試析探地雷達在路面厚度檢測中的應用

謝心

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

路面厚度的檢測工作是公路質量整體考評的重中之重。近年來我國在城市基礎設施建設中的投入逐漸增加，路面的建筑行業(yè)的規(guī)模不斷擴大。隨之而來對路面質量的要求也越來越高。在檢驗路面的厚度時，原有的方法已經(jīng)無法滿足測量的需求。采用探地雷達的模式，減少測量的時間簡化操作的步驟，在不破壞路面的前提下進行精準的探測。

1 探地雷達的在路面厚度檢測中的原理及內(nèi)部結構

探地雷達系統(tǒng)是利用高頻電磁波，通過寬頻帶短脈沖的模式，在地面向地下發(fā)射天線，然后通過地下物體的反射回到地面，返回的信號被再次接收。電磁波在傳送的過程中，它的傳播模式、時間與呈現(xiàn)形式會隨著介質的狀態(tài)變化而改變。所以，結合電磁波的波形狀態(tài)和反射的時間等數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析技術，可以探測出地下的內(nèi)部結構和空間的分布情況。

圖1 探地雷達原理

探地雷達系統(tǒng)主要由三部分組成，即固體腔、天線、時間窗。固體腔是整個系統(tǒng)的重中之重，為電磁波的產(chǎn)生提供先決條件。因為內(nèi)部結構的特殊性，它產(chǎn)生的頻率始終保持在2GHz之上。在探測是需要保證它處于平穩(wěn)的狀態(tài)、選擇適宜的頻率。發(fā)射天線的主要工作為傳輸信號，它將尖頻的電磁波傳輸?shù)铰访妗Ｔ诠ぷ髦刑炀€需要保持穩(wěn)定的傳輸方向、保障工作的穩(wěn)定性、減小電磁波的損傷。在進行傳輸工作時，為了提高接受的效果，天線被制作成喇叭的形狀[1]。接收天線的主要任務是獲取較為反射回來的信號，并為其進行適當整合放大，然后傳送到處理器中。時間窗的主要工作是記錄雷達發(fā)射以及接受的距離時間，匯總每次的工作時間。

2 影響探地雷達路面厚度檢測的重要因素

2.1 環(huán)境電導率

環(huán)境電導率直接影響介質傳導電荷的能力。因為探地雷達擁有較高的工作效率。電磁波的工作條件無論是在介電極限時，還是在靜態(tài)的極限時或者是在兩種情況之間時，它的深度都會也電導率成反比。電導率的數(shù)值不斷增加，電磁波的傳播深度逐漸減小。當處于極限狀態(tài)時，環(huán)境的導電效果越來越低，電磁波減慢的速度逐漸降低，探測的深度逐漸增加。

2.2 介電常數(shù)

介電常數(shù)直接反映介質的極化特性，彰顯介質的貯藏作用。在介質損耗的情況下，探地雷達的電荷通過外部的作用力產(chǎn)生了位移和摩擦，這時產(chǎn)生了一定的熱能。因為能量的轉變，影響電磁波的傳播效果，使其逐漸減弱。

2.3 磁導率

磁導率顯示了路面進行磁化的情況。以磁導率的數(shù)值進行劃分，主要可以分為三類，即反磁性材料、順磁性材料以及鐵磁性材料。不同的材料對電磁波的傳播效果不同。

2.4 中心頻率

在探究中心頻率時要考慮路面的深度以及天下的使用情況。通常情況下在滿足以上兩個條件時，應該適當調低中心頻率，這樣有利于提高電磁波傳播的效果。在實際調節(jié)時還需要考慮測量地的實際情況，設置科學的數(shù)值。

2.5 采樣時間

采樣時窗貫穿探地雷達測量的整個過程。它的取值主要由路面的實際深度和電磁波在各層結構中的傳播速度決定。

2.6 采樣率

采樣率主要有采樣的間隔來決定的，它的數(shù)值越高，采集的電磁波樣品的時間就越短。目前，我國大部分的探地雷達頻帶與中心頻率的比值在0.8～1.2左右。電磁波的采用率應該達到3.5左右，才能滿足探地雷達的正常運行。

3 探地雷達在路面厚度檢測中的實際應用

因為地下介質的介電常數(shù)各不相同，導致不同的介質擁有不同的電導性。同時，電導性的強弱直接影響電磁波的傳播效果。在一般的情況下利用如下的公式就可以計算電磁波在各結構層的傳播速度。

V-電磁波在各結構層的傳播速度；C-電磁波在正常空氣中的傳播速度；εr-相對的介電常數(shù)。根據(jù)電磁波反射接收的時間和ε1的數(shù)值，可以確定路面的具體厚度：

