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構橋梁工程瀝青混凝土鋪裝施工中出現的厚度檢測問題，通過地質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，被地下介質反射，然后由接收天線接收探測目標物體及下覆介質分布形態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中傳播時，介質介電常數或介質幾何形狀的變化導致回波相位及能量、波形發生改變。雷達波時深剖面圖是將接收的連續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，利用介電常數計算雷達波在介質中的傳播速度v，根據h=v×t即可得到結構層厚度。

2 鋼橋面瀝青鋪裝

2.1 鋼橋面瀝青鋪裝的特點

橋面鋪裝是鋼結構橋梁建設中的一個關鍵環節，其使用要求和條件都遠高于路面。瀝青混凝土鋪裝具有質量輕、變形適應性好、防水性好、容易修復等特性，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性差，攤鋪的瀝青鋪裝層容易出現空鼓等問題，導致實測關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損壞。

2.2 鋼橋面瀝青鋪裝層技術要求

瀝青混凝土鋪裝層應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，適應鋼板變形，保證鋪裝層與鋼板的整體協同工作；良好的防水性能，保證鋼板不被侵蝕，這些技術要求的實現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，檢測中設法采用與施工現場相同條件下制作的試塊對波速進行標定。標定過程根據雷達天線與試塊的相對位置關系分為動態標定和靜態標定。

動態標定：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平穩的雷達圖像，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，經過計算對比發現兩種標定方法對結果影響很小，考慮到動態標定過程較復雜，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標定法。

3.2 鋪裝層厚度檢測結果評定方法

(1)評定指標的確定

雷達檢測系統能夠快速獲得大量的數據，運用數理統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、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果應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，以系統全面的反映鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層的施工質量。

(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生1 mm偏差對應的標準差S′

通過薊汕高速橋面底面層鋪裝厚度檢測數據進行分析發現，累計測線長度為4 km時，采樣點數大于450后，標準差S4趨于穩定，此時采樣點間距為8.9 m。累計測線長度為3 km時，采樣點數大于300后，標準差S3趨于穩定，此時采樣點間距為10 m。累計測線長度為2 km時，采樣點數大于200后，標準差S2趨于穩定，此時采樣點間距為10 m。累計測線長度為1 km時，采樣點數大于120后，標準差S1趨于穩定，此時采樣點間距為8.3 m。且存在如下關系：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不少于450點(不同于現場實際采樣頻率，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的關系

圖2 標準差和采樣點數的關系

3.3 工程實例

某高速公路跨河大橋設計為鋼箱梁橋，總跨徑250 m，單幅橋寬17 m，鋪裝層采用3.5 cm環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，施工現場對縱向施工縫處鋪裝層厚度進行測量。

養護完成后，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，視窗深度設置為10 ns，采樣點數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。雷達檢測結果與現場縱向施工縫處厚度測量記錄進行對比，發現兩組數據總體吻合良好。最終結果以平均厚度值、均方差、厚度代表值進行綜合評定。

4 結 論

雷達檢測系統作為公路工程施工質量監控的重要手段，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標定方法對預制的試塊進行標定，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。鋪裝層厚度檢測結果應以每條測線為單元，采用平均厚度值、均方差、厚度代表值對施工質量進行評定，建議每條測線采樣點數不少于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. 探地雷達在道路質量檢測中的應用研究[D].中國地質大學(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