市政道路典型病害的地質(zhì)雷達特征回波

(1.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168；2.中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司，北京 100000)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，道路建設(shè)質(zhì)量問題逐漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計，道路施工中第一次合格率達95%以上的施工企業(yè)不足20%[1-2]。并且由于規(guī)劃設(shè)計、管理、施工、材料等多方面的復(fù)雜原因，城市道路損壞現(xiàn)象不斷出現(xiàn)[3]。相比于傳統(tǒng)的有損檢測方法，地質(zhì)雷達法具有連續(xù)無損、測速快、精度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點，并能夠?qū)β访孢M行全面跟蹤檢測，可確定科學(xué)合理的養(yǎng)護方法，滿足路面工程的需要[4]。針對道路工程，國內(nèi)外技術(shù)人員對地質(zhì)雷達中的淺地層信號處理[5-6]、路面基層應(yīng)用[7]、工程勘察中的干擾因素等進行了相應(yīng)的研究[8]，但由于地質(zhì)雷達在市政道路檢測過程中，既無統(tǒng)一的國家規(guī)范，也沒有廣泛認可的行業(yè)標準，而現(xiàn)有的研究更多針對的是面層與基層，對基層以下的典型病害研究則較少。

由于電磁波在地下地質(zhì)傳播時衰減較強，所以采集到的雷達數(shù)據(jù)存在多解性[9]。筆者通過制作幾種典型的公路病害模型，掃描分析了對應(yīng)雷達圖譜，解析了特征回波，為高效、精準分辨各類市政道路典型病害提供了參考。

1 試驗方法

1.1 試驗方案

根據(jù)CJJ 37-2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》鋪裝試驗道路，試驗路結(jié)構(gòu)層示意如圖1所示(SBS為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)。參照實際工程中典型病害的特點，制作了病害模型(見圖2)。

(1) 脫空模型：基層中的脫空模型是由普通模板制成的、尺寸為700 mm×700 mm×200 mm(長×寬×高)的空心立方體；而處于墊層中的脫空模型材料不變，尺寸調(diào)整為700 mm×700 mm×250 mm(長×寬×高)。

(2) 裂縫模型：由塑料扣板制成、尺寸為1 800 mm×3 mm×400 mm(長×寬×高)。

(3) 不密實模型：將冰塊和道路材料混合后埋置于尺寸為700 mm×700 mm×200 mm(長×寬×高)的指定區(qū)域內(nèi)。

(4) 離析模型：在尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的指定區(qū)域內(nèi)由小到大分層鋪設(shè)粒徑不同的粗骨料。

(5) 蜂窩模型：由若干個模板制成的100 mm×100 mm×200 mm的小空心立方體拼接而成的尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的模型。

(6) 局部富含水模型：在尺寸為700 mm×700 mm的指定區(qū)域內(nèi)預(yù)埋設(shè)兩根管徑為100 mm的聚氯乙烯(PVC)水管，在水管貼地一側(cè)開口，周圍用塑料扣板合圍。

(7) 凍融模型：將尺寸為700 mm×700 mm×200 mm的素土注入水分后，放置低溫箱冷凍，待其結(jié)塊后埋置。病害模型埋設(shè)位置對應(yīng)其實際工程中易發(fā)生此類病害的位置，剖面圖如圖3，4所示。

圖2 缺陷模型布置平面圖

圖3 1-1剖面圖

圖4 2-2剖面圖

1.2 試驗方案

試驗采用600 MHz空氣耦合屏蔽天線對試驗用公路進行試驗掃描，掃描樣點數(shù)為1 024，采樣分辨率為16 Bit，采樣間距為0.024 m。沿圖2的1-1、2-2剖面布置2條雷達測線V1，V2。

2 結(jié)果與分析

通過雷達掃描，取得市政道路典型病害檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過背景去噪、去除首波、頻率濾波、時變增益等處理后，得到V1，V2測線不同深度特征病害圖譜，圖5，6分別為V1，V2的測線圖譜。標注的對應(yīng)病害為：離析、脫空、富含水、蜂窩、脫空、裂縫、不密實缺陷等。

圖5 V1測線圖譜

圖6 V2測線圖譜

3 特征回波分析

地質(zhì)雷達檢測中，介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率直接關(guān)系著探測的精確性[10]；而混合材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)則十分復(fù)雜，相關(guān)學(xué)者普遍認為混合材料的電導(dǎo)率及介電常數(shù)由各組成成分的電導(dǎo)率及介電常數(shù)的均值和方差決定[11]。通過對雷達反射波進行后處理，得到典型病害的雷達反射波形圖，即雷達電磁波經(jīng)市政道路不同電導(dǎo)率和介電常數(shù)的混合材料反射形成的圖形數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)明暗對應(yīng)為電磁波的反射強弱，即為反射幅值。當電磁波沿垂直界面入射材料時，反射系數(shù)R的模和幅角可表示為

(1)

(2)

a=m2/m1

(3)

(4)

式中：ω為角頻率，單次掃描試驗時假設(shè)其大小恒定；a為磁導(dǎo)率比；b為傳播常數(shù)比；μ1，μ2分別為界面兩側(cè)不同材料的磁導(dǎo)率；ε1，ε2分別為界面兩側(cè)不同材料的介電常數(shù)；σ1，σ2分別為界面兩側(cè)不同材料的電導(dǎo)率。

