地質(zhì)雷達(dá)檢測道路結(jié)構(gòu)的理論及應(yīng)用探究

顏魯春

（甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在我國社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展中，公路建設(shè)屬于城市建設(shè)發(fā)展關(guān)注的焦點，實際質(zhì)量檢驗也成為相關(guān)部門關(guān)注的焦點。根據(jù)我國實踐發(fā)展提出的道路建設(shè)規(guī)范要求，公路建設(shè)質(zhì)量檢驗最常見的操作方法有兩種，一種是指常規(guī)土工實驗方法，另一種是指鉆探取芯的實驗方法。結(jié)合實踐應(yīng)用角度來看，這兩種方法都會造成路面或多或少的破損。而地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)作為一項擁有極強功能的淺層地球物理探測儀器，不僅能準(zhǔn)確計算速度，還可以全面掌握道路結(jié)構(gòu)和電磁波的反射特征。因此，本文研究提出了全新的波束計算方法，以便在道路無損檢測中獲取更為有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 原理分析

地質(zhì)雷達(dá)也被稱作地質(zhì)勘探雷達(dá)系統(tǒng)，主要是向所檢測的地面下方發(fā)射高頻電磁波束，并接收源自地下介質(zhì)層面反射波，由此了解地下介質(zhì)分布的地球物理探測設(shè)備。從實踐角度來看，這類設(shè)備在實踐操作中可以實時呈現(xiàn)圖像變化，整體系統(tǒng)操作靈活便捷，更可以從中得到準(zhǔn)確定位和極高的分辨率[1]。現(xiàn)如今，這一技術(shù)理論已被廣泛運用到生態(tài)環(huán)境檢測、工程質(zhì)量的無損檢驗、礦產(chǎn)資源的深入探究等多個領(lǐng)域，并且在實踐推廣中獲取了更多的經(jīng)濟社會效益。地質(zhì)雷達(dá)檢測屬于一種運用高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布情況的非破壞性檢測儀器，會利用剖面掃描的方式獲取地下剖面的圖像信息。

雷達(dá)在利用地面移動的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻的電磁波，而相應(yīng)電磁波在介質(zhì)中傳播，實際強度和波形將會跟隨介質(zhì)的幾何狀態(tài)和電性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。根據(jù)接收波的旅行時間、波形資料、幅度變化都可以準(zhǔn)確判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。一般情況下，雷達(dá)圖像經(jīng)常利用脈沖反射波的形式進(jìn)行記錄，波形的正負(fù)峰要利用黑白兩種方式來表示。這樣可以在相同數(shù)軸上利用等射線何等灰度來呈現(xiàn)地下的反射面。下圖1為波形的記錄信息，在實踐探究中利用簡單的地質(zhì)模型得到波形記錄信息，可以在圖形中利用側(cè)線的鉛垂方向記錄圖形變化，由此得到雷達(dá)時間的剖面，而對這一圖像進(jìn)行解讀判斷可以掌握地下介質(zhì)或地質(zhì)體的空間位置和結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 雷達(dá)波形記錄的示意圖

2 道路結(jié)構(gòu)與電磁波的特征

結(jié)合下圖2所示分析可知，道路結(jié)構(gòu)通常分為三層，按照所選材質(zhì)和道路等級進(jìn)行劃分，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)層次厚度也會發(fā)生改變。一般來講，面層厚度控制在8到30厘米之間，基層厚度要控制在20到40厘米之間，路基層的厚度變化更大。假設(shè)各層的電性存在較大差異，那么將會在界面中得到直觀呈現(xiàn)，換句話說就會產(chǎn)生反射。

圖2 結(jié)構(gòu)層次及地質(zhì)雷達(dá)掃描波形

在上述圖形中，△t1和△t2代表雷達(dá)脈沖經(jīng)過面層和基層的雙程旅行，反射脈沖信號的強度和介面的波反射系數(shù)、穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)有直接關(guān)系，主要會受周邊介質(zhì)和反射體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)所影響[3]。

在計算衰減系數(shù)的過程中，實際波的吸收水平和衰減系數(shù)有直接關(guān)系，可以利用以位移電流為核心的煤質(zhì)進(jìn)行計算分析，由此可以得到衰減系數(shù)的近似數(shù)值為：

