探地雷達正演模擬在道路病害檢測中的應用

黃東旭 潘 鵬 路興旺

(沈陽工業大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 概述

探地雷達(GPR)面對公路道路基層病害和隧道襯砌脫空等隱蔽性較強工程有較好的應用。對于不適合大規模損傷檢測的工程，通常可以快速方便地得到檢測結果。然而，雷達圖像的解釋主要依賴于檢測者的個人理解，容易引起分歧和漏判。

謝建林[1]，王復明[2]基于時域有限差分法，運用gprMax軟件[3]分別對隧道襯砌，混凝土道路結構進行了正演模擬，得出了層間介質介電常數對雷達圖像效果的相關結論。本文通過數值模擬和工程檢測結果對比，對路基病害進行了分類，建立了路基不密實、層間脫空、管線開挖道等典型道路基層病害的復合模型。總結了典型道路基層病害的探地雷達檢測圖像特征。

2 道路基層病害探地雷達檢測正演模擬

2.1 道路基層病害分類

2.1.1路面裂縫

結構層的主要裂縫是垂直裂縫。當路基體與基底融解時，路基土的不均勻沉降會引起融沉裂縫。如果結構層中的裂紋面靠近水平面，將發展為水平裂紋[4]。

2.1.2路基不密實及路基層間脫空

在溫度和車輛荷載的反復作用下，道路結構層會發生一系列的變化，道路基層與面層之間會出現空隙。雨水會進入空隙，沖刷基層和面層，使基層和面層之間的空隙越來越大，最終形成道路層間脫空[5]。

2.1.3道路路基沉降

路基沉降多見于承載力低、雨水多、地下水位高、排水不良的地區。在交通荷載的反復作用下，填挖交界處存在不均勻沉降。河流水位周期性波動和路基土長期浸水軟化是沿河路基沉降的主要原因[6]。

2.2 道路基層病害探地雷達檢測模擬

2.2.1路基不密實模型檢測算例

路基不密實模型如圖1所示，模型參數如表1所示，深色介質與淺色介質為成分不同的道路結構層，淺色斑點區域為道路不密實病害，淺色斑點代表小空隙，內部充滿空氣。

道路基層不密實模型FDTD正演結果如圖1所示，圖1a)中央區域存在密集小孔洞，電磁波信號發生多次反射，出現多條不規則雙曲線波組狀同相軸交錯。

表1 介電常數表

參數相對介電常數εr電導率σ/S·m-1空氣10瀝青層41×10-3水穩層101×10-5水815×10-4管線3001×108

2.2.2路基層間脫空模型檢測算例

路基層間脫空FDTD正演結果如圖2所示，從圖中可以看出，電磁波遇到空隙后產生強反射，淺色和深色區域為不同材料的結構層。

圖2a)右側區域脫空層的出現使層間同相軸發生起伏，而左側區域含水層處，雷達信號相位反轉，同向軸不連續并在含水層邊緣出現了雙曲線波組狀繞射信號，且反射信號較強。由于含水層的影響，圖2b)左下區域處產生了反射信號震蕩現象。

電磁波在地下介質中的傳播遵循物理反射和折射規律，用反射系數R和折射系數T表示兩種介質表面的折射和反射特性。對于道路檢測中常用的頻率范圍和接收天線與發射天線的間距，可以將探地雷達波視為正入射。由斯奈爾(Snell)定律，反射系數R可簡寫為：

(1)

其中，ε1為上層介質介電常數；ε2為下層介質介電常數。

由表1材料介電常數表可知，道路材料的介電常數高于空氣的介電常數，路層結構中底部材料介電常數大于上部材料的介電常數。根據式(1)可知在脫空病害的上邊界的反射系數為負，孔洞缺陷下邊界處的反射系數為正。上下界面反射系數相反，而入射波的傳播方向是確定的，則反射波在脫空病害上下界面處相位為一負一正。

