基于地質雷達檢測技術在公路路面厚度應用

徐建玲

（廣東 江門 529000）

基于地質雷達檢測技術在公路路面厚度應用

徐建玲

（廣東 江門 529000）

文章闡述了地質雷達檢測技術在公路路面厚度的工作原理，對地質雷達檢測產生誤差的原因進行分析，并結合實際工程檢測，說明了地質雷達檢測技術在公路路面厚度的應用是可行的、可靠的。

地質雷達檢測；公路路面厚度；檢測應用

隨著電子技術的突飛猛進以及計算機數字處理技術的應用，地質雷達作為一種無損檢測的手段被物探工作者引入到道路工程特別是路面厚度的檢測中。因其具有高速采樣、高分辨率、高精度、無損、經濟以及連續測量等優點而受到廣大土木工程檢測工作者的青睞。

1 地質雷達檢測技術在公路路面厚度的工作原理

1.1 檢測依據

地質雷達對道路的無損檢測屬于其淺部應用，其探測深度小，中心頻率高，分辨率要求較高，這就要求目標體與周圍介質存在電性差。用R表示波的反射系數，則該系數估算公式為：

其中，ε1、ε2分別為上層介質、下層介質介電常數。

由該式可知，目標體與周圍介質的電性差越明顯，反射系數就越大，反射信號就越強。

現有的道路、高等級公路結構層一般可分為面層、基層以及路基3層。一般面層的厚度為8～26 cm，基層的厚度為10～30 cm，具體的厚度視材料的種類和交通等級而定。目前我國高等級公路一般采用改性瀝青或水泥混凝土等材料修筑面層，一般采用有機結合料穩定碎石、水泥穩定粒料、石灰穩定粒料、石灰土、水泥混凝土、石灰粉煤灰等材料修筑基層。據國內一些物探工作者統計，面層為混凝土時其相對介電常數大約為5～10，為改性瀝青時其相對介電常數大約為3～5，基層和路基的相對介電常數隨其采用的材料不同而不同，一般采用土、礫石、粉煤灰、石灰等介電常數相對較大且濕度較大的材料，其介電常數通常都大于 8。道路的各個結構層介電常數存在明顯的差異，這就為地質雷達檢測路面的厚度提供了地球物理依據。檢測人員可以根據雷達接收端所接收到的波時、波幅、波速以及衰減的程度來確定道路的厚度以及其常見病害。

1.2 檢測原理

地質雷達檢測機理是向地下發射脈沖形式的高頻電磁波，電磁波在地下介質傳播過程中，遇到電性差異的地下目標體，如路面結構的分層等，就會發生反射和散射，反射波到達地面時由接收天線接收，在對接收到的反射波進行處理和分析的基礎上，根據反射波的波形、強度和雙程走時等參數來推斷地下目標體的空間位置、結構、電性和幾何形態，見圖1。

圖1 地質雷達路面檢測示意圖

雷達波在面層的雙程旅行時間為：

當雷達波垂直于界面A入射時，α1≈α2≈0。

其中，h1，h2分別為面層、基層的厚度；V1，V2分別為電磁波在面層、基層的傳播速度。

為了獲得面層、基層的厚度，必須要有波在介質中的傳播速度，才能夠進行時深轉換。電磁波波速對于絕大多數非導電、非磁性介質波速V的近似值為：

式中：C：真空中電磁波的傳播速度，C＝0.3 m/ns；

ε：介電常數。

1.3 地質雷達誤差產生分析

1.3.1 反射信號時間差

要想準確地記錄反射信號時間差，首要的問題是確定計算時間的起點。依據地質雷達的工作原理，可以把探地雷達的反射信號的觸發點看作是物理時間的起點，但是這樣也存在不少問題尚待解決：①強烈的直達波信號和地面反射信號的干擾，使記錄整體面貌變壞，影響增益設置和自動增益的使用；②天線的位置隨著路況的不同而起伏顫動，識別地面反射點的位置要花費大量的精力。

為了提高起始零點的標定精度，地質雷達一般備有自動調零設置，設計用自動軟件將時間起點移到地面反射信號位置。同時，還要輔用一些校正方法。校正的方法是：首先顯示整條波形掃描曲線，在掃描曲線中辨認出直達波和地面反射波，然后將原點時間光標移動到地面反射的位置。

1.3.2 介電常數的標定

介電常數決定介質中電磁波的傳播速度，因此介電常數能否正確標定是能否測定路面厚度的另一個重要因素。標定介電常數的傳統方法主要有數學模型計算、利用鉆芯厚度標定以及反射波波幅推導3種。

