基于GPR的瀝青路面厚度檢測及均勻性評價*

陳雍春 于曉賀 楊川文

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海 200092； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

瀝青路面厚度均勻性作為瀝青路面性能評價的重要指標之一，是用于評價瀝青路面厚度差異及離析程度的重要依據。瀝青路面厚度的不均勻，不僅會導致瀝青路面力學性能和使用性能降低，也會導致瀝青路面在荷載和雨水的作用下出現嚴重的病害，縮短道路的使用壽命[1-2]。因此，采用合理的評價手段對瀝青路面厚度均勻性進行精準評價，可在一定程度上預防瀝青路面出現嚴重病害問題，對瀝青路面使用壽命的保障具有重要的意義[3-4]。

目前，我國通常采用鉆芯取樣的方式對瀝青路面的厚度均勻性進行檢測評價，具有簡便、直觀、準確的特點。但該種方法隨機選點，具有一定的主觀性，不能全覆蓋地對瀝青路面厚度均勻性進行檢測，同時作為一種有損檢測方式，會破壞瀝青路面的結構，具有較大的局限性[5-6]。探地雷達(ground penetrating radar，GPR)作為一種新型的無損檢測設備，利用超高頻電磁波的發射與接收技術作為核心技術，具有高效、快速、連續、成本低等優勢，已成為道路無損檢測技術的重要組成部分，具有廣闊的應用前景，同時也為瀝青路面厚度均勻性評價提供了新的研究思路[7-8]。

本文依托于湖北省漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段，采用探地雷達對瀝青路面厚度均勻性進行檢測與評價，同時以鉆芯取樣得到的結果作為對比，驗證探地雷達檢測結果的精確性，從而實現完整、精準評價，為采用探地雷達對瀝青路面厚度均勻性進行精準評價提供了實際依據。

1 技術原理

1.1 探地雷達無損檢測技術原理

探地雷達是利用超寬帶電磁波脈沖，在近地面狀態下進行地下結構探測、道路病害分析等方面取得一定應用的新型無損檢測設備，涵蓋了包括納秒脈沖源技術、瞬態電磁場理論、時域測量技術和信號處理技術等多方面的技術成果，可以實現高效、快速地無損檢測，操作簡便、高效，具有多方面的優勢[9]。本研究采用的是武漢理工大學與美國德州農機大學聯合開發的WB1-21型路用探地雷達無損檢測設備，與其他無損檢測設備相比，其在精確度及穩定性方面等均有較大的優勢。

探地雷達測量的基本原理是基于電磁波在各結構層交界面處的反射時間及傳播速度而計算得到瀝青路面厚度。要計算得到某一結構層的厚度，其關鍵在于確定電磁波在該結構層的傳播情況，確定電磁波在該結構層的傳播時間t及傳播速度v，通過式(1)計算得到該結構層的厚度h。

h=v·t

(1)

電磁波在介質中的傳播速度v與結構層的介電常數ε有關，可按照如式(2)計算得到。

(2)

式中：c為光速，取3×108m/s。

由式(2)可知，要得到電磁波在某一結構層的傳播速度，首先要測得該結構層的介電常數。

反射界面上、下兩結構層之間的反射系數R與介電常數ε存在如式(3)所示的理論關系。

(3)

式中：ε1為上結構層的介電常數，F/m；ε2為下結構層的介電常數，F/m；R為反射系數，為反射波幅A與全反射波幅A0的比值，R=A/A0。

電磁波進入道路結構層后，在空氣與第一結構層的界面處第一次發生反射，由于空氣的介電常數為ε0=1 F/m，則第一結構層的介電常數可以表示為

(4)

式中：ε1為第一結構層的介電常數，F/m；R0為空氣與第一結構層交界面的反射系數；A1為空氣與第一結構層交界面形成的反射波幅。

第二次反射位于第一、第二結構層的交界面處，此時應該考慮反射層的能量損失系數，可得第一、第二結構層交界面的反射系數為

(5)

則可以得到第二結構層的介電常數為

(6)

式中：ε2為第二層結構層的介電常數，F/m；R1為第一、第二結構層交界面的反射系數；A2為第一、第二結構層交界面形成的反射波幅。

同理可以類推得到不同結構層的介電常數，從而可以計算得到電磁波在各結構層中的傳播速度。由于電磁波在同一結構層中的傳播時間為經過2個結構層厚度的時間(發出+返回)，則結構層的厚度可以表示為

(7)

式中：Δt為電磁波在某結構層中的總傳播時間，s。

由式(7)即可計算得到結構層的厚度。同時基于以上方法，則可以根據檢測深度需要進一步測量得到瀝青上、中、下面層及基層的厚度。

2 試驗設計

2.1 基于探地雷達的瀝青路面厚度數據采集

2.1.1試驗設備及試驗過程

本文采用WB1-21型路用探地雷達無損檢測設備(見圖1)對漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段(K1149+450-K1223+450)的行車道進行瀝青路面厚度數據采集。

圖1 WB1-21型路用探地雷達無損檢測設備

試驗采用的探地雷達檢測頻率為1 GHz，在保證測量深度的前提下能確保測量數據具有一定的精度，檢測時車速為60～80 km/h，在保證檢測效率的同時防止出現劇烈振動對數據采集造成干擾。除外界天氣等因素對檢測過程的影響，應盡可能保持檢測平穩以防止檢測結果出現較大誤差。