在公式1中，β代表衰減系數(shù)，單位為Np/m，σ代表介質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為s/m，μ0代表真空狀態(tài)下的磁導(dǎo)率，ε代表介電常數(shù)，εt代表地下介質(zhì)相對介電常數(shù)。

在計算研究反射系數(shù)的過程中，不管是道路檢測經(jīng)常運用的頻率范圍，還是接收天線和發(fā)射天線之間的距離，地質(zhì)雷達(dá)波形變化都可以看作是法向入射，根據(jù)斯奈爾定律分析可知，反射系數(shù)R12可以簡化成：

在公式2中，ε1代表第一層的相對介電常數(shù)，ε2代表第二層的相對介電常數(shù)，R12代表反射系數(shù)。

在計算分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中，要從以下三點入手：

第一，要結(jié)合經(jīng)驗和之前研究的波束計算方法，準(zhǔn)確研究各個層次的波束變化，再根據(jù)電磁波傳播的雙程旅行計算公式得到不同層次的厚度，具體公式如下所示：

在公式3中，H代表反射點的埋深，單位為m；v代表電磁波在介質(zhì)之中的傳播速度，單位為m/ns；t代表電磁波傳播的雙程旅行的時間；x代表發(fā)射天線與接收天線之間的距離。

第二，從理論角度分析，電磁波的傳播速度v和介質(zhì)之間的相對介電常數(shù)εr具備一定的關(guān)聯(lián)性，由此入手研究介電常數(shù)和介質(zhì)的水分體積分?jǐn)?shù)ψ，可以得到彼此之間的近似關(guān)系如下所示：

在公式4中，εt代表地下介質(zhì)相對介電常數(shù)，ψ代表介電常數(shù)和介質(zhì)的水分體積分?jǐn)?shù)。

同時，還要運用地球物理測井零中最常見的梯級模型估計分析混凝土中所包含的水分體積分?jǐn)?shù)。假設(shè)道路結(jié)構(gòu)的某一層次選用了固體填料、水、空氣進(jìn)行填充，那么在混合介質(zhì)包含水的情況下，最小水分體積分?jǐn)?shù)的計算公式如下所示：

結(jié)合上述分析還可以得到最小水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體計算公式如下所示：

在公式5和公式6中，ψwmin代表最小水分體積分?jǐn)?shù)，ε代表混合介質(zhì)的靜電場數(shù)，εs代表固體填料的介電常數(shù)，εw代表水的介電常數(shù)，Wwmin代表，d代表固體填料的密度。假設(shè)這一數(shù)值的取值范圍控制在最大干容重，那么所得到的最小水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和實際結(jié)果相接近。

第三，在明確水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w之后，要利用近似公式研究壓實度K，具體公式如下所示：

在公式7中，K代表壓實度，dmax代表檢測區(qū)域內(nèi)的最大干容重，w代表水質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 道路結(jié)構(gòu)中的地質(zhì)雷達(dá)檢測應(yīng)用

當(dāng)前，城市建設(shè)發(fā)展所構(gòu)建的高速公路大都存在壓實度不達(dá)標(biāo)、含水量過高等問題，從而導(dǎo)致路基在應(yīng)用期間出現(xiàn)過量沉陷，最終形成空洞等問題。道路結(jié)構(gòu)中的面層在自然風(fēng)化和行車載荷的影響下，必然會出現(xiàn)路面受損。針對這一現(xiàn)象，如何在道路運輸管理中，準(zhǔn)確掌握出現(xiàn)病害的主要原因，成為當(dāng)前相關(guān)部門和科研學(xué)者關(guān)注的焦點。以往選用的檢測方式不僅操作過程繁瑣，而且對路面會造成一定的影響，最終也無法準(zhǔn)確掌握道路內(nèi)部的隱藏病害。在不影響道路車輛正常運行的情況下，也不會破壞路面結(jié)構(gòu)，科研學(xué)者提出優(yōu)先選用無損檢測技術(shù)，這也是當(dāng)前道路結(jié)構(gòu)監(jiān)測管理發(fā)展的必然方向。需要注意的是，公路無損檢測方法的應(yīng)用要滿足三項條件，首先要準(zhǔn)確判斷道路缺陷的大小、形狀、深度等基礎(chǔ)信息，其次要對路面進(jìn)行無損檢測操作，最后可以在大范圍內(nèi)實時檢測操作，且不會受周邊環(huán)境的影響[4]。