根據(jù)電磁學(xué)理論，用介質(zhì)的傳導(dǎo)電流密度|JC|和位移電流密度|JD|的比值來確定耗損度。

(5)

式中：s為電導(dǎo)率;ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。

試驗?zāi)Ｐ退玫牟牧舷嚓P(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗?zāi)Ｐ退貌牧系南嚓P(guān)參數(shù)

根據(jù)上述理論分析各病害的特征回波。

圖7 脫空病害標準圖譜及波形

(1) 脫空：空氣的介電常數(shù)遠小于道路材料的介電常數(shù)，脫空上界面處的反射系數(shù)R為負，下界面處的反射系數(shù)R為正，兩界面處的反射波為一負一正。脫空病害標準圖譜及波形如圖7所示，由圖7可知，由于周圍介質(zhì)存在電性差異，所以其邊界存在電磁波繞射現(xiàn)象。相較于其他典型病害，脫空在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在較大的連續(xù)性特征，峰尖擾射曲線變寬，在圖譜上表現(xiàn)為上邊界平整，顏色由亮至暗再至亮，且差別明顯。

(2) 局部富含水：電磁波從高阻介質(zhì)入射到低阻介質(zhì)時，入射波與出射波反相，反之同相。注水后，由于水的相對介電常數(shù)大，界面反射系數(shù)大，道路內(nèi)部出現(xiàn)低阻區(qū)域，其反射波與天線發(fā)出的電磁波反相，局部富含水病害標準圖譜及波形如圖8所示。缺陷產(chǎn)生強反射，回波信號強，由于水對電磁波的衰減，電磁波能量大幅衰減，在圖譜上表現(xiàn)為缺陷處圖譜明暗交錯，缺陷下方信號弱，回波噪聲明顯。

圖8 局部富含水病害標準圖譜及波形

與其他病害圖譜相比，局部富含水區(qū)域土層兩邊介質(zhì)的電磁參數(shù)差別大，反射系數(shù)也大，同樣反射波的能量也大[12]。由于土層中的介質(zhì)向水中擴散，該介質(zhì)層中液體的介電常數(shù)降低，而電導(dǎo)率增加。當角頻率一定時，由式(5)可知，該層介質(zhì)對電磁波的耗損程度變大，缺陷下方信號幅值衰減快。

(3) 蜂窩：由于蜂窩缺陷的結(jié)構(gòu)特征，所以其波形類似于多個小脫空的疊加，蜂窩病害標準圖譜及波形如圖9所示，電磁波經(jīng)過多次的反射折射，在圖譜上顯示局部波形雜亂，橫向上同相軸錯斷，呈現(xiàn)出“蜂巢”狀。

圖9 蜂窩病害標準圖譜及波形

由于土層中的空氣團較分散且體積較小，所以其對于整個界層的介電常數(shù)、電導(dǎo)率等相關(guān)參數(shù)的影響并不顯著。但蜂窩病害形成中存在明顯的連續(xù)性特征，其他病害則一般不具備。

(4) 離析與不密實：內(nèi)部材料疏松，介電參數(shù)的差異大。疏松病害的頂、底反射信號在剖面上不對稱。電磁波在界面上反射較弱，圖譜上顯示局部波形雜亂，橫向上同相軸錯斷，顏色亮暗交錯。相較于蜂窩缺陷，不密實及離析與其較為相似，在實際工程中較易發(fā)生誤判，最大不同在于其構(gòu)造上相對分散且不具有蜂窩缺陷連續(xù)的特征。離析病害標準圖譜及波形如圖10所示，不密實病害標準圖譜及波形如圖11所示。

圖10 離析病害標準圖譜及波形

(5) 裂縫：裂縫中空氣的存在使得回波信號幅值明顯增強，圖譜特征表現(xiàn)為上下兩條雙曲線波組，其中，頂端和低端的雙曲線組二者相位剛好相反。這與脫空病害較為相似，但裂縫寬度比脫空病害的寬度小，波形圖中峰尖擾射曲線寬度與脫空病害擾射曲線寬度相比較窄，局部回波特征明顯。裂縫病害標準圖譜及波形如圖12所示。

圖12 裂縫病害標準圖譜及波形

(6) 凍融：工程中凍融區(qū)域與富含水區(qū)域是基本一致的，兩者的區(qū)別主要是外界溫度的變化導(dǎo)致水的形態(tài)不同。對應(yīng)的特征信號基本相似，同相軸錯段，整體呈弧形。凍融病害標準圖譜及波形如圖13所示。

圖13 凍融病害標準圖譜及波形

對比較為相似的不密實區(qū)域，凍融土層中混入的冰水混合物的介電常數(shù)、電導(dǎo)率更大，反射波中的A0明顯高于其他幅值。不密實區(qū)域的反射波強度較弱。

4 結(jié)語

通過對試驗得到的特征回波波形進行分析，論證了地質(zhì)雷達法對市政道路進行檢測并準確辨析典型病害的可行性。根據(jù)電磁波傳播理論及地質(zhì)雷達反射圖譜的成像原理進行分析，得出各典型病害的回波特征及雷達圖譜特點，得到了裂縫與脫空、凍融與不密實、離析及不密實、蜂窩等病害相似雷達圖譜的細節(jié)差別。