2.1.2瀝青路面厚度數據信息提取

本研究采用PaveCheck軟件對探地雷達檢測數據進行分析處理，采用“Both Side Tracking”和“Calculate All”指令對瀝青路面厚度數據進行提取，其過程見圖2。圖2a)中黑色橫線即為瀝青面層與基層的交界面，選擇所示a-a斷面進行計算，圖2b)中顯示計算得到瀝青面層的厚度為17.20 cm，其他斷面瀝青面層厚度計算方式類似。

圖2 瀝青路面厚度數據提取過程

2.2 基于現場芯樣的瀝青路面厚度檢測

2.2.1試驗設備及試驗過程

為了驗證探地雷達檢測數據的準確性，采用在探地雷達檢測路段鉆芯取樣的方式進行驗證，選取在樁號為K1119+500-K1201+500范圍內行車道統一進行鉆芯取樣，采用鉆芯機鉆取直徑為15 cm、深度大于20 cm的圓柱體芯樣，為保證試驗結果的合理性，共鉆取完整芯樣20個。

2.2.2現場芯樣厚度測量試驗

對現場鉆取的20個芯樣樣本進行厚度測量，精度計算到小數點后2位，統計20個現場芯樣的厚度信息，整理見表1。

表1 現場芯樣厚度測量統計表

2.3 探地雷達檢測數據精度驗證

為了驗證探地雷達測量得到的瀝青路面厚度數據的可靠性，采用對比現場芯樣厚度測量數據及探地雷達厚度計算數據的方式進行驗證，同時計算二者的差異值，得到二者厚度對比圖及厚度偏差值結果分別見圖3、圖4。

圖3 各組實測厚度與計算厚度對比柱狀圖

圖4 各組厚度偏差值統計圖

由表1、圖3、圖4可得，由現場芯樣測量得到的瀝青路面平均厚度為17.05 cm，而由探地雷達數據計算得到的瀝青路面平均厚度為17.00 cm，平均偏差為-0.05 cm，計算檢測精度為99.7%，平均相對偏差為0.3%，表明該試驗結果具有較高的精確性，證明采用探地雷達無損檢測設備測量瀝青路面厚度的方法具有較高的精確度，為瀝青路面厚度測量提供了新的思路和技術支持。

2.4 漢十高速公路瀝青路面厚度均勻性評價

由以上研究可知，探地雷達測量瀝青路面厚度具有較高的精確性，因此采用探地雷達對漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費站路段共74 km高速公路進行瀝青路面厚度均勻性進行評價。

根據設計資料顯示，漢十高速公路襄陽北至王城路段瀝青路面設計總厚度為18 cm，瀝青上、中、下面層分別厚為4，6，8 cm，以1 km作為基本單位，提取漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費站74 km中共74個瀝青路面厚度數據，以襄陽北為起始點，可得散點圖見圖5。

圖5 瀝青路面厚度散點圖

由圖5計算可知，漢十高速公路襄陽北至王城收費站瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，瀝青路面平均厚度為17.03 cm，變異系數為5.63%，與瀝青路面設計厚度相比最大差異變化為24.39%。由于變異系數小于15%，可以說明該路段瀝青路面的厚度變異情況較好，但與瀝青路面設計厚度為18 cm相比，瀝青路面厚度達標率僅為12.16%。其原因在于大部分路段由于投入運營后經過車輛荷載作用和瀝青路面表面的磨耗，瀝青路面的實際厚度比設計值較小，而部分超過18 cm的瀝青路面是由于車輛荷載擠壓，出現車轍等病害情況，瀝青路面出現“波浪形”的不平整情況。針對部分瀝青路面厚度差異較大的情況，需要結合養護歷史，分析其是否存在隱藏裂縫和路基脫空等情況，從而決定養護時機和養護手段，保障行車安全性。

3 結語

本文依托于漢十高速公路孝襄段，采用探地雷達對瀝青路面厚度進行檢測，同時結合現場芯樣驗證探地雷達檢測數據的準確性，在此基礎之上對瀝青路面厚度均勻性進行評價，得到如下主要結論。

1) 探地雷達檢測和鉆芯取樣得到的瀝青路面厚度數據對比，可知探地雷達的檢測精度為99.7%，平均相對偏差為0.3%，證明探地雷達檢測結果具有較高的檢測精度，可以作為對瀝青路面厚度檢測及均勻性評價的有效手段。

2) 依據漢十高速公路襄陽北至王城收費站路段雷達檢測結果可以發現，瀝青路面的厚度平均值為17.03 cm，小于瀝青路面的設計厚度，達標率僅為12.16%，其中瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，這與瀝青路面在營運期的車輛荷載作用和瀝青路面表面磨耗具有一定聯系，需要繼續對瀝青路面厚度變化進行監測。

3) 對瀝青路面厚度均勻性進行評價，可以發現其變異系數為5.63%，但與瀝青路面設計厚度相比最大差異變化率為24.39%，說明整體而言瀝青路面厚度均勻性情況良好，但局部不均勻性的問題依然存在，需要對該位置進行進一步檢測，以防出現脫空、沉陷等病害影響行車安全。