空氣耦合雷達(dá)在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用

蘭云松，楊鳳雷

(天津市交通科學(xué)研究院，天津 300300)

空氣耦合雷達(dá)在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用

蘭云松，楊鳳雷

(天津市交通科學(xué)研究院，天津 300300)

針對(duì)一些大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程瀝青混凝土鋪裝施工中出現(xiàn)的厚度檢測(cè)問(wèn)題，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)瀝青混凝土鋪裝層進(jìn)行厚度檢測(cè)，采用同型試塊進(jìn)行波速標(biāo)定，避免了直接在橋面上鉆芯的問(wèn)題，提出了鋼橋面瀝青混凝土鋪裝質(zhì)量的評(píng)定指標(biāo)、評(píng)價(jià)路段長(zhǎng)度及采樣頻率的建議。

空氣耦合雷達(dá)；鋼橋面；瀝青混凝土鋪裝；厚度檢測(cè)及評(píng)定方法

1 雷達(dá)檢測(cè)的基本原理

雷達(dá)檢測(cè)是一種利用發(fā)射天線(xiàn)將高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式傳入地下，被地下介質(zhì)反射，然后由接收天線(xiàn)接收探測(cè)目標(biāo)物體及下覆介質(zhì)分布形態(tài)的一種無(wú)損檢測(cè)方法。介電差異是雷達(dá)檢測(cè)路面的先決條件，高頻短脈沖雷達(dá)波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)介電常數(shù)或介質(zhì)幾何形狀的變化導(dǎo)致回波相位及能量、波形發(fā)生改變。雷達(dá)波時(shí)深剖面圖是將接收的連續(xù)反射波壓縮成一條直線(xiàn)后用顏色表達(dá)的成像方式，可以直觀地顯示地下反射界面的形態(tài)及深度變化情況。通過(guò)雷達(dá)處理軟件自動(dòng)識(shí)別面層分界線(xiàn)并讀取雷達(dá)波的雙程走時(shí)t，利用介電常數(shù)計(jì)算雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播速度v，根據(jù)h=v×t即可得到結(jié)構(gòu)層厚度。

2 鋼橋面瀝青鋪裝

2.1 鋼橋面瀝青鋪裝的特點(diǎn)

橋面鋪裝是鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其使用要求和條件都遠(yuǎn)高于路面。瀝青混凝土鋪裝具有質(zhì)量輕、變形適應(yīng)性好、防水性好、容易修復(fù)等特性，已成為大跨徑鋼橋橋面鋪裝的首選材料。同時(shí)，鋼橋面瀝青鋪裝也存在瀝青混凝土層薄、散熱快，鋼板與瀝青混凝土粘結(jié)性差，攤鋪的瀝青鋪裝層容易出現(xiàn)空鼓等問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)測(cè)關(guān)鍵性項(xiàng)目中的厚度和壓實(shí)度不易控制，工后使用過(guò)程中橋面過(guò)早地出現(xiàn)損壞。

2.2 鋼橋面瀝青鋪裝層技術(shù)要求

瀝青混凝土鋪裝層應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度與剛度,有效抵抗和分散車(chē)輛荷載；較高的溫度穩(wěn)定性,以抵抗極端高溫與重載交通綜合作用下過(guò)大的永久變形；良好的變形追從性，適應(yīng)鋼板變形，保證鋪裝層與鋼板的整體協(xié)同工作；良好的防水性能，保證鋼板不被侵蝕，這些技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)都以嚴(yán)控鋪裝層厚度為前提。

3 空氣耦合式雷達(dá)厚度檢測(cè)

3.1 波速標(biāo)定方法

芯樣標(biāo)定法簡(jiǎn)單精確，在眾多的波速標(biāo)定方法中較為常用，但是直接鉆芯對(duì)瀝青鋪裝層的整體性和防水性具有很大破壞，造成后期鋼板腐蝕。另外由于防水粘結(jié)層的存在，獲得的芯樣底面往往參差不齊，很難量取準(zhǔn)確的芯樣厚度。因此，檢測(cè)中設(shè)法采用與施工現(xiàn)場(chǎng)相同條件下制作的試塊對(duì)波速進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)與試塊的相對(duì)位置關(guān)系分為動(dòng)態(tài)標(biāo)定和靜態(tài)標(biāo)定。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定：將試塊放置在平整的地面上，雷達(dá)測(cè)試車(chē)以正常速度前進(jìn)，使雷達(dá)天線(xiàn)從試塊中心掃過(guò)。試塊的大小決定了我們只能獲得有限長(zhǎng)度的雷達(dá)圖像，后期雷達(dá)圖形處理中標(biāo)定點(diǎn)位的選取具有一定的隨機(jī)性。動(dòng)態(tài)標(biāo)定能夠準(zhǔn)確模擬車(chē)輛行駛過(guò)程中雷達(dá)天線(xiàn)的震動(dòng)情況。

靜態(tài)標(biāo)定：將試塊放置在平整的地面上，雷達(dá)測(cè)試車(chē)靜止，雷達(dá)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)試塊中心，以自動(dòng)疊加方式獲得連續(xù)平穩(wěn)的雷達(dá)圖像，后期層位識(shí)別比較方便。