由圖2所示，雷達剖面圖中含水層的信號與空氣層信號相似。根據式(1)，由于水的相對介電常數大于混凝土的相對介電常數，電磁波在充水孔隙界面反射時會產生半波損耗，而空氣的相對介電常數小于混凝土的相對介電常數，電磁波在充水空腔界面反射時不會產生半波損失，因此含水層雷達段相位與空氣層雷達段相位相反。

2.2.3道路基層病害探地雷達檢測解釋準則

1)道路不密實部位產生大量不規則雙曲線波組狀反射信號疊加，同相軸錯亂、不再連續。

2)電磁波遇到未凝結水泥漿層后，反射信號明顯，同相軸變厚，且相位發生180°反轉。

3)管道完全反射電磁波信號，產生強烈的雙曲線波組衍射信號。

3 工程實例

遼寧省某省道道路先后出現了網絡裂縫、路基沉降等嚴重病害，路況較差。道路寬12 m，修筑路段全長11.6 km。2004年和2014年的道路建設進行了大修，在原道路基礎上鋪設25 cm水泥穩定碎石層和8 cm瀝青混凝土。采用瑞典MALA探地雷達，采用800 MHz主頻雷達天線。

采用落錘式彎沉儀檢測注漿試驗路段彎沉值，檢測點間隔20 m。施工前路況調查表明，道路總體彎沉較大，彎沉變異系數較大，且道路強度過于離散，需要對道路進行加固和修補。本工程全線進行水泥灌漿，對有裂縫、網裂、沉陷、彎沉值大的區域進行修補。沿道路行駛方向設置7道測線。采用瑞典MALA探地雷達，采用800 MHz主頻雷達天線。

注漿技術為通過壓力注漿填滿路層間的空隙，將滲水、空隙填充、擠密。然后經過一段時間的固結作用，注漿體會與基層、底基層、地基和面層等結構形成一個固結體，改變脫空的基層的受力形式，最終達到修復和加固的目的。

測線1沿著行車道車轍方向，位于距道路中心線1 m處，里程5 026 m～5 032 m處探地雷達檢測結果如圖3所示，圖3a)檢測時間為注漿前，圖3b)檢測時間為注漿后。由圖可知注漿后路面以下500 mm處反射信號很強，反射信號相位反轉，根據同相軸形態推斷為水泥漿。

管線開挖探地雷達檢測結果如圖4所示，圖4a)為道路沿行車方向管線縱斷面雷達圖像，圖4b)為道路橫斷面雷達圖像。其中位置①處出現了反射信號不連續，推斷為開挖現象。②處反射信號同相軸錯亂、不連續的現象，根據同相軸形態推斷為埋設的管道。④處反射信號強，同相軸連續，推斷為管線橫穿公路，且該管線直徑約為100 mm。

沿道路橫向探地雷達檢測結果如圖5所示，圖5a)①處同相軸深度不一致，推斷為道路中央路基厚度高于道路兩側。圖5b)①處出現了反射信號同相軸以雙曲線波組形式連接現象，推斷為路基抬高。調查了解到原路基為之前的老路，新路在其基礎上加寬翻修。圖5a)②處不密實信號出現在道路緊急停車帶下方，結合大量數據推斷道路兩側路基較差，亟需治理養護。

4 結語

對道路基層病害進行了分類，并對道路基層病害的探地雷達檢測進行了探地雷達檢測正演模擬，總結出典型的道路基層病害雷達檢測圖像特征：

1)道路不密實部位產生大量不規則雙曲線波組狀反射信號疊加，同相軸錯亂、不再連續。

2)對注漿前與注漿后的道路進行了探地雷達檢測與正演模擬對比，結果表明，注漿區域會產生沿注漿平面的強反射，同相軸相位發生反轉，依此可以確定注漿深度與注漿作用范圍，評價注漿效果。

3)管道完全反射電磁波信號，產生強烈的雙曲線波組衍射信號。

4)結合路基病害雷達圖譜數據庫，可以判斷道路基層病害類型，選擇對應的注漿工藝治理路基病害。