增加,使得成功探測(cè)病害成為可能。

4 工程實(shí)例分析

在亮度均勻區(qū)出現(xiàn)高暗區(qū),說(shuō)明此處的介電常數(shù)相差較大。由此可見(jiàn)A處有一明顯的裂隙,層間存在小塊脫空異常,如不及時(shí)發(fā)現(xiàn),就會(huì)有形成較大范圍層間脫空的可能;B與C處是兩處明顯的脫空異常,經(jīng)鉆孔取芯驗(yàn)證,均發(fā)現(xiàn)了脫空。從圖1 54 m處(正常情況)的單道波形分析中可見(jiàn),D指的位置無(wú)明顯反射信號(hào),而從56 m處(脫空)的單道波形中可以清晰地看出,在E所指的地方與D相應(yīng)的地方出現(xiàn)了明顯的波形相位及幅值變化,呈強(qiáng)負(fù)相反射異常,說(shuō)明此處有充水脫空情形,這與脫空產(chǎn)生時(shí)應(yīng)有的異常特征是完全對(duì)應(yīng)的。

在地下深0.3 m～0.6 m處,產(chǎn)生了持續(xù)30 m長(zhǎng)的高亮區(qū),由于其同軸的上下錯(cuò)位,病害周圍產(chǎn)生較多無(wú)規(guī)律的雜波,所以判斷其為疏松;而在940 m處左右,有一縱向嚴(yán)重錯(cuò)位,但其長(zhǎng)度較短,判斷其為裂隙,后經(jīng)實(shí)地取芯驗(yàn)證,推測(cè)正確。結(jié)構(gòu)層疏松裂隙雷達(dá)圖見(jiàn)圖2。

探地雷達(dá)(GPR)結(jié)合介電常數(shù)測(cè)試瀝青混合料的空隙率和瀝青層的剝落情況,根據(jù)所測(cè)空隙率可進(jìn)行壓實(shí)度控制和含水量評(píng)價(jià),指導(dǎo)道路管理部門的養(yǎng)護(hù)與維修。將瀝青混合料壓實(shí)時(shí),瀝青混合料中空氣含量減少,假定瀝青含量不變則瀝青和礦料的含量增加,導(dǎo)致瀝青混合料的復(fù)合介電常數(shù)增加。近年來(lái),在芬蘭開展了大量的室內(nèi)壓實(shí)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn),得到瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系如圖3所示,則根據(jù)瀝青混合料的復(fù)合介電常數(shù)便可直接確定瀝青混合料的空隙率。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證,作為先進(jìn)的路面無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)具有快捷、無(wú)損、精度高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)層的厚度檢測(cè)、脫空識(shí)別、壓實(shí)度測(cè)定、含水量測(cè)定、空隙率等測(cè)定,為道路施工質(zhì)量監(jiān)控及養(yǎng)護(hù)決策提供了科學(xué)、高效的檢測(cè)手段。探地雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步研究與完善具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景,對(duì)保證工程質(zhì)量和我國(guó)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

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