基于地质雷达检测技术在公路路面厚度应用

徐建玲

（广东 江门 529000）

基于地质雷达检测技术在公路路面厚度应用

徐建玲

（广东 江门 529000）

文章阐述了地质雷达检测技术在公路路面厚度的工作原理，对地质雷达检测产生误差的原因进行分析，并结合实际工程检测，说明了地质雷达检测技术在公路路面厚度的应用是可行的、可靠的。

地质雷达检测；公路路面厚度；检测应用

随着电子技术的突飞猛进以及计算机数字处理技术的应用，地质雷达作为一种无损检测的手段被物探工作者引入到道路工程特别是路面厚度的检测中。因其具有高速采样、高分辨率、高精度、无损、经济以及连续测量等优点而受到广大土木工程检测工作者的青睐。

1 地质雷达检测技术在公路路面厚度的工作原理

1.1 检测依据

地质雷达对道路的无损检测属于其浅部应用，其探测深度小，中心频率高，分辨率要求较高，这就要求目标体与周围介质存在电性差。用R表示波的反射系数，则该系数估算公式为：

其中，ε1、ε2分别为上层介质、下层介质介电常数。

由该式可知，目标体与周围介质的电性差越明显，反射系数就越大，反射信号就越强。

现有的道路、高等级公路结构层一般可分为面层、基层以及路基3层。一般面层的厚度为8～26 cm，基层的厚度为10～30 cm，具体的厚度视材料的种类和交通等级而定。目前我国高等级公路一般采用改性沥青或水泥混凝土等材料修筑面层，一般采用有机结合料稳定碎石、水泥稳定粒料、石灰稳定粒料、石灰土、水泥混凝土、石灰粉煤灰等材料修筑基层。据国内一些物探工作者统计，面层为混凝土时其相对介电常数大约为5～10，为改性沥青时其相对介电常数大约为3～5，基层和路基的相对介电常数随其采用的材料不同而不同，一般采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大且湿度较大的材料，其介电常数通常都大于 8。道路的各个结构层介电常数存在明显的差异，这就为地质雷达检测路面的厚度提供了地球物理依据。检测人员可以根据雷达接收端所接收到的波时、波幅、波速以及衰减的程度来确定道路的厚度以及其常见病害。

1.2 检测原理

地质雷达检测机理是向地下发射脉冲形式的高频电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，遇到电性差异的地下目标体，如路面结构的分层等，就会发生反射和散射，反射波到达地面时由接收天线接收，在对接收到的反射波进行处理和分析的基础上，根据反射波的波形、强度和双程走时等参数来推断地下目标体的空间位置、结构、电性和几何形态，见图1。

图1 地质雷达路面检测示意图

雷达波在面层的双程旅行时间为：

当雷达波垂直于界面A入射时，α1≈α2≈0。

其中，h1，h2分别为面层、基层的厚度；V1，V2分别为电磁波在面层、基层的传播速度。

为了获得面层、基层的厚度，必须要有波在介质中的传播速度，才能够进行时深转换。电磁波波速对于绝大多数非导电、非磁性介质波速V的近似值为：

式中：C：真空中电磁波的传播速度，C＝0.3 m/ns；

ε：介电常数。

1.3 地质雷达误差产生分析

1.3.1 反射信号时间差

要想准确地记录反射信号时间差，首要的问题是确定计算时间的起点。依据地质雷达的工作原理，可以把探地雷达的反射信号的触发点看作是物理时间的起点，但是这样也存在不少问题尚待解决：①强烈的直达波信号和地面反射信号的干扰，使记录整体面貌变坏，影响增益设置和自动增益的使用；②天线的位置随着路况的不同而起伏颤动，识别地面反射点的位置要花费大量的精力。

为了提高起始零点的标定精度，地质雷达一般备有自动调零设置，设计用自动软件将时间起点移到地面反射信号位置。同时，还要辅用一些校正方法。校正的方法是：首先显示整条波形扫描曲线，在扫描曲线中辨认出直达波和地面反射波，然后将原点时间光标移动到地面反射的位置。

1.3.2 介电常数的标定

介电常数决定介质中电磁波的传播速度，因此介电常数能否正确标定是能否测定路面厚度的另一个重要因素。标定介电常数的传统方法主要有数学模型计算、利用钻芯厚度标定以及反射波波幅推导3种。

