探地雷達道路典型病害圖像解譯分析

孫 通， 劉延祥

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

道路檢測與評價不僅是道路工程施工及養護中的關鍵性技術，還是路網維護決策是否科學和資金分配是否合理的決定性影響因素[1]。而路用探地雷達圖像解譯分析則可以比傳統的鉆芯取樣更加全面、快速、無損地對道路進行評價，從而指導養護。

在探地雷達圖像解譯方面，國內外探地雷達使用者一直都在進行探索實踐，但由于當前探地雷達檢測技術依然處于起步階段，即使雷達圖像的精確度與分辨度均在快速提升[2]，依然沒有一套通用可靠的規范與標準化圖像解譯理論以供參考，導致探地雷達使用者即使獲取到大量圖像數據卻無法從中獲悉道路情況，因此亟須建立一套完整的雷達圖像解譯方法，以提高道路檢測工作者的工作效率。

探地雷達圖像解譯是當前國內外雷達研究中的基礎性也是關鍵性問題[3]，當前的主要工作為結合道路設計文件以及病害形成機制對異常圖像進行特征圖像描述[4]。本文的中心問題就是結合具體的工程實例對此進行一系列的探究，從道路材料介電特性的角度進行典型病害圖像特征的分析與部分驗證等，其最終目的是為其他類型的雷達圖像解譯分析提供解譯方法和解譯結果參考，最終建立探地雷達圖像解譯標準，為更多道路檢測工作者服務，從而更準確地指導養護決策。

1 探地雷達路面檢測理論基礎與工程資料

使用探地雷達進行路面檢測時，由發射器發射的電磁波由于路面各面層結構層介電特性的不同在經過不同的結構層時會形成不同的反射波，由接收器接收后，形成一系列的信號波形，經過模數轉換器對模擬信號進行處理轉換為電壓數字信號，進而自動繪制成波形圖，最后將其傳輸到控制系統，控制系統將進行數據的儲存和顯示等[5]。雷達工作原理如圖1所示。圖中各層含義為：空氣(A1)，面層(A2)，基層(A3)，底基層(A4)。

圖1 雷達工作原理示意圖

本次數據采集于某高速公路，其路面設計資料見表1，采集長度近100 km。

表1 某高速公路路面設計資料

結合設計文件資料，可以獲悉道路結構為面層16 cm + 基層30 cm + 底基層30 cm，因此通過雷達檢測系統自帶的計算分析軟件Pavecheck得到檢測厚度為60 cm以上，即圖像中可見的結構層至底基層中部，從而將雷達圖像劃分為如圖2所示的3層。圖2中圖像顏色不僅代表該位置反射電壓的大小，也代表著該位置介電特性的區別，一般說來紅色代表介電常數極小，說明此處孔隙率較大，藍色代表介電常數極大，意為此處含水率較大，建立了正常道路的典型圖像后，接著通過圖像逐點對比，發現異常圖像后即進行圖像分析解譯。

圖2 正常道路典型圖像

2 沉陷病害圖像解譯分析

沉陷病害的特點是范圍廣，涉及的深度大，一般發生在挖方路段和填挖接壤位置。其成因一般為以下四點：①土質路塹排水功能降低，路床下部路基含水率大而導致不均勻回落，進而導致部分路面結構下移；②路面無法適應逐漸遞增的交通量，從而出現疲勞損壞；③路基和基層強度不夠或填方挖方路段路基壓實度不同，在車輛荷載作用下，路基和基層遭損壞而引起下沉；④橋頭道路接壤處高度不同而引起的沉陷[6]。在攝像資料里顯示的與正常路面無異，而在雷達圖像上卻可以直觀地反映出在一個區域內波形呈下陷趨勢,如圖3所示。

圖3 沉陷病害雷達圖像

由圖3可知，圖中基層中間的紅色圖像，為上、下基層黏結不緊密造成介電常數偏小而形成的分界線，而在沉陷病害出現的部位，分界線出現明顯的斷開，說明上、下基層在原本分界處已經沒有明顯的介電特性區別，由沉陷病害的成因是路基在車輛荷載作用和其他因素下，密度增大，因此在病害出現部位會出現介電常數變大，顏色由紅變黃，符合圖像展現的特征。

另外，上基層與中、下面層的圖像出現多條黃色折線，在雷達圖像中，黃色所代表的介電常數值相比于綠色代表的值更小，說明黃色折線的出現是此處介電常數減小所致，即此處混合料密度降低，而沉陷病害若是從基層開始發生，會往上逐層蔓延，使層間黏結性降低，空隙增大，與圖像展現的特征吻合。

最后通過導出介電常數變化情況，證實上述推論，由于面層介電常數值的變化無法反映沉陷這類深層次病害，因此導出上下基層黏結處，即深度為30cm處的介電常數值，將導出的數據繪成折線圖，如圖4所示。

