基于三維探地雷達技術的路面病害分析和控制對策

魏克森，陳 凱，韓文揚，韋金城

(1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250100；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102)

0 引 言

路面病害是影響瀝青路面使用年限和使用性能的重要因素，對于瀝青路面施工后的病害檢驗，常規的方法是通過現場取芯的方式，然后在實驗室進行檢測，從而得到一系列的參數，如強度、厚度、壓實度等指標。雖然這種方法具有操作簡便、直觀準確的優勢，但隨機取樣缺乏代表性，而且鉆芯取樣過程會損害路面結構，即使進行修補，隨著道路使用年限的增加，取芯部位也會不可避免的出現坑槽、沉陷等病害。三維探地雷達(Three Dimensional Ground Penetrating Radar，3D GPR)具有檢測速度快、范圍廣、定位明確的特點，現被廣泛應用于瀝青路面厚度檢測、密度檢測和路面結構層內部病害調查等領域，能夠實現實時三維顯示，大幅度提高了路面的檢測效率。本文通過對安徽省合安高速公路進行雷達檢測，描述了路面病害在雷達圖像上的顯示特征，進行病害分析進而提出控制措施。

1 三維探地雷達的工作原理

三維探地雷達的工作原理如下:三維探地雷達利用發射天線向地面發射高頻電磁波，在遇到異電界面R0(兩種不同介電常數介質的界面，即空氣和面層)時，會在分界面處發生反射和折射，角度分別為α1和β0，折射信號作為入射信號向下傳播，在R1(面層與基層)界面再次發生反射和折射，分別為角度β1和γ0，折射信號繼續向下傳播，而反射回來的信號都會由接收天線接收，經過信號處理機等一系列處理，從而得到信號連續的測量剖面，形成雷達剖面圖，具體詳見圖1。

圖1 檢測原理圖

在介電常數發生變化的界面處高頻電磁波會發生反射。在路面結構中，裂縫、沉陷等病害區域通常孔隙率大，含水率高。瀝青混凝土、空氣和水的介電常數明顯不同，當信號波到達路面病害區域時，會發生反射，這些電磁波是雷達成像的主要依據。

三維探地雷達系統采用了天線陣技術，具有很高的分辨率。采用GeoScope-TM探地雷達天線陣，如圖2所示，由21對電子掃描天線振子組成，間距為0.075 m，可同時采集21條測線，不僅提高了探測效率，而且實現了三維成像。

圖2 三維探地雷達天線內部振子排列圖

2 瀝青路面病害類型及其雷達圖像特征

2.1 裂縫

根據電磁波的垂直疊加原理，裂縫處在探地雷達圖像中會形成特殊的垂直特征信號，這是辨別裂縫的主要依據。由于水、空氣和瀝青混合料三者的介電常數差異較大，因而導致電磁波在傳播過程中造成影響，使圖像中的形狀差異。裂縫在雷達圖像上的識別特征如下：(1)裂縫部位介電常數小于正常路面介電常數；(2)同相軸不連續，裂縫位置波形上凸，雷達橫斷面圖上可看到條形強反射區域；(3)若裂縫中為空氣，從瀝青路面進入裂縫，相位為負，少見明顯負峰。

2.2 沉陷

路面沉陷在路面結構中存在明顯的豎向位移，在沉陷區域的介電常數和平整路面的介電常數存在很大差異，進而在探地雷達圖像上存在明顯的區別。沉陷病害在雷達圖像上的識別特征如下：(1)沉陷部位介電常數明顯小于正常部位介電常數；(2)同相軸彎曲，多表現為下凹，沉陷嚴重部位出現同相軸錯動；(3)沉陷部位出現強反射振幅。

2.3 松散

由于施工工藝不達標可能導致路面形成離析等。隨著使用年限增加，會降低路面的承載能力，在外界環境的作用下，會造成基礎的塌陷。松散在雷達圖像上的識別特征如下：(1)松散部位介電常數要小于正常部位介電常數；(2)同相軸不連續，波形雜亂，不規則，波形雜亂程度隨松散程度加大而加劇；(3)介電常數變化導致振幅增大。

3 工程實例

為進一步研究路面中各種病害在三維探地雷達圖像的差異性，通過對安徽省合安高速公路改擴建項目，樁號為K68+950～K69+950路段進行探地雷達檢測，檢測里程1 km，路面結構為4 cm AC-13上面層+6 cm AC-20中面層+6 cm AC-20下面層+18 cm泡沫瀝青基層，本檢測流程如下。

