空氣耦合雷達在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測中的應(yīng)用

蘭云松，楊鳳雷

(天津市交通科學研究院，天津 300300)

空氣耦合雷達在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測中的應(yīng)用

蘭云松，楊鳳雷

(天津市交通科學研究院，天津 300300)

針對一些大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程瀝青混凝土鋪裝施工中出現(xiàn)的厚度檢測問題，通過地質(zhì)雷達對瀝青混凝土鋪裝層進行厚度檢測，采用同型試塊進行波速標定，避免了直接在橋面上鉆芯的問題，提出了鋼橋面瀝青混凝土鋪裝質(zhì)量的評定指標、評價路段長度及采樣頻率的建議。

空氣耦合雷達；鋼橋面；瀝青混凝土鋪裝；厚度檢測及評定方法

1 雷達檢測的基本原理

雷達檢測是一種利用發(fā)射天線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，然后由接收天線接收探測目標物體及下覆介質(zhì)分布形態(tài)的一種無損檢測方法。介電差異是雷達檢測路面的先決條件，高頻短脈沖雷達波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)介電常數(shù)或介質(zhì)幾何形狀的變化導致回波相位及能量、波形發(fā)生改變。雷達波時深剖面圖是將接收的連續(xù)反射波壓縮成一條直線后用顏色表達的成像方式，可以直觀地顯示地下反射界面的形態(tài)及深度變化情況。通過雷達處理軟件自動識別面層分界線并讀取雷達波的雙程走時t，利用介電常數(shù)計算雷達波在介質(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

橋面鋪裝是鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其使用要求和條件都遠高于路面。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，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)空鼓等問題，導致實測關(guān)鍵性項目中的厚度和壓實度不易控制，工后使用過程中橋面過早地出現(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)具有足夠的強度與剛度,有效抵抗和分散車輛荷載；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)要求的實現(xiàn)都以嚴控鋪裝層厚度為前提。

3 空氣耦合式雷達厚度檢測

3.1 波速標定方法

芯樣標定法簡單精確，在眾多的波速標定方法中較為常用，但是直接鉆芯對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，很難量取準確的芯樣厚度。因此，檢測中設(shè)法采用與施工現(xiàn)場相同條件下制作的試塊對波速進行標定。標定過程根據(jù)雷達天線與試塊的相對位置關(guān)系分為動態(tài)標定和靜態(tài)標定。

動態(tài)標定：將試塊放置在平整的地面上，雷達測試車以正常速度前進，使雷達天線從試塊中心掃過。試塊的大小決定了我們只能獲得有限長度的雷達圖像，后期雷達圖形處理中標定點位的選取具有一定的隨機性。動態(tài)標定能夠準確模擬車輛行駛過程中雷達天線的震動情況。

靜態(tài)標定：將試塊放置在平整的地面上，雷達測試車靜止，雷達天線對準試塊中心，以自動疊加方式獲得連續(xù)平穩(wěn)的雷達圖像，后期層位識別比較方便。

受橋梁恒載的限制，鋼橋面鋪裝層一般不超過8 cm，雷達波雙程走時約為1.25 ns，經(jīng)過計算對比發(fā)現(xiàn)兩種標定方法對結(jié)果影響很小，考慮到動態(tài)標定過程較復(fù)雜，雷達圖像太短且局部起伏引起的誤差較大，波速標定宜采用靜態(tài)標定法。

3.2 鋪裝層厚度檢測結(jié)果評定方法

(1)評定指標的確定

雷達檢測系統(tǒng)能夠快速獲得大量的數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計方法得到的評價值包括:平均厚度、厚度代表值、標準差、最小厚度、變異系數(shù)、厚度極值的百分比。參考路面厚度試驗檢測及評定方法，鋼橋面瀝青鋪裝層厚度檢測結(jié)果應(yīng)以每條測線為單元給出該測線的平均厚度值、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)評價路段長度及采樣頻率的確定

表1 代表值相對于平均值產(chǎn)生1 mm偏差對應(yīng)的標準差S′

通過薊汕高速橋面底面層鋪裝厚度檢測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，累計測線長度為4 km時，采樣點數(shù)大于450后，標準差S4趨于穩(wěn)定，此時采樣點間距為8.9 m。累計測線長度為3 km時，采樣點數(shù)大于300后，標準差S3趨于穩(wěn)定，此時采樣點間距為10 m。累計測線長度為2 km時，采樣點數(shù)大于200后，標準差S2趨于穩(wěn)定，此時采樣點間距為10 m。累計測線長度為1 km時，采樣點數(shù)大于120后，標準差S1趨于穩(wěn)定，此時采樣點間距為8.3 m。且存在如下關(guān)系：S4

因此，測線長度較長時，小范圍的問題會被掩蓋。為了能夠較全面、真實地反映路面厚度的變化情況,測線的長度不宜過長。建議每條測線采樣點數(shù)不少于450點(不同于現(xiàn)場實際采樣頻率，實際采樣頻率可能遠大于該值)，采樣間距最大不超過8 m，以同時滿足代表值精確度和較高的保證率。

圖1 與n的關(guān)系

圖2 標準差和采樣點數(shù)的關(guān)系

3.3 工程實例

某高速公路跨河大橋設(shè)計為鋼箱梁橋，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)場對縱向施工縫處鋪裝層厚度進行測量。

養(yǎng)護完成后，使用IDS空氣耦合雷達系對底面層厚度進行檢測，為了獲得足夠分辨率的雷達圖像，天線中心頻率2.5 GHz，視窗深度設(shè)置為10 ns，采樣點數(shù)500點，采樣間距0.5 m。測線布置于縱向施工縫和每條車道中線處。雷達檢測結(jié)果與現(xiàn)場縱向施工縫處厚度測量記錄進行對比，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、厚度代表值進行綜合評定。

4 結(jié) 論

雷達檢測系統(tǒng)作為公路工程施工質(zhì)量監(jiān)控的重要手段，能夠無損、精確、高效地完成鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度檢測工作。檢測中雷達波速可以采用靜態(tài)標定方法對預(yù)制的試塊進行標定，避免了在鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層上鉆芯取樣，真正做到無損檢測。鋪裝層厚度檢測結(jié)果應(yīng)以每條測線為單元，采用平均厚度值、均方差、厚度代表值對施工質(zhì)量進行評定，建議每條測線采樣點數(shù)不少于450點，采樣間距最大不超過8 m。

[1] 中華人民共和國交通部．JTG F8/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗評價標準[S].人民交通出版社，2004.

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

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

2016-11-08

蘭云松(1987-)，男，工學碩士，研究方向：道路與鐵道工程。

U416.2

：C

：1008-3383(2017)06-0071-02