圖4 沉陷病害深度為30cm處介電常數變化圖

從圖4可以發現，介電常數值在7.5以上的部分對應著圖中偏黃色的圖像，小于7.5的對應圖中偏紅色的圖像，驗證了前面說的沉陷處被進一步壓實，壓實度提高，因此介電常數增大，圖像顏色由紅變黃。

綜上所述，從沉陷病害成因以及特性來分析其圖像特征為存在一個橫向顏色由紅變黃的范圍性突變，其介電常數在相應深度增大。

3 松散病害圖像解譯分析

松散病害由于層間黏結性降低，形成空隙，嚴重時甚至反映至面層，會導致面層出現網裂等病害[7]。從攝像資料中發現面層已有裂縫存在，而雷達圖像中，在病害出現的位置出現了一組“紅+藍”線條，如圖5所示。

圖5 層間松散病害整體雷達圖像

由設計資料和典型圖像可知，圖5中間所示的“紅+藍”組合線條，其位置在上、下基層層間，再由雷達圖像中紅色代表的介電常數值為極小，藍色為極大，通常認為，紅色指代此處有空氣，藍色指代有水，但由于道路材料一般為混合型復合材料，且雷達屬于范圍檢測，得到的介電常數為一個范圍內的均值，因此對于道路工程而言，雷達圖像中出現紅色指代空隙率較大，藍色指代含水率較大。而在實際工程中，底基層由于其組分為水泥穩定砂礫土，因而易產生裂縫，從而為水氣運動提供通道，同時底基層的水分子含量會比面層或是基層要高，因而水氣會沿著通道向濕度較低的面層運動，上升到道路空隙處則可能會積聚形成液態水，導致空隙下部含水率較大，上部空氣較多，符合雷達圖像的“紅+藍”的特征，同時也證實此處層間存在較大空隙，屬于層間松散。

綜上所述，從松散病害成因以及特性來分析均符合檢測圖像所展現的特征，典型的圖像為出現一組“紅+藍”線條。

4 層間松散病害工程實際驗證

對于如松散、沉陷類病害，檢測人員無法用肉眼從路面表觀狀態判斷此處是否確如雷達檢測結果所述存在病害，需進行鉆芯取樣驗證。從檢測現場情況以及安全因素等考慮，驗證試驗在另一高速改擴建段的老路上開展，檢測車道為行車道中間，通過對雷達圖像進行分析，發現存在松散病害。

通過對比里程讀取和攝像資料得到病害樁號后，對該處進行鉆芯取樣，得到現場芯樣，如圖6所示。

圖6 現場芯樣圖

從圖6可以看出，此段瀝青混合料面層厚度達39 cm，而從設計資料看來，此段的確存在多次加鋪養護工程。在圖6中卷尺刻度26厘米處的橫斷面處已經嚴重開裂，混合料松散，證實此處確有病害發生。且斷裂處混合料比較松散，空隙率較大，推測是由于層間剪切破壞導致的界面破壞，再由車輛荷載作用下致使的層間空隙增大，從而形成層間松散病害。

對斷面高度進行測量后得到其平均厚度為14.75 cm左右。接著通過圖像處理軟件計算病害深度。得到的病害深度為14.63 cm，與實測的斷裂上部分平均厚度14.75 cm相近。

另外，從設計資料可知此段路并未銑刨舊路而是直接拉毛后加鋪了新面層，而斷裂部分的深度為14.75 cm，正處于新舊路面結合部位，極有可能由于老路面拉毛后此處噴灑的黏結劑不均勻而導致的新老路面層間黏結不緊密出現松散病害。

綜上所述，可以發現松散病害“紅+藍”組合線條的圖像特征是從理論分析與實際工程驗證兩個方面得到的統一結論，這從側面說明了整個分析方法的可靠性。

5 結 論

本文通過結合實際工程采集探地雷達數據，對比正常道路典型圖像并結合混合料介電特性及病害成因，對異常圖像進行解譯分析，建立了沉陷、松散病害特征圖像，圖像特征如下：

(1)沉陷病害出現的部位，在攝像資料上和正常道路無異，而其雷達圖像特征為一個橫向顏色由紅變黃的范圍性突變，且介電常數在相應深度增大。

(2)層間松散病害的雷達圖像上會出現“紅+藍”組合線條圖像。

在上述基礎上，針對松散病害進行了鉆芯驗證，并通過驗證結果說明了該圖像解譯方法的可靠性，但其他病害類型還需進一步分析研究與驗證。

最后，每個人的解譯方法和習慣以及雷達型號的不同導致解譯的結果也會有所不同，因此在未進行實際驗證的情況下，解譯結果不能作為絕對的標準，只能通過了解解譯過程作為參考依據[8]。雷達圖像解譯是一個不斷累積經驗不斷更新的過程，一般說來，不同病害對應著不同的圖像特征，但也可能不同病害對應著相同的圖像特征，因此，其方法和技術仍需在今后的實踐與研究中不斷地優化完善及檢驗修正。