T-路面的厚度；C-電磁波在空氣中的傳播速度；εr-相對的介電常數(shù)；△t-電磁波反射接收的時間。εr的數(shù)值可以通過考查路芯的情況進行判定。

3.1 探測路面的架構和探測線的布置

以某段公路為例，它之前的建設結構為水泥混凝土路面，之后因為損害嚴重改為瀝青混凝土路面，路面的承載年限為20年。瀝青混凝土路面主要是由瀝青層和水泥層這兩部分構成的。路面的總體厚度在70cm左右，在現(xiàn)在的路面結構中水泥層的厚度在45cm左右，瀝青層的厚度在25cm左右。按照由淺入深的順序進行排列依次為：沙土泥漿層厚度為3cm、瀝青粗粒堆積凝結層厚度為11cm、瀝青中粒堆積凝結層厚度為7cm、瀝青碎石堆積凝結層厚度為4cm。根據(jù)探測的要求可知被要求探測的這段路面，在道路的兩側分別設置了一條用于測量的縱線。它主要是考查這段瀝青路面在水泥層和瀝青層的實際厚度[2]。在實際的操作中需要在縱向的方向上每間隔9m的距離設置一條測線，測量這個路面在橫向上水泥層和瀝青層的厚度。以路面的實際長度為參考，按照之前的規(guī)律依次進行鋪設工作，整個路面檢測的距離為5.0km。

3.2 探地雷達天線以及參數(shù)

在探班地雷達運行中要調試好雷達的天線以及實際的運行參數(shù)。結合探地雷達的實際應用效果來看，它能夠進行探測的厚度應該保持在35cm左右，探測結果的誤差值可以控制在0.8cm左右。如果在實際的測量中要求較高，并且對探測的深度有明確的要求，這時就可以采用高精度的雷達探測儀器進行測量工作。例如，2016年7月某市進行路面探測改造工作。這個路面是在原有的基礎上增加瀝青混合材料，表層結構較為復雜。路面原來的厚度為27cm，修補之后增加了11cm。探測時使用配套1250m耦合天線，時窗為32ns，道采樣點數(shù)為1029。在進行探測時分別采用雷達探測與鉆孔兩種方式。瀝青層都采用SIR-3000型號的雷達探測儀進行測量工作，為了保障測量的精準性，在路面上隨機抽取4點進行驗證工作。通過對比GPR測定的厚度和芯樣的厚底可知，這四個點中的誤差值都控制在0.6cm以內(nèi)，符合施工的要求。

通過數(shù)據(jù)對比可知，探地雷達技術在實際的工作中可以取代原有的技術模式。但是目前探地雷達技術在探測中的應用率不高，因為在實際的操作運行中需要一定的專業(yè)知識與技能，要擁有一定的雷達設備的使用經(jīng)驗才能夠順利的操控設備。以上面的對比結果為依據(jù)可知：①在避免人為誤差、天線數(shù)值及參數(shù)誤差的前提下，探地雷達技術可以準確的探測出路面的厚度。②要想提高雷達的使用效率，操作人員應該多積累，學習雷達和電磁波的相關知識。③要想促進雷達系統(tǒng)的進一步發(fā)展就應該加強對雷達信號的研究。

3.3 探測過程、資料處理和結果

當探地雷達設備進行探測工作時，雷達設備在主機的引導下發(fā)射裝置借由天線向地下發(fā)射電磁波信號，當?shù)叵碌碾姶挪ㄓ龅剿鄬踊蛘邽r青層時就會發(fā)生反射的情況，由地面反射回來的信號被另外一個天線接收，然后傳輸?shù)浇邮掌鲀?nèi)。同時還收集了由地面反射回來的信號。兩種信號一同被收入到探地雷達的主機內(nèi)進行數(shù)據(jù)分析工作。主機對信號進行擴大、過濾、數(shù)字化等加工處理，形成一段類似于地震波紋的畫面。圖片中直觀地展示了水泥層與瀝青層的分界線，如圖2所示。

以剖面圖作為參考，每條反射曲線的反色強度可以按照顏色的深淺進行劃分。在對數(shù)據(jù)進行匯總時，要仔細觀察電磁波掃射回波的狀態(tài)、電磁波反射的強度的數(shù)值和在自身剖面上的變化走向[3]。確定出電磁波反射的屬性情況，分析瀝青層與水泥層不同反射波的形態(tài)變化，設置點位逐次分析，之后計算反射回波所用的準確時間以及電磁波在兩個界面層傳播的速度來計算路面實際的厚度情況。

圖2 雷達數(shù)據(jù)探測剖面

把上文通過測量線測量出的數(shù)據(jù)制作成表格，直觀地分析出這段路面厚度的變化情況。然后把剖面圖與表格進行對比，總結出更加精準的路面厚度。

4 結論

綜上所述，在探測路面厚度時采用探地雷達技術可以在較短的時間內(nèi)完成工作，操作簡單成果較好；在不挖掘路面的前提下進行探測工作，精準度高誤差值較小；在應用時選取適宜的電磁波作為數(shù)據(jù)參考，明確電磁波的速度取值，進一步提高探測的準確性。