（1）數學模型計算。在探地雷達的應用中，檢測人員常常憑借經驗運用線性模型和均方差模型對被測介質的介電常數進行計算，進而進行時深換算，反推路面結構層的厚度。這種運用數學模型計算的誤差較大，誤差可能達到 18.3%～55%。國內有學者對線性模型和均方差模型進行回歸修正以后，發現其誤差可以減少到2%。因此，這種方法能否正確評價路面結構層的介電常數還有待于深入的研究。

（2）利用鉆芯厚度標定介電常數。這種介電常數的標定方法在路面的厚度檢測中被廣泛應用。其原理是探地雷達檢測路面厚度時，檢測人員可以通過電磁波得到兩界面的反射時間差，又輔以鉆芯手段取得路面相同位置的厚度，進一步反推介質的介電常數。然后視路面為均勻材料，全線采用該介電參數值計算厚度。但是由于路面材料在壓實度、含水量和材料的性質等方面的差異，導致介電常數有所變化。因此，這種方法帶來的偶然誤差很難準確評定介質的厚度。從整體的應用效果來看，這種方法測得的路面厚度誤差可以控制在 3%～8%以內，這取決于材料的均勻程度。有時在實際的工程應用中，為了提高介電常數的可靠性，可以增加標定的點數，然后用各個標定點的介電常數的均值作為整段路面結構的介電常數。

（3）由反射波波幅推導介電常數。由電磁波的反射系數估算公式可以得知波的反射系數與介質的介電常數存在一定的數學關系。而反射系數也是反射波幅與入射波幅的比值，即：

式中：A1：反射波的波幅；

A2：入射波的波幅。利用金屬板可以量測到入射波的波幅，再利用反射波量測到反射波的波幅，因空氣的介電常數為 1，可以計算出路面的介電常數。但此種方法也有缺陷，由于天線的抖動、道路的縱坡以及路面材料的不均勻，用此方法測定的介電常數并不能代表整個路面結構層的介電常數。

2 地質雷達在實際工程中的應用

2.1 雷達天線的選擇以及測線的布置

在路面厚度檢測過程中探地雷達天線選取時既要考慮路面檢測深度的要求，又要考慮檢測精度的要求。在本次路面厚度檢測中，由于路面厚度檢測的精度要求較高，同時要求檢測路面的厚度不大，故在選取探地雷達天線時，選用美國勞瑞公司生產的SIR－10H型探地雷達系統1，0GHz空氣耦合天線，采樣時窗大小設為15 ns，采用自動增益大小來進行檢測，達到本次檢測的目的。同時根據檢測需要，在道路路面上布置縱向測線，以檢測道路路面在縱向面層上的厚度情況。

2.2 資料的分析

被檢測的公路里程為 K2＋000～K7＋000，在測線上布置10個點作為鉆芯取樣驗證之用，并用第一個孔的鉆芯厚度及波的傳播時間標定波的傳播速度。

可以看出，鉆芯厚度與雷達測定厚度的絕對誤差最大為0.4 cm，最大的單點誤差為 4.57%，滿足我國《公路工程質量檢驗評定標準》相關的規定。同時對芯樣的厚度和雷達測定的厚度進行相關性分析，經過計算可以得到鉆芯厚度和雷達測定厚度的相關線性方程：

其相關系數：r＝0.91＞0.798，這說明它們兩者有著很好的相關性。

3 結束語

地質雷達由于具有無損、高精度、高分辨率以及低成本等優越性，其應用已滲透到道路施工和檢測維修的全過程，應該充分利用現有的雷達檢測技術，及時發現道路中的潛在問題，盡早維護，做到防微杜漸，防患于未然。

1 李志強.地質雷達檢測瀝青路面厚度誤差分析及校核方法［J］.公路交通科技（應用技術版），2009（02）

2 字陳波.運用地質雷達檢測水電工程混凝土厚度及澆筑質量［J］.云南水力發電，2008（05）

3 吳 彬、李遠強、黃來源、李軍輝.隧道襯砌質量地質雷達檢測研究［J］.城市地質，2008（02）

Geological Radar Detection Technique’s Application in the Road Surface Thickness

Xu Jianling

This paper describes the geological radar detection technique’s working principles in the road surface thickness, analyzes the errors causes of the geological radar detection, combined with practical engineering detection, indicates that geological radar detection technique’s application in road surface thickness is feasible and reliable.

geological radar detection; road surface thickness; inspection application

P225.1

A

1000－8136（2011）03－0150－02