3.1 識別反射波

這項操作涉及到對道路結(jié)構(gòu)各個層面的反射波幅值變化和位置判斷。其中，地表的反射波變化非常明顯，原因在于其相應(yīng)的幅值變化是最大的，所以很容易進(jìn)行人工識別。而掃描波形中存在多種反射波，所以計算機很難自動識別不同反射波的源頭，此時要對各類反射波進(jìn)行深入探討，并輔助計算機平臺進(jìn)行判斷分析。常見的判斷，依據(jù)分為兩種，一種是指時間特征，另一種是指幅值變化。不同層次所發(fā)射的波形幅值都具有局部極大值的特征。假設(shè)在面呈和基層只進(jìn)行一次反射，那么地表反射波之后的第一個波幅極大值通常就是基層的反射波。在檢測道路之前，工作人員要完善了解道路結(jié)構(gòu)設(shè)計的厚度變化，并及早估算反射層的旅行時間特征，并由此為計算機設(shè)計自動識別的初始數(shù)值，以此提升數(shù)據(jù)解釋的有效性[5]。

3.2 明確波速

反演波束的精確度直接影響著道路結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演結(jié)果。因為當(dāng)前道路結(jié)構(gòu)檢測厚度的精確度要求非常高，通常要換算成毫米，所以根據(jù)常規(guī)的速度計算方法很難達(dá)到實踐檢測要求，因此本文在研究中提出了準(zhǔn)確度更高的應(yīng)用方法，也就是振幅補償法。這種方法在實踐應(yīng)用中會將實際觀測到的雷達(dá)波曲線及其在金屬板檢測所獲取的標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)波反射曲線進(jìn)行對比分析，而后明確雷達(dá)波在面層和基層的傳播速度[6]。

結(jié)合上文分析可知，在平面雷達(dá)波垂直進(jìn)入電性分析界面的情況下，介質(zhì)所包含的雷達(dá)波速度公式為：

在公式8中，v代表雷達(dá)波速度，εr代表電性分析界面的介質(zhì)，m/ns是單位。

從道路結(jié)構(gòu)的層次分析角度來看，通常情況下下部分雷達(dá)波的速度要比上半部分高，具體公式如下所示：

在公式9中，R12代表反射系數(shù)，v2代表傳播速度，v1代表空氣中雷達(dá)波傳播速度，為0.3m/ns。

在明確道路結(jié)構(gòu)層雷達(dá)波傳播速度的過程中，先假設(shè)v1代表空氣中雷達(dá)波傳播的速度，Ap代表路面反射波的振幅變化，Am代表金屬板表層反射波的振幅變化，通過對實際檢測到的振幅變化進(jìn)行補償，那么就可以得到如下所示的公式：

在公式10中，R12代表反射系數(shù)，Am代表標(biāo)定金屬板表層反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅。

整合上述公式分析，可以計算出雷達(dá)波在道路面層中的傳播速度，具體公式如下所示：

在公式11中，Am代表標(biāo)定金屬板表層反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅，v2代表傳播速度。

上述計算方法可以明確雷達(dá)波在路面介質(zhì)中的傳播速度，而后利用鉆孔標(biāo)定法對實際建筑施工所面臨的地質(zhì)雷達(dá)檢測問題提供依據(jù)，控制數(shù)據(jù)處理期間存在的誤差，既能明確檢測所運用的反射波及其波速，又可以全面掌握道路結(jié)構(gòu)特征。

4 結(jié)語

綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)依據(jù)自身具備的高精度和高效性在道路結(jié)構(gòu)研究中展現(xiàn)出了積極作用，并在實踐應(yīng)用中取得了優(yōu)異成績。但從整體角度來看，由于所處地形和工程任務(wù)各有差異，選用地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)要涉及不同的雷達(dá)參數(shù)和頻率天線，所以在科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟不斷發(fā)展中，科研學(xué)者需要在持續(xù)開發(fā)探索雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，擴大地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，并充分展現(xiàn)其所表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢。