地質(zhì)雷達法測試水泥混凝土路面面層厚度的探討

周文淵 李 博

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004)

1 概述

水泥混凝土路面具有較高的力學強度，但其彎拉強度遠小于抗壓強度，為使水泥混凝土路面板能夠在車輛荷載多次重復作用下而不發(fā)生破壞，要求混凝土板必須有足夠的厚度[1]。

因此，JTG F80/1—2017公路工程質(zhì)量檢驗評定標準 第一冊 土建工程里把水泥混凝土面層厚度檢測作為關(guān)鍵的檢查項目。CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范把水泥混凝土面層厚度作為質(zhì)量檢驗的主控項目。可見，混凝土路面層厚度在施工質(zhì)量評定時的重要性。

鉆芯法是最常用的水泥混凝土道路路面結(jié)構(gòu)層厚度測試方法。優(yōu)點是能夠取出混凝土板的完整芯樣，檢測結(jié)果直觀、準確、爭議性小。但鉆芯法測試水泥混凝土路面層厚度也有局限性。首先，鉆芯法只能用于測點的隨機抽樣檢測，不能對路面進行全覆蓋或大批量的測試。其次，鉆芯法對混凝土路面造成一定程度的損壞，破壞路面的完整性。而且開展鉆芯法工作時需要的設備復雜，取樣效率低，且有一定的危險性。

隨著我國測試技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達法作為一種無損檢測技術(shù)有了更廣泛的應用。地質(zhì)雷達具有分辨率高、效率高、易于操作、實時圖像顯示等優(yōu)點。

本文采用地質(zhì)雷達法對某工程水泥混凝土面層厚度進行了測試，并與鉆芯法的結(jié)果進行對比，探討了地質(zhì)雷達法測試水泥混凝土路面層厚度的適用性。

2 地質(zhì)雷達儀器與原理

2.1 地質(zhì)雷達儀器

主機為美國勞雷公司生產(chǎn)的GSSI SIR20型地質(zhì)雷達儀，選配中心頻率為1 500 MHz的探測天線，使其在滿足探測深度的前提下具有最大的分辨率。

2.2 地質(zhì)雷達測試原理

地質(zhì)雷達是根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播特性不同的原理進行工作的。

地質(zhì)雷達通過發(fā)射天線(T)發(fā)出的具有一定頻率的電磁波，電磁脈沖向目標體傳播，當目標體存在差異時，會產(chǎn)生電性差異，進而導致存在差異的界面發(fā)生反射，反射波被雷達接收天線(R)接收并被儀器記錄下來。探測原理見圖1。

反射脈沖總是滯后于發(fā)射脈沖一段時間，這個時間是電磁脈沖通過穿透介質(zhì)的速度和目標體埋藏深度的函數(shù)，即下式：

t=2z/v。

其中，t為電磁波的雙程走時，ns，1 ns=10-9s；z為目標體的埋藏深度，m；v為電磁波在穿透介質(zhì)中的傳播速度，m/ns。

測試系統(tǒng)把發(fā)射的電磁脈沖信號以時間和振幅的函數(shù)記錄下來，稱之為一次掃描。當收發(fā)天線沿地面移動時，記錄地面不同位置上的多次掃描，得到時間域脈沖信號的剖面，構(gòu)成地質(zhì)雷達記錄。

不同的介質(zhì)一般具有不同的介電常數(shù)，電磁波在不同介電常數(shù)的界面會產(chǎn)生反射，通過對反射波的振幅及相位等波形特征進行研究，即可對地下目標體的性狀作出一定程度的判別。

3 地質(zhì)雷達測試方法應用

3.1 測試方法

地質(zhì)雷達測試系統(tǒng)一般由主機、天線、數(shù)據(jù)線、計算機、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件等組成。測試工作時，拖動天線沿布置好的測線，連續(xù)移動。地質(zhì)雷達儀的天線一般是收發(fā)一體的天線。發(fā)射天線向路面發(fā)射一定主頻的電磁波，電磁波在路面介質(zhì)中傳播，遇到不同介質(zhì)會產(chǎn)生波的反射。反射波被接受天線接收，通過數(shù)據(jù)線傳回數(shù)據(jù)采集軟件并被記錄。