受橋梁恒載的限制，鋼橋面鋪裝層一般不超過(guò)8 cm，雷達(dá)波雙程走時(shí)約為1.25 ns，經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種標(biāo)定方法對(duì)結(jié)果影響很小，考慮到動(dòng)態(tài)標(biāo)定過(guò)程較復(fù)雜，雷達(dá)圖像太短且局部起伏引起的誤差較大，波速標(biāo)定宜采用靜態(tài)標(biāo)定法。

3.2 鋪裝層厚度檢測(cè)結(jié)果評(píng)定方法

(1)評(píng)定指標(biāo)的確定

雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速獲得大量的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得到的評(píng)價(jià)值包括:平均厚度、厚度代表值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小厚度、變異系數(shù)、厚度極值的百分比。參考路面厚度試驗(yàn)檢測(cè)及評(píng)定方法，鋼橋面瀝青鋪裝層厚度檢測(cè)結(jié)果應(yīng)以每條測(cè)線(xiàn)為單元給出該測(cè)線(xiàn)的平均厚度值、均方差、厚度代表值，以系統(tǒng)全面的反映鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層的施工質(zhì)量。

(2)評(píng)價(jià)路段長(zhǎng)度及采樣頻率的確定

表1 代表值相對(duì)于平均值產(chǎn)生1 mm偏差對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差S′

通過(guò)薊汕高速橋面底面層鋪裝厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，累計(jì)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為4 km時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)大于450后，標(biāo)準(zhǔn)差S4趨于穩(wěn)定，此時(shí)采樣點(diǎn)間距為8.9 m。累計(jì)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為3 km時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)大于300后，標(biāo)準(zhǔn)差S3趨于穩(wěn)定，此時(shí)采樣點(diǎn)間距為10 m。累計(jì)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為2 km時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)大于200后，標(biāo)準(zhǔn)差S2趨于穩(wěn)定，此時(shí)采樣點(diǎn)間距為10 m。累計(jì)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為1 km時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)大于120后，標(biāo)準(zhǔn)差S1趨于穩(wěn)定，此時(shí)采樣點(diǎn)間距為8.3 m。且存在如下關(guān)系：S4

因此，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，小范圍的問(wèn)題會(huì)被掩蓋。為了能夠較全面、真實(shí)地反映路面厚度的變化情況,測(cè)線(xiàn)的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。建議每條測(cè)線(xiàn)采樣點(diǎn)數(shù)不少于450點(diǎn)(不同于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采樣頻率，實(shí)際采樣頻率可能遠(yuǎn)大于該值)，采樣間距最大不超過(guò)8 m，以同時(shí)滿(mǎn)足代表值精確度和較高的保證率。

圖1 與n的關(guān)系

圖2 標(biāo)準(zhǔn)差和采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系

3.3 工程實(shí)例

某高速公路跨河大橋設(shè)計(jì)為鋼箱梁橋，總跨徑250 m，單幅橋?qū)?7 m，鋪裝層采用3.5 cm環(huán)氧瀝青混凝土表面層+3.0 cm高彈改性瀝青混凝土底面層。橋面鋪裝層縱向分幅攤鋪，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)縱向施工縫處鋪裝層厚度進(jìn)行測(cè)量。

養(yǎng)護(hù)完成后，使用IDS空氣耦合雷達(dá)系對(duì)底面層厚度進(jìn)行檢測(cè)，為了獲得足夠分辨率的雷達(dá)圖像，天線(xiàn)中心頻率2.5 GHz，視窗深度設(shè)置為10 ns，采樣點(diǎn)數(shù)500點(diǎn)，采樣間距0.5 m。測(cè)線(xiàn)布置于縱向施工縫和每條車(chē)道中線(xiàn)處。雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)縱向施工縫處厚度測(cè)量記錄進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)總體吻合良好。最終結(jié)果以平均厚度值、均方差、厚度代表值進(jìn)行綜合評(píng)定。

4 結(jié) 論

雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)作為公路工程施工質(zhì)量監(jiān)控的重要手段，能夠無(wú)損、精確、高效地完成鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測(cè)工作。檢測(cè)中雷達(dá)波速可以采用靜態(tài)標(biāo)定方法對(duì)預(yù)制的試塊進(jìn)行標(biāo)定，避免了在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層上鉆芯取樣，真正做到無(wú)損檢測(cè)。鋪裝層厚度檢測(cè)結(jié)果應(yīng)以每條測(cè)線(xiàn)為單元，采用平均厚度值、均方差、厚度代表值對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，建議每條測(cè)線(xiàn)采樣點(diǎn)數(shù)不少于450點(diǎn)，采樣間距最大不超過(guò)8 m。

[1] 中華人民共和國(guó)交通部．JTG F8/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].人民交通出版社，2004.

[2] 趙璐璐. 探地雷達(dá)在道路質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2009.

[3] 高福春，吳軍，白利波．路面雷達(dá)在檢測(cè)橋面瀝青路面厚度中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2003，(3)：18-20．

2016-11-08

蘭云松(1987-)，男，工學(xué)碩士，研究方向：道路與鐵道工程。

U416.2

：C

：1008-3383(2017)06-0071-02