雷達測試技術在公路工程中的應用現狀

劉志崗+劉志勝

摘 要：為了進一步明確雷達測試在公路工程中的應用現狀，從雷達測試技術的用途入手，對其研究現狀進行文獻調研，從而為后續的推廣應用奠定基礎。結果表明，雷達測試技術已經被應用于公路工程的材料指標檢測、結構穩定性測試、病害無損診斷等方面，但都處于起步階段，各方面的研究還需要不斷完善。運用雷達測試技術可以實現無損檢測，且可方便進行多指標的間接評價，在公路工程中具有較為廣闊的應用前景。

關鍵詞：雷達測試技術；公路工程；路面材料；路面性能

中圖分類號：U414.01 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.158

在公路工程中，運用雷達測試技術的常見設備即探地雷達，它是依據電磁波對地表材料的穿透性能，從路面向下反射某些模式的電磁波，通過接收、分析在地下介質中反射回的電磁波的時延、形狀和頻譜等參數，應用數字圖像的恢復與重建技術，對面層以下的目標進行成像處理，從而實現對監測目標的再現。

在道路工程中，如果應用雷達波技術監測路面性能，可以提供全方位的信息，包括材料的厚度、壓實度、含水率和瀝青混凝土的離析情況等。為了實現對道路不同鋪裝層的快速、高效、無損、持續監測，為實現質量控制和管理提供可靠的技術支持，需要調查雷達檢測的相關情況。

1 路面材料和結構性能的監測

中國地質大學朱培民、郭士禮等人針對瀝青混合料材料復雜、空間分布隨機的特性和淺層近場問題進行了研究，結合實體工程建立了公路工程材料的隨機介質模型，研究了隨機介質模型參數及其與之相關的探地雷達波場變化規律。研究認為，雙相離散隨機介質模型不但能較好地模擬瀝青混凝土的介質結構，估算等效介電常數，還能借助電磁波的傳播特征精確測量相關地質參數，從而為道路工程瀝青混凝土路面的質量監測提供理論依據。此外，相關人員借助理論分析、數值模擬和物理模擬實驗等手段，研究了在地下隱蔽工程中垂直裂縫寬度不斷擴展的情況下，裂縫頂部散射波振幅的變化規律。研究認為：①當裂縫寬度小于第一菲涅爾帶直徑時，用探地雷達圖像無法直接確定裂縫寬度。但是，裂縫頂部散射波振幅會隨著裂縫寬度的變大而增強，特別是當裂縫寬度小于1/2第一菲涅爾帶直徑時，裂縫寬度與裂縫頂部散射波振幅成近似線性關系。②當裂縫寬度約等于第一菲涅爾帶直徑時，振幅達到極大值。③當裂縫寬度超過第一菲涅爾帶直徑后，振幅逐漸衰減，然后趨于一個穩定值。此時，從探地雷達圖像中可以直接識別裂縫寬度。

哈爾濱工業大學譚憶秋、陳鳳晨等人研究了雷達監測技術在道路工程中的適用性，分析了路面雷達監測路面厚度的準確性。依據鉆芯取樣標定了道路結構層厚度檢測過程中的精度，并提出了控制誤差水平的取芯方法。通過檢測實體工程，提出了道路結構病害識別方法，并驗證了其可靠性。研究結果標明，高頻天線探測的深度比較淺，精度比較高，而低頻天線則相反。

鄭州大學王復明等人研究了材料的復合介電特性及其三相體積比的關系，提出了壓實度、空隙率、含水量和瀝青含量等技術指標的檢測和評價思路，并探索了快速檢測瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實度的情況，推導了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實度的計算方法，編制了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實度反演的程序SIDTHK。應用該程序檢測實際路面的厚度，可以有效提高工程檢測的精度。在此過程中，推導了含水率、壓實度的反算公式。含水率的反算公式為：

（1）

壓實度的反算公式為：

（2）

式（1）（2）中：εb、εs為現場測試的基層、基層固體顆粒的介電常數；ws為基層材料密度；Gs為骨料比重；rs常取25.9 kN/m3；w為試樣的含水率。

由此可以看出，對于新鋪瀝青面層，假定沿路線方向瀝青含量不變，且瀝青混合料中不含水，則瀝青混合料的介電常數影響因素主要由固（骨料）、液（瀝青）、氣（空氣）三相比例決定。當瀝青混合料被壓實時，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應增加。瀝青混合料的介電常數與空隙率的關系如圖1所示。至此，確定了瀝青混合料的介電常數與空隙率的關系為：VV=Ae-Bε.

2 無損檢測

湖南大學涂文戈、鄒銀生等人針對雷達波在介質中的傳播特性和衰減特性，建立了雷達信號在混凝土介質中傳播和衰減的數學模型。基于探地雷達的工作機理，他們提出了針對被接收的雷達反射波信號衰減的補償方法，并且給出了相應的衰減補償公式，即：

式（5）中：αi為傳播介質中的衰減因子；T（i）為透射系數。

研究標明，采用這種方法對有裂縫、孔洞和混凝土不密實區域的混凝土構件進行雷達無損檢測，掃描圖像可以較為清晰地顯示混凝土構件深部的病害和缺陷。

3 路基壓實質量和病害監測

鄭州大學張蓓、王海濤等人針對路面雷達應用技術中存在的不足，開展了路基土的介電特性試驗研究。從微觀極化機理分析了土介質電磁特性的基本規律，闡述了土介質極化模型的分類和介質介電特性測量方法，從宏觀和微觀角度研究了路基土的組成成分對路基土介電特性的影響規律。同時，還明確了路基材料干密度、含水量和模量等性能指標與介電特性的關系。

研究認為，在28 d齡期內，土質試件的介電常數逐漸下降，前期降低速度比較快，7 d齡期后衰減趨于平緩，介電常數值開始趨于穩定。同時，路基土的介電特性與壓實指標之間有較好的相關關系，路基土介電常數和含水量回歸方程的相關系數R2都在0.9以上，介電常數和壓實度的相關系數R2都在0.86以上，且回歸方程的極值對應值都在最佳含水量附近。

在山西省吉河高速公路建設期內，山西省交通科學研究院董立山采用地質雷達分析了路面結構的整體特性。研究人員認為，地質雷達可間接、定性評價路基的壓實程度和路基中的空洞病害。

4 結束語

目前，在公路工程中，雷達技術已被應用，但技術尚未成熟。現有研究主要從材料與性能測試、大體積結構無損監測、病害診斷3個方面開展，得出的結論是：①雷達測試波的特性、材料介電常數的變化規律可以間接表征路面材料的壓實度、空隙率、含水量等指標，為道路工程瀝青混凝土路面的質量監測提供理論依據；②在病害區域，可通過測試雷達信號的衰減規律確定大體積結構缺陷的所在位置，并直觀描述線性工程的地下空間分布情況。

參考文獻

[1]劉志勝.剛柔復合式路面瀝青面層動態應變試驗研究[J].重慶交通大學報（自然科學版），2016，35（2）：31-34.

[2]郭士禮.基于隨機介質的高速公路探地雷達檢測理論研究[D].北京：中國地質大學，2013.

[3]陳鳳晨.路面雷達在瀝青路面檢測中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[4]郭成超.路面結構層材料介電特性反演及路面雷達應用[D].鄭州：鄭州大學，2004.

[5]涂文戈，鄒銀生，陳理，等.雷達波在混凝土無損傷檢測中的應用[J].建筑科學與工程學報，2007，24（3）：82-86.

[6]王海濤.路面雷達在路基壓實質量控制中的應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2007.

〔編輯：白潔〕