探地雷達技術在公路工程的應用與研究

劉 苗 苗

(山西路橋第二工程有限責任公司，山西 臨汾 041000)

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探地雷達技術在公路工程的應用與研究

劉 苗 苗

(山西路橋第二工程有限責任公司，山西 臨汾 041000)

闡述了探地雷達技術的工作原理，介紹了探地雷達天線頻率的選擇方式，并結合公路工程質量檢測實例，探討了雷達技術在路橋質量檢測中的應用，指出該技術具有快速、準確、測量結果直觀的優點，應用前景廣闊。

探地雷達，結構層厚度，水穩層，鋼拱架，鋼筋，雷達檢測

0 引言

近年來我省公路建設在蓬勃發展，日新月異。同時公路工程質量檢測成為備受關注的課題。公路常見病害有路基土層不完整、路基土層存在空洞、水穩層破碎或不連續、各結構層厚度不均等。

探地雷達是近年發展起來的一種先進而新型的高頻電磁波無損檢測技術，正在廣泛應用于道路、隧道、堤壩的質量檢測與地質災害調查，包括塌方位置、襯砌脫空現象、路基填筑分層、鋼筋數量與分布及其保護層厚度、市政地下管線等多項內容。

因多數材料對介電特性更為敏感，探地雷達檢測方法與其他無損檢測方法相比，具有快速、準確、測量結果直觀、抗干擾能力強和分辨率高等獨特的優勢。

大量工程檢測實例[1-6]證明，探地雷達對路橋工程質量檢測在理論和實踐上具有較高的可行性和可靠性，并已取得良好的經濟效益和社會效益。推廣探地雷達在公路工程中的應用，對我省交通事業的長遠發展具有重要意義。

1 探地雷達基本工作原理

探地雷達主要由主機、電纜線、天線及數據處理軟件包組成，是一種基于電磁波脈沖波傳播原理的廣譜電磁技術，進而對地下或物體內部不可見的目標或界面進行定位。通過發射天線向介質發射寬頻帶短脈沖電磁(300 MHz～300 GHz)，電磁波在介質中沿各方向傳播中遇到介電常數不同的分界面時會發生反射、透射和繞射現象[7，8]，由接收天線接收并記錄其回波信號，如圖1所示。再經計算機和專業軟件處理后形成雷達圖像，其波形的正負峰分別以黑、白或者以灰階、彩色表示。根據接收到電磁波的波形、振幅強度、雙程旅時、相位等信息特征可推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。

其基本參數為：

脈沖的雙程旅時t為：

(1)

雷達波傳播速度V為：

(2)

雷達探測以位移電流為主，傳導電流可以忽略，其反射系數為:

(3)

其中,z為發射、接收天線的距離(H?z，故z可忽略);C為電磁波在空氣中的傳播速度(C≈0.3 m/ns);εr，ε1，ε2為各介質的相對介電常數;μ1，μ2為各介質的磁導率。

由式(1)～式(3)可知，因各介質(水、空氣、混凝土及鋼筋等)相對介電常數的差異，當電磁波到達界面處會產生較為強烈的反射回波信號，從而目標體的內部結構進行準確描述。

2 探地雷達天線頻率選擇

意大利IDS公司生產的RIS探地雷達配備有80 MHz，600 MHz，1 600 MHz單天線及HIRES天線陣和GRED/IN/ROAD軟件。頻率高的天線發射雷達波主頻高，穿透距離小；反之，低頻天線發射雷達波主頻低,分辨率低,穿透距離大[9]。路基、路面或其他結構相當于一個復雜的濾波器，因對電磁波的吸收程度不同及其不均勻性對電磁波的影響，使得到達接收天線的脈沖波振幅減小，加之各種隨機噪聲和干擾，導致實測數據失真[10]。而通常情況下簡易、高等級、機場跑道的路面厚度分別為10 cm～20 cm，20 cm～30 cm，40 cm。故在檢測中需根據檢測目標體深度及其最小尺寸與場地需要等選擇合理的天線中心頻率,以取得最佳效果。

3 探地雷達應用研究

3.1 各結構層厚度檢測

采用600 MHz天線對某新建公路各結構層厚度進行檢測。由于面層、水穩層(二灰結石)及填土等材料的介電常數與電阻率差異明顯，且附近及周圍無工業游散電流等干擾場源，再者公路表面平整,能夠使得發射、接收系統與路面接觸部分耦合良好,具備探地雷達檢測的地球物理前提。試驗結果表明,各層位間的界面探地雷達灰度圖像上反映清晰，如圖2所示的白色界線，可見該公路各結構層厚度基本均勻。經分析得出面層與水穩層的平均厚度為25.5 cm和40.4 cm，基本符合設計要求；又經與抽芯取樣標本實際量測厚度對比，誤差小于1 cm，符合有關規范要求。同時檢測出填方段下有少量管道鋪設，如圖2中的圓圈表示。

