探地雷達在瀝青路面隱性病害檢測中的應用研究

胡德雄

(莆田市高速公路建設有限公司，莆田 351100)

瀝青路面養護過程中，對路表各類病害產生原因進行精準分析，對路面結構層內部各類隱性病害進行準確識別，是科學、合理制定養護方案的重要依據之一。通常，路面結構層內的松散、開裂、脫空等隱性病害，需根據路面表觀病害類型及特征進行現場取芯，并對芯樣的完整性和損壞狀態進行評估。取芯法能夠直接反映路面結構內部的病害類型和深度，但同時存在檢測不連續、效率低、檢測深度有限、隨機性較大、對路面結構造成損傷等不足。因此，路面結構內部的隱性病害，往往發展至道路表面時才能被發現。

探地雷達(ground penetrating radar，GPR)能夠實現對路面結構內部隱性病害的連續、快速、無損識別，且通過變換雷達天線頻率，可實現不同深度隱性病害的檢測。因此，探地雷達在道路工程的質量評定、病害檢測、養護設計等領域廣受關注。Pitoňák等[1]采用頻率為2 GHz的天線，評估了某道路結構層厚度對設計厚度的符合度。Liuzzo等[2]通過對比GPR檢測和取芯法的結構厚度數據，驗證了GPR檢測路面結構層厚度的有效性。20世紀80年代以來，我國逐步開展了GPR研究及其在道路工程中的應用。趙華閣等[3]研究表明，GPR可以應用于道路的檢測、質監、養護過程。劉恒[4]和陶向華[5]將GPR應用于道路面層和基層的病害檢測，取得了良好效果。曹雪山等[6]系統介紹了GPR在路面結構厚度、介電常數、路基和路面病害與缺陷發育、養護決策制定等方面的應用原理和方法。

國內外研究表明，GPR對結構層厚度、結構層內部開裂、松散、脫空、黏結不良等病害能夠有效識別和快速檢測，在道路養護方案設計中應用廣泛。但GPR作為一種專業檢測設備，對檢測人員的操作熟練程度、工程經驗、病害識別與分析具有較高的要求。制定典型病害圖譜，能夠有效指導檢測人員的操作作業，對病害的判斷起到輔助和參考作用。

本文在已有研究成果的基礎上，將GPR應用于G205國道路面結構層的病害檢測。通過對結構層內部開裂、脫空、黏結不良等病害的發展層位、樁號等信息進行檢測，為后續的養護方案設計提供指導。并結合典型病害的檢測結果，對結構層內部開裂、黏結不良、土基不密實等典型病害的圖譜和特征進行總結，有助于指導工程人員采用GPR對路面結構層內病害進行準確識別和評判。

1 探地雷達工作原理

探地雷達利用發射天線，將高頻電磁波發射到地面，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時，遇到存在電性差異的界面發生反射，可根據接收到反射波的波形、振幅強度和傳播時間推斷地下介質的分布情況[7]。

2 探地雷達參數設置

2.1 天線中心頻率

信號經過傅里葉變換后，在頻域占用的頻帶范圍為帶寬W，它是信號的最高頻率和最低頻率的差值[8]，在該范圍內，天線阻抗值最小的頻率即為中心頻率fc，天線中心頻率根據式(1)計算可得[9]。

(1)

式中，fc為中心頻率，MHz；x為空間分辨率，m；εr為介質的相對介電常數。

常見路用材料的相對介電常數和電磁波傳播速度[10-12]如表1所示。

表1 常見路用材料的相對介電常數和電磁波傳播速度

在實際道路檢測中，土基中空洞的探測，選擇中低頻天線(80～200 MHz)；路面結構層內缺陷的檢查，選擇中頻天線(500～1 000 MHz)；橋面鋪裝層內缺陷或瀝青路面各結構層厚度的檢測，選擇高頻天線(>2 000 MHz)，并采用地面耦合型雷達貼地檢測[13]。