（1）数学模型计算。在探地雷达的应用中，检测人员常常凭借经验运用线性模型和均方差模型对被测介质的介电常数进行计算，进而进行时深换算，反推路面结构层的厚度。这种运用数学模型计算的误差较大，误差可能达到 18.3%～55%。国内有学者对线性模型和均方差模型进行回归修正以后，发现其误差可以减少到2%。因此，这种方法能否正确评价路面结构层的介电常数还有待于深入的研究。

（2）利用钻芯厚度标定介电常数。这种介电常数的标定方法在路面的厚度检测中被广泛应用。其原理是探地雷达检测路面厚度时，检测人员可以通过电磁波得到两界面的反射时间差，又辅以钻芯手段取得路面相同位置的厚度，进一步反推介质的介电常数。然后视路面为均匀材料，全线采用该介电参数值计算厚度。但是由于路面材料在压实度、含水量和材料的性质等方面的差异，导致介电常数有所变化。因此，这种方法带来的偶然误差很难准确评定介质的厚度。从整体的应用效果来看，这种方法测得的路面厚度误差可以控制在 3%～8%以内，这取决于材料的均匀程度。有时在实际的工程应用中，为了提高介电常数的可靠性，可以增加标定的点数，然后用各个标定点的介电常数的均值作为整段路面结构的介电常数。

（3）由反射波波幅推导介电常数。由电磁波的反射系数估算公式可以得知波的反射系数与介质的介电常数存在一定的数学关系。而反射系数也是反射波幅与入射波幅的比值，即：

式中：A1：反射波的波幅；

A2：入射波的波幅。利用金属板可以量测到入射波的波幅，再利用反射波量测到反射波的波幅，因空气的介电常数为 1，可以计算出路面的介电常数。但此种方法也有缺陷，由于天线的抖动、道路的纵坡以及路面材料的不均匀，用此方法测定的介电常数并不能代表整个路面结构层的介电常数。

2 地质雷达在实际工程中的应用

2.1 雷达天线的选择以及测线的布置

在路面厚度检测过程中探地雷达天线选取时既要考虑路面检测深度的要求，又要考虑检测精度的要求。在本次路面厚度检测中，由于路面厚度检测的精度要求较高，同时要求检测路面的厚度不大，故在选取探地雷达天线时，选用美国劳瑞公司生产的SIR－10H型探地雷达系统1，0GHz空气耦合天线，采样时窗大小设为15 ns，采用自动增益大小来进行检测，达到本次检测的目的。同时根据检测需要，在道路路面上布置纵向测线，以检测道路路面在纵向面层上的厚度情况。

2.2 资料的分析

被检测的公路里程为 K2＋000～K7＋000，在测线上布置10个点作为钻芯取样验证之用，并用第一个孔的钻芯厚度及波的传播时间标定波的传播速度。

可以看出，钻芯厚度与雷达测定厚度的绝对误差最大为0.4 cm，最大的单点误差为 4.57%，满足我国《公路工程质量检验评定标准》相关的规定。同时对芯样的厚度和雷达测定的厚度进行相关性分析，经过计算可以得到钻芯厚度和雷达测定厚度的相关线性方程：

其相关系数：r＝0.91＞0.798，这说明它们两者有着很好的相关性。

3 结束语

地质雷达由于具有无损、高精度、高分辨率以及低成本等优越性，其应用已渗透到道路施工和检测维修的全过程，应该充分利用现有的雷达检测技术，及时发现道路中的潜在问题，尽早维护，做到防微杜渐，防患于未然。

1 李志强.地质雷达检测沥青路面厚度误差分析及校核方法［J］.公路交通科技（应用技术版），2009（02）

2 字陈波.运用地质雷达检测水电工程混凝土厚度及浇筑质量［J］.云南水力发电，2008（05）

3 吴 彬、李远强、黄来源、李军辉.隧道衬砌质量地质雷达检测研究［J］.城市地质，2008（02）

Geological Radar Detection Technique’s Application in the Road Surface Thickness

Xu Jianling

This paper describes the geological radar detection technique’s working principles in the road surface thickness, analyzes the errors causes of the geological radar detection, combined with practical engineering detection, indicates that geological radar detection technique’s application in road surface thickness is feasible and reliable.

geological radar detection; road surface thickness; inspection application

P225.1

A

1000－8136（2011）03－0150－02