3.2 水穩層破碎與路基填土檢測

采用600 MHz～1 600 MHz天線陣對路基水穩層及填土進行檢測，可見該公路個別路段存在水穩層破碎(約40 cm處)或路基填土不完整的現象(約90 cm處)，具體的檢測統計結果見表1。水穩層完好或路基土層連接性完整的雷達圖像為同向軸連續性和一致性較好，擾動較少；反之，則其同向軸錯亂或錯斷，波形混亂。同時波組雜亂與水穩層破碎或填土不完整程度直接相關，其中K106+820～K106+700段較前三段更為嚴重。而K106+920～K106+860段波組同向軸錯亂之外向下傾斜，說明水穩層有下降的趨勢。

表1 水穩層破碎與路基填土檢測結果統計表

里程存在問題K93+40～K92+930路基土層連接性不完整K93+760～K93+580水穩層混凝土不密實K106+920～K106+860水穩層破碎且有下沉趨勢K106+820～K106+700水穩層破碎,路基土層含水且連接不完整

3.3 水隧道初砌鋼拱架與鋼筋檢測

采用600 MHz及1 500 MHz天線對該公路隧道初砌進行檢測，判斷其鋼拱架及鋼筋位置及其間距。從圖3，圖4明顯可見，該隧道素混凝土鋼拱架位于埋深約80 cm處，因鋼構件較多而弧線重疊較多。鋼筋埋深則不等，范圍在20 cm～60 cm處。鋼拱架及鋼筋的雷達灰度圖為開口向下的拋物線，其定點即為位置，如圖中圓圈所示。

4 結語

1)根據目標體深度選擇合適的天線頻率，雷達技術可以直觀地確定公路缺陷及病害的位置特點和分布情況，測試效率和精度較高。

2)水穩層破碎或路基填土連接不完整在雷達采集圖像上均表現為同向軸不連續，錯斷紊亂；而鋼拱架或鋼筋則為開口向下的雙曲線弧，曲線頂點即為其位置。

3)探地雷達對檢測公路隧道的內部狀態是可行有效的方法，具有快速無損、連續檢測、檢測結果直觀的優點，在公路工程檢測中具有廣闊的應用前景。

[1] 孫 軍，應后強，王國群.探地雷達在公路檢測中的應用[J].公路，2001，3(3):59-61.

[2] 胡 平，肖 都，方 慧.高頻探地雷達技術在香港工程質量檢測中的應用[J].物探與化探，2004,28(4):361-364.

[3] 葛雙成，江 影，顏學軍.綜合物探技術在堤壩隱患探測中的應用[J].地球物理學進展，2006,21(1):263-272.

[4] 楊艷青，賀少輝，齊法琳，等.鐵路隧道初砌地質雷達非接觸檢測模擬試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(9):1761-1771.

[5] Damian Beben,Arkadiusz Mordak,Wojciech Anigacz.Identification of viaduct beam parameters using the ground penetrating radar(GPR)technique[J].NDT&E International，2012(49):18-26.

[6] Vincenzo Barrilea,Raffaele Pucinotti. Application of radar technology to reinforced concrete structures: a case study[J].NDT&E International，2005(38)：596-604.

[7] 潘海結，黃福偉.探地雷達在橋梁預應力管道定位檢測中的應用[J].華東交通大學學報，2012，29(1):67-70.

[8] 魏宇偉，劉 立，金 昊，等.地質雷達在米亞羅隧道超前地質預報中的應用[J].西華大學學報(自然科學版),2011,30(6):108-112.

[9] 曾昭發，劉四新，馮 暄.探地雷達原理與應用[M].北京:電子工業出版社，2010.

[10] 周黎明，王法剛.地質雷達法檢測隧道襯砌混凝土質量[J].巖土工程界，2003，6(3):74-76.

Application and study on ground penetrating radar technology in highway engineering

Liu Miaomiao

(ShanxiRoad&BridgeSecondEngineeringCo.,Ltd,Linfen041000,China)

The paper describes the working principles of GPR technology, introduces GPR antenna frequency selecting methods, explores the application of GPR technology in highway bridge quality detection by combining with highway engineering quality detection example, and finally points out that its advantages, such as fast, accurate and obvious measurement results. Therefore, it has wide application prospect.

Ground Penetrating Radar(GPR), structural layer thickness, water stabilized layer, steel truss, steel reinforcement, radar detection

1009-6825(2016)05-0170-02

2015-12-09

劉苗苗(1986- )，女，助理工程師

P631

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