2.2 探測時窗

探測時窗是指GPR接收信號從開始到結束的時間長度，時窗長度的設置主要受檢測深度和介質的相對介電常數影響[14-15]，計算公式見(2)。

(2)

式中，D為探測時窗，ns；H為最大探測深度，m；v為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns。

3 探地雷達數據處理

雷達數據濾波處理步驟如圖1所示。重采樣可提高圖像縱向可視精度，靜校正可移除淺部無效信息(去除空氣部分的雷達波)，增益可以放大深部信號，背景去除可以去除圖像中整體存在的水平干擾成分，巴特沃斯帶通濾波可有效去除信號中無用的高頻和低頻部分，滑動平均可以使圖像更加平滑，進一步去除圖像中存在的毛刺噪聲。

圖1 雷達數據濾波處理步驟

濾波效果對比如圖2所示。根據圖2(b)中雷達波形態的不同，可對路面結構層狀況和路面內部病害進行分析，如是否存在基層開裂、松散、層間黏結不良等病害。

(a) 原始雷達灰度

4 工程應用分析

本次雷達檢測路段為G205國道K1120+500～K1121+350雙向行車道。檢測當天天氣良好，現場路面無積水等不良狀況。

4.1 雷達檢測參數設置

探地雷達檢測參數設置如表2所示，其中，測距方式為測距輪。

表2 探地雷達檢測參數設置

4.2 雷達檢測圖像分析

4.2.1 上行方向K1120+550段行車道

該路段瀝青面層已進行銑刨，銑刨后基層表面未發現明顯裂縫、松散等情況。根據雷達灰度圖分析，未發現基層開裂等病害。上行方向K1120+550段輪跡帶雷達檢測圖像如圖3所示。

(a) 右側輪跡帶

由圖3可知，右側輪跡帶除局部存在上下基層黏結不良外，未見反射裂縫、松散等病害，基層整體狀況良好，未見明顯結構性病害。土基與下基層之間出現多次強烈反射，判斷存在局部脫空、層間富水等病害。左側輪跡帶的上下基層存在局部黏結不良問題，土基部位雷達波分界面出現起伏，初步判斷存在土基不均勻沉降現象。

4.2.2 上行方向K1120+970段行車道

該路段瀝青路面表面未見明顯病害。上行方向K1120+970段行車道雷達檢測圖像如圖4所示。

圖4 上行方向K1120+970段行車道雷達檢測圖像

由圖4可知，該路段基層整體情況良好，上下基層間存在局部黏結不良問題。土基層與下基層的分界面存在起伏，判斷存在輕微的不均勻沉降現象，造成局部脫空。此外，在檢測區段發現兩條自下基層至上基層頂面的貫穿裂縫，在雷達圖像中該路段面層與基層間同相軸連續、無雜波，裂縫位置同相軸不連續、波形上凸，初步判斷為半剛性基層開裂導致的反射裂縫。上行方向K1120+970段反射裂縫如圖5所示。

(a) K1120+990段

4.2.3 上行方向K1121+150段超車道

該路段超車道可見多條橫向裂縫，局部伴隨坑槽和唧漿現象。上行方向K1121+150段雷達檢測圖像如圖6所示。

圖6 上行方向K1121+150段雷達檢測圖像

由圖6可知，該路段基層與面層之間的黏結狀況不良，上下基層之間存在分離狀況。基層局部存在輕微松散狀況，在雷達圖像中該位置同相軸不連續、波形雜亂且不規則，裂縫主要產生于瀝青面層，預計為疲勞裂縫。上行方向K1121+150段局部病害如圖7所示。

(a) 面層裂縫

下基層與土基間存在脫空狀況，推測為土基不均勻沉降造成，上行方向K1121+150段土基病害如圖8所示。

(a) 雷達灰度

4.2.4 上行方向K1121+250段行車道

上行方向K1121+250段雷達檢測圖像如圖9所示。

圖9 上行方向K1121+250段雷達檢測圖像

由圖9可知，該路段的基層與面層存在局部黏結不良、土基不均勻沉降等問題，在雷達圖像中該處同相軸彎曲且下凹，部分段落脫空較嚴重。

4.2.5 下行方向K1121+200段超車道

下行方向K1121+200段基層病害雷達檢測圖像如圖10所示。該路段存在密集橫向裂縫，輪跡帶位置出現縱向裂縫，伴隨唧漿現象。

(a) K1121+244處土基沉陷

由圖10可知，該路段基層與土基層間同相軸彎曲下凹，判斷土基出現不均勻沉降現象。K1121+244段和K1121+320段超車道，上下基層間同向軸不連續、波形雜亂且不規則、嚴重區域高亮顯示，判斷基層出現松散病害。K1121+356段瀝青面層與基層間同相軸連續，下基層裂縫呈拋物線上凸至上基層處，未貫穿至上基層頂面，判斷為自基層至面層的反射裂縫。K1121+220段出現基層碎裂。

4.3 探地雷達檢測典型病害圖譜

4.3.1 黏結不良

層間脫空雷達灰度圖如圖11所示。黏結不良或脫空通常出現在面層與基層、上下基層間，在雷達圖像中主要表現為：①同相軸連續，但反射強度大于層間黏結較好位置處的反射強度。圖11方框指示區域表現為雷達圖像中該層位處顯著區別于周圍的高亮區域。②層間黏結處振幅增大。圖11橢圓指示區域表現的脫空層位處的雷達波振幅幅值為該道雷達波中振幅最大值。

圖11 層間脫空雷達灰度圖

4.3.2 土基不均勻沉降

土基不均勻沉降雷達灰度圖如圖12所示。土基不均勻沉降識別特征為：①從路基至上基層頂部均會出現同相軸錯段、波形雜亂，如圖12方框標識位置所示，基層與土基間分界線不平整；②從路基延伸至基層頂部均有強反射振幅，如圖12橢圓指示區域雷達波的振幅，即表示由基層頂部向下均振幅強烈。

圖12 土基不均勻沉降雷達灰度圖

4.3.3 裂縫

裂縫雷達灰度圖如圖13所示。裂縫的識別特征為：路表同相軸連續，無雜波，上下基層間同相軸不連續，裂縫位置波形上凸，圖13凸型曲線指示位置為基層反射裂縫，橢圓指示區域表現為裂縫處雷達波振幅變大。

圖13 裂縫雷達灰度圖

4.3.4 土基不密實

土基不密實雷達灰度圖如圖14所示。土基不密實識別特征為：①界面反射信號強，信號為強反射信號。②同相軸不連續，錯斷。③一般區域化分布，如圖14方框指示。

圖14 土基不密實雷達灰度圖

5 結論

本文采用探地雷達對G205國道瀝青路面結構內部隱性病害進行了檢測，從檢測結果看，探地雷達能夠對路面結構內部的開裂、松散、脫空、黏結不良等隱性病害進行有效識別和檢測，且該法具有無損、高效、交通干擾小等優勢。

(1) 本檢測路段行車道基層狀況良好，局部存在少量松散和反射裂縫等問題。檢測路段中，除下行方向K1121+200～K1121+370段基層破損較嚴重外，其余路段基層完整性良好。

(2) 土基的不均勻沉降對路面結構影響主要體現為下基層與土基間的脫空，部分嚴重路段可造成貫穿型反射裂縫。

(3) 本檢測路段路表橫向裂縫主要類型為反射裂縫和疲勞裂縫，縱向裂縫多為車道間的施工縫，下基層一般伴隨松散病害。

(4) 本文提供了開裂、層間黏結不良、土基不密實等典型路基路面隱性病害雷達圖譜，結合雷達灰度圖，介紹了病害的識別要素，為其他同類病害檢測提供了參考。