預制試件模擬半剛性基層裂縫、空洞的探地雷達檢測定位

王 偉

（湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068）

1 研究的背景與意義

隨著道路施工問題、車輛超載行駛等日益增多，道路半剛性基層裂縫、空洞等病害逐漸增加，嚴重影響道路的使用，迫切需要研究半剛性基礎裂縫和空洞的無損檢測方法。本文采用LTD-2000 探地雷達，通過預制試件模擬半剛性基層裂縫、空洞的探地雷達檢測定位，研究該方法的可行性及準確性。首先采用300MHz 天線進行區域確定，然后采用900MHz 天線進行局部精細定位檢測，同時對檢測數據進行再處理和誤差分析，達到半剛性基層裂縫、空洞的檢測定位效果，為道路后續維護檢修提供依據。

2 探地雷達的工作原理

發射天線和接收天線作為探地雷達的兩個端口，以電磁脈沖波為對象，一個負責發射，一個負責接收。其中當發射天線作為發射端向地下發射時，不同介質的發射和透射效果不同，接收天線作為接收端接收這些信息。然后發送到主機，從而達到檢測介質內部的目的，見圖1所示。

圖1 工作原理圖

接收天線接收的有以下幾個方面：首先接收的是直接波信號，其通過空氣傳播直接發射到接收天線。其次是由道路表面反射回來的一次反射電磁波信號，另外還有其他電磁波信號。不同電磁波信號在探地雷達圖像中表現出不同的層帶，由于天線是貼近地面工作，直達波和路表反射波傳播時間相近，在圖像中層帶相鄰，且傳播工程中能量損失少，可以為圖像解析提供參考。在路面反射波之后，探地雷達接收到電磁波是地下不同介質分界面反射回來的反射波，含有大量道路結構層信息。通過收集、處理這些數據，可以得到道路結構層的信息，達到檢測定位的目的。

3 探測原理

道路是由面層、基層和墊層等不同結構層組成，而且不同結構層采用的材料不同，每層的介電常數也不一樣。因此在道路檢測中，探地雷達電磁波在探測傳播時將變得更加復雜。如圖2，當來自空氣中的電磁波C00以某角度入射至道路面層時，由于介質不同，反射和折射隨即發生在空氣與面層的界面上，即C01和C11。對于面層和基層的分界面來說，C11可當作二者界面的入射波，重復上述過程繼續產生C12與C21，由此傳播下去。另外在一個結構層內，電磁波會產生類似作用，如反射波C13、C14等等。

這些電磁波經過探地雷達收集、處理后，可以得到道路的相關信息，從而達到檢測定位的目的。

4 預制試件模擬檢測

考慮半剛性材料的不均勻性和位于基層的隱蔽性，在混凝土試件上制作裂縫，驗證檢測方法的可行性。

圖2 反射波和折射波

采用C20 標號水泥，混凝土的配合比為水泥：砂：石：水=6：20：25：3，混凝土碎石試件的尺寸分別為100cm*10cm*10.2cm，100cm*10cm*9.8cm。將9.8cm 的混凝土試件的上表面隨機選擇一處，利用小型切割機豎直向下切割5cm 裂縫，裂縫寬3cm，將10.2cm 的混凝土試件放置上方，從而制得試件模型。以此試件模擬一公里路段測試情況，以1：2500 的比例進行模擬。

首先采用300MHz 天線，進行探地雷達連續檢測，天線貼近表面檢測，得到檢測圖像如圖3所示，可以大致判斷基層裂縫的位置。

圖3 基層裂縫的連續檢測圖像

圖4 基層裂縫的人工點測圖像

判斷基層裂縫大致范圍后，采用900MHz 天線進行探地雷達人工點測，點測步長為20mm，探地雷達檢測圖像4 所示。將天線沿著混凝土表面進行檢測，以開始進行點測處的雷達天線中點為原點，以天線下端的水平線為X 軸，天線檢測行進端為X 軸正向，以豎向為Y 軸，向下為正，建立平面坐標。

利用系統自帶的IDSP5.0 軟件，以20mm 為一道評價路段長度，一道相當于一公里路段的50m，即按1：2500 的比例進行模擬測試，以0.1m/ns 為計算速度，進行厚度計算。

兩個混凝土材料相同，其介電常數可以認為相等，根據點測圖像4 可以明顯確定裂縫上部混凝土層的厚度值如表1所示，將表1中計算的單時程除以速度0.1m/ns，得到單時程的電磁波傳播時間，如表2所示。如圖3，在檢測圖像中目標體表現出雙曲線特征，其位于雙曲線的最高點，因此表2中的最小值為裂縫上端到混凝土上表面的電磁波傳播時間。

表1 裂縫上端混凝土層點測計算結果

7 K0+300 K0+350 201 8 K0+350 K0+400 186 9 K0+400 K0+450 172 10 K0+450 K0+500 160 11 K0+500 K0+550 153 12 K0+550 K0+600 140 13 K0+600 K0+650 128 14 K0+650 K0+700 111 15 K0+700 K0+750 112 16 K0+750 K0+800 116 17 K0+800 K0+850 126 18 K0+850 K0+900 139 19 K0+900 K0+950 151 20 K0+950 K1+000 163

表2 裂縫上端混凝土層單程傳播時間

5 計算分析

電磁波在混凝土中的速率為0.096m/ns，由表2知，第14 道的時間值最小，混凝土下表面到混凝土上表面的電磁波傳播時間為t=1.11ns，由此可計算出混凝土下表面到混凝土上表面的距離s=0.096t=10.7cm，即目標體的Y 坐標。表1確定的最小值的道數為14，即目標體位于第14 個采樣點的下方，目標體的X 坐標為(14-1)*0.02+0.01=0.27m=27cm。

表3 誤差分析表與實際結果對比分析

由表3知，采用本文檢測方法對預制混凝土裂縫的位置進行定位，水平誤差達到6.7%，豎向誤差達到4.9%，可以有效定位。混凝土材料的介電特性與半剛性混凝土碎石介電特性相似，從而證明本文探地雷達檢測方法的正確性。

6 總結

針對道路半剛性基層檢測定位問題，采用300MHz 低頻天線和900MHz 高頻天線相結合的辦法。兩者特點各不相同，900MHz 低頻天線在分辨率上有優勢，但探測深度小，300MHz 高頻天線則反之。首先采用300MHz 天線進行粗測確定大概位置，然后采用900MHz 天線進行精測，同時對檢測數據進行處理和分析，實現半剛性基層裂縫、空洞等病害的有效檢測定位。本文采用的檢測方法既能準確快速的進行病害定位，同時又能取得無損檢測的效果，有較大的應用價值。