(1)測線員確定測線起終點與測試方向。

(2)每次檢測時，雷達檢測車自動采集橫向1.8 m寬度的數據。

(3)每條測線的數據采集由巡檢車跟隨，以保證行車安全。

對于實時采集到的數據，現場分析人員進行初步分析。必要時調整頻率，進行追加檢測再度進行數據采集。用三維雷達對路面結構進行掃描，以了解路面結構的病害范圍及深度，典型路段雷達掃描圖像描述如下。

圖3是通過三維探地雷達最終繪制出的雷達剖面圖，可以根據層間的介電常數不同，清楚地測出各個層位(路基、底基層、基層、面層)，進而進行觀察、分析每一層的病害。以下對測得的路面進行病害分析，如圖5～圖7所示。

圖3 路面結構雷達剖面圖(K69+572～K69+620)

圖4 道路面層橫向裂縫雷達剖面圖及俯視圖(K69+172)

圖5 路基沉陷雷達剖面圖及俯視圖(K69+211～K69+214與K69+244～K69+247)

圖6 道路基層內部破損、松散雷達剖面圖及俯視圖(K69+132～K69+154)

圖7 合安高速公路病害匯總圖

由圖4所示，在K69+172處出現一道橫向裂縫，在縱斷面圖中同相軸中斷，波形局部上凸；在橫斷面圖中，有帶狀異常雷達圖像區域。經分析，由于路面的低溫收縮或者半剛性基層收縮以及切縫不及時，施工過程中攤鋪、碾壓方式不當從而形成橫向裂縫。由圖5所示，在K69+211～K69+214與K69+244～K69+247兩段分別出現了沉陷，基層出現強反射區域，波形雜亂，經分析，由于土路基的密實度不足，地質資料不夠全面，對一些影響穩定性的地質構造如地下溝渠等不了解，導致路基沉陷。由圖6所示，在K69+132～K69+154段出現部分松散，基層同相軸不連續，波形雜亂，不規則。經分析，由于基層材料質量不合格以及壓實、攪拌工藝不規范，下層施工碾壓后的標高低于設計標高，因此上層厚度需要加厚，而加厚之后超過了分層碾壓厚度要求，則壓實度達不到要求造成松散。

4 施工過程中的控制措施

根據對該高速公路路段進行雷達檢測，病害個數匯總如圖7所示，此路段的面層病害總數有10處，而基層病害總數有76處，可知基層的病害個數遠遠大于面層的病害個數，因此在施工過程中要注重對基層的質量檢驗，對于預防路面病害，針對施工過程中的控制有以下幾點。

(1)運輸過程中的控制。在運輸車頂部覆蓋篷布，并且采用合理的裝料和卸料方式，裝料時分三個不同的位置裝料，按照在車廂前后中的順序裝料，這樣會減小瀝青混合料在運輸車中的離析程度。當運輸車將料卸入攤鋪機料斗時，要盡量使混合料整體卸落，車廂底板應處于良好的封閉狀態并內涂潤滑劑，實現卸料均勻、快速。

(2)攤鋪過程中的控制。合理調整攤鋪工藝，尤其注意攤鋪機兩側的鋪筑質量，避免粒徑較大的集料集中在兩側造成離析。盡量減少攤鋪機受料斗的受放次數以減少路面出現周期性局部離析。攤鋪過程中應隨時檢查施工質量，出現缺料、離析等現象時及時補灑填料。為解決離析和平整度問題，對攤鋪過程而言，主要是從螺旋分料器的結構設計和運動學參數來加以控制。

(3)碾壓過程中的控制。根據工程實際情況，確定初壓、復壓和終壓遍數。合理調整壓路機的壓實功，以免在起振、停振過程中造成路面沉陷。壓路機不得在碾壓過程中隨意制動，不得在碾壓的路面上加水、加油，避免各種油類物質滲入路面產生病害。禁止壓路機停留在已完成但尚未降到自然溫度的路面上。

5 結 論

通過運用三維探地雷達對路面進行檢測，對測得的路面病害進行分析，從而得出的結論如下。

通過描述三維探地雷達天線陣技術，解釋了探地雷達在路面病害檢測中的工作原理，并提出了裂縫、沉陷、松散在雷達圖像上的顯示特征；

(2)通過三維探地雷達對合安高速公路部分路段進行雷達檢測，分析了裂縫、沉陷、松散在圖像上的表現特征，進而根據施工情況分析了病害產生的原因；

(3)通過三維探地雷達檢測出來的病害總數，分析了路段產生病害的原因，進一步提出了在施工運輸、攤鋪、碾壓過程中的控制措施，為今后新建或改建道路施工提供借鑒。