測試時，沿測線以一定的速度移動天線，連續(xù)采集測試數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)后處理軟件，即可獲得該測線沿探測深度的一個剖面圖。

3.2 儀器參數(shù)設置

被測試路段的水泥混凝土面層設計厚度為20.0 cm，其下為水泥穩(wěn)定土基層。

根據(jù)混凝土面層的厚度，設定測試參數(shù)。測試系統(tǒng)的主要參數(shù)設置為：增益為5點線性增益，時窗長度為8 ns，有效探測深度約40 cm。主頻1 500 MHz，高頻截止頻率3 000 MHz，低頻截止頻率為500 MHz。

3.3 測線布置

測線沿道路走向布置在混凝土板的中間位置。并在測線旁邊放置皮尺，記錄距離位置。

共布置3條測線，每條測線長20 m。具體測線編號與樁號信息如下：

1號測線：樁號0+100～0+120；

2號測線：樁號0+200～0+220；

3號測線：樁號0+300～0+320。

測試時，把收發(fā)天線沿測線路面移動，連續(xù)掃描。

3.4 測試結(jié)果

3條測線測試結(jié)果經(jīng)該雷達圖像經(jīng)濾波、反褶積、零點校正、增益調(diào)整、遷移等數(shù)據(jù)處理后的雷達圖像見圖2～圖4，每幅圖像長度為20 m，橫軸為水平距離(樁號)，每1 m打一個標記，縱軸為深度，單位為m。

用橫向白色虛線把設計厚度、分界面線分別在圖上標記出來，方便查看。通過交界面的深度可以計算出該處混凝土路面層的厚度。

從測試結(jié)果的雷達圖像可以看出，水泥混凝土路面面層與水泥穩(wěn)定土基層具有明顯的交界面。說明選擇合適的天線和參數(shù)設置，地質(zhì)雷達法的分辨率是能夠滿足測試水泥混凝土路面層厚度的要求的。

3.5 地質(zhì)雷達法與鉆芯法的對比

鉆芯法按照JTG 3450—2019公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程中的“T003—2019鉆芯和切割取樣方法”章節(jié)要求操作。

通過分析各測線的雷達圖像，鉆芯取樣位置選擇在交界面波動較大，混凝土路面層厚度與設計偏離較大，容易產(chǎn)生爭議的地方，各對比驗證取樣位置見圖2～圖4。

各對比驗證點的鉆芯法測試結(jié)果與地質(zhì)雷達法測試結(jié)果見表1。

分析表1的數(shù)據(jù)可知，地質(zhì)雷達法測試的混凝土面層厚度與鉆芯法測試結(jié)果相差不大，鉆芯法測試結(jié)果稍小于地質(zhì)雷達法。可能是由于鉆取芯樣時，不能完整取出水泥穩(wěn)定土基層與混凝土面層交界面處的混凝土。從一定角度上來講，地質(zhì)雷達法測試更確切的反映了混凝土面層的實際厚度。

表1 地質(zhì)雷達法與鉆芯法測試結(jié)果匯總表

4 結(jié)語

本文通過開展地質(zhì)雷達法對水泥混凝土路面面層厚度進行了測試，并與鉆芯法測試結(jié)果進行了對比，通過分析可知：

地質(zhì)雷達法分辨率能夠滿足測試水泥混凝土路面層厚度的要求，且測試結(jié)果與鉆芯法測試結(jié)果相差不大。

相比于鉆芯法，地質(zhì)雷達法更方便、快捷，自動化程度更高，提高了工作效率，能完成對道路全段進行不間斷的測試，而且測試結(jié)果直觀。

對地質(zhì)雷達法探測有爭議的部位，可配合鉆芯法進行驗證，更客觀、真實的反映出測試結(jié)果。