探地雷達在混凝土路面檢測中的應用

黃 蓉

1 工程背景

貴陽市東北繞城公路為高等級一級公路，左右幅路基寬度共22.5m，該路線采用普通水泥混凝土路面結構形式，路面結構層的設計為:25 cm厚水泥混凝土面層、20 cm厚水泥穩定碎石基層、20 cm厚填隙碎石底基層。于 1998年建成通車。2007年 3月，為了在混凝土路面加鋪改造前確定原有混凝土路面的實際厚度，并判斷該混凝土路面下存在的脫空、欠密實、充水等病害的程度及區域，養護單位邀請檢測單位采用探地雷達對 6 km長的試驗路段進行快速檢測。試驗路段樁號為 K 3+000～K9+000。通過雷達快速檢測的結果對各種不同情況的水泥混凝土路面給出不同的處理方案。表 1為部分雷達掃描成果表。

2 雷達工作原理

探地雷達(亦稱地質雷達)是近年來廣泛應用于工程檢測方面的一種物探儀器。它相對于其他物探儀器具有精度高、影像直觀、檢測效率高、現場工作靈活、方便等優點。目前，在淺層、超淺層工程檢測中廣為應用。工作過程中，由雷達信號發生器產生固定頻率的電磁波，通過雷達主控制器對信號脈沖寬度、相位、衰減度、指數增益等一系列技術參數進行調諧調頻，并進行信號樣點數字化、信號迭加處理，然后由主控器通過信號高保真電纜和屏蔽天線將信號以 60°的方向角向混凝土內發射，電磁波遇到有電性差異的層面后即發生反射，被天線再次接收，并原路返回到雷達的信號接收處理器內，經簡單處理后的雷達信號分兩路傳送:一路直接傳送給雷達顯示器，通過“四色原理”將雷達信號以彩色形式直接顯示在視頻顯示器上，其顯示速度與天線運行速度保持同步;另一路進入數據存儲器中，內存將所有技術參數連同雷達信號資料進行保存，以便進行回放和更深一步的處理。所有雷達的專業處理、反演解釋軟件均可安裝在通用計算機上來完成，雷達主控器、內存可直接與通用計算機進行數據通訊，將雷達數據傳到計算機中進行更高級的處理和解釋。本次檢測使用的地質雷達為美國GSSI地球物理公司研制生產的SIR-20型高速地質雷達儀，選用天線為 900MHz天線。數據處理和反演解釋使用儀器生產廠家與美國加州大學聯合研制的RADAN6.0版雷達處理軟件。

2.1 雷達檢測混凝土厚度的原理

表1 部分雷達掃描成果

2.2 雷達檢測混凝土缺陷的原理

根據電磁波理論，當電磁波穿過層狀介質時，由于上下介質的電磁特性不同將產生折射和反射(見圖 1)。

電磁波在介質介面的折射和反射特征由折射系數 T和反射系數R表示，由于混凝土為非磁性介質，當電磁波垂直入射(即入射角 θ=0)時，可有下式:

其中，ε上，ε下分別為上、下層介質的介電常數。

由此可知:1)對于非磁性介質，電磁波的反射特性與介質的介電常數有關，根據反射系數R及電磁波在介質頂底面之間的反射時間差，就可以求出介質層的厚度，以此類推可求出電磁波穿過的每一層介質的層厚。2)若水泥面板和基層相接觸，由于一般混凝土的介電常數為 6～9，基層的介電常數為 6～15，則反射系數R為 +0.101～-0.225。3)若水泥面板和基層間存在脫空時，則水泥面板底會與脫空層相接觸:a.當脫空層充水時，由于水的介電常數為 81，則有反射系數 R為 -0.5～-0.572;b.當脫空層為空氣時，由于空氣的介電常數為 1，則有反射系數 R為 +0.5～+0.420。

現場檢測時，探地雷達每發射 1次脈沖，就接收到 1串反射訊號，稱為時間系列或掃描記錄。隨著天線在路面前進方向平行移動，得到無數掃描記錄(大約 100掃/m)，最終合成完整的地下透視圖像。通過在測試小推車上配設測距輪，就可以精確地得知探地雷達測試信號結果所對應的路面坐標信息。

3 應用成果

1)利用探地雷達分析軟件自動追蹤解釋構造剖面，并進行鉆孔結果驗證:混凝土路面厚度為 29 cm，水泥穩定碎石基層及填隙碎石底基層厚各約 20 cm，水泥穩定碎石基層已產生破壞，取不出完整芯樣。鉆孔驗證結果與雷達資料解釋基本吻合。

2)對路面基層、底基層損毀病害路段進行探地雷達檢測，結果顯示:該段落混凝土路面厚度約 25 cm，深度 30 cm～60 cm范圍基層、底基層損毀。后鉆孔驗證發現:混凝土路面厚度為24.9 cm;設計為 20 cm厚的水泥穩定碎石基層取不出完整芯樣;鉆芯完成 2 d后觀察，60 cm鉆孔深度中，地下水已上升到高度為30 cm處。

3)利用探地雷達檢測對混凝土面板下脫空的路段進行探地雷達檢測，結果顯示:該段落混凝土面板厚度約 20 cm，面板與基層間存在脫空層，深度30 cm～50 cm范圍基層、底基層損毀。后鉆孔驗證發現:混凝土路面厚度為 19 cm;設計為 20 cm厚的水泥穩定碎石基層取不出完整芯樣;鉆芯完成 2 d后觀察，60 cm鉆孔深度中，地下水已上升到混凝土面板底部。

4 檢測效率

本次所檢測的 6 km試驗路段，單幅布置了 4條縱向測線，相鄰測線間距約 2m，探地雷達現場檢測左右幅共計測線長度為48 km，花兩個工作日;鉆孔驗證花兩個工作日;資料解釋花兩個工作日;一周內就向委托單位提交了檢測成果報告。

5 結語

作為一種無損、科學的檢測辦法，“探地雷達法”具有下列幾個方面的優勢:

1)檢測速度快;

2)能確定路面混凝土面板及基層、底基層的厚度;

3)能確定脫空板的位置及脫空量的多少;

4)能判斷路面混凝土面板下的地下水狀況;

5)能判斷路面混凝土面板下基層、底基層的損毀位置及程度。

因此，在對混凝土路面進行大規模的養護、改造前，先進行“普查”，及時掌握混凝土面板下的支撐狀況，從而為“有的放矢”地進行路面的養護、維修提供快速、準確的依據，“探地雷達法”在高速公路建成運營后的養護過程中，必將得到日益廣泛的運用。

[1] JTJ 059-95，公路路基路面現場測試規程[S].

[2] JTG D 40-2002，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[3] 曾凡奇，王復明，王曉冉，等.公路工程現場檢測新技術[M].北京:人民交通出版社，2009.

[4] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社，1994.