公路检测中雷达无破损测试的应用研究

2016-09-12赵林

大科技 2016年15期

关键词：探地结构层面层

赵林

（安徽省七星工程测试有限公司安徽合肥 230000）

公路检测中雷达无破损测试的应用研究

赵林

（安徽省七星工程测试有限公司安徽合肥 230000）

使用年限较长的公路在自然条件和车辆荷载的不断作用下会出现各种各样的病害，因此公路检测工作受到了人们的普遍重视。本文对在公路检测中雷达法的原理进行了分析和介绍，并且对在公路沥青路面结构层厚度检测、公路病害隐患检测等各种检测工作中雷达法这种快捷无损的检测手段的应用进行了探讨。

公路检测；雷达法；无破损测试

引言

现在我国的公路交通事业发展的越来越快，但是因为我国具有复杂多样的地形和广大的山区面积，因此在地质水文条件方面具有复杂多变的特点。如果在盐渍土、多年冻土、岩溶、沙漠等特殊地质区修建公路，在经过长时间的老化之后，就会导致公路具有非常低的抗灾能力。如果出现路面病害，在公路维修的经济性和有效性的各个方面都会受到一定的限制，所以采取科学合理的方法对路面的潜在问题进行及时检测，尽可能地做好公路的维护工作，能够有效地延长公路的使用寿命，使其行车质量得以改善，并且将大量的公路维修费用节约下来。

1 我国的公路检测现状

在施工运营过程中对公路进行质量控制的非常重要的一项内容就对施工安全和公路工程质量的检测工作。现阶段，在我国一些公路的维修和养护工作中仍然使用传统的公路检测方式，这些公路检测手段与公路检测工作的发展需求相比显得非常滞后。现在的公路检测方法主要包括两种：①标准检测，其主要是通过路面横线系数测定仪、FWD、颠簸累积仪、平整度仪等专门的检测设备和测绘工具或人为观察的方式检测路面的质量，尽管这种方法具有简单易行的特点，然而却不能够检测和评价平家路面内部的隐蔽结构，只能够检测和评价几何尺度层面，也无法评价路面的力学性能。②工程试验检测，这种检测方法主要是采用随机取样的方式对已建成的公路的面层、基层垫层和路基等实施现场工程试验检测。现在在检测路面厚度的时候大部分还是选择使用钻芯取样、人工测量的手段，同时人工测量手段在路面各结构的含水量和压实度等指标的测量工作中仍然得到了广泛地应用，比如灌砂法和环刀法等，这些方法除了具有较差的代表性和较低的效率之外，而且还会极大地破坏到路面。为了使这种情况得到改善，当前公路检测工作中必须要解决的一个问题就是针对实时、无损、高校和快速的公路检测技术进行开发和应用。

2 雷达测试技术原理

所谓的探地雷达技术主要是通过在不同电磁性介质中高频电磁脉冲波的传播规律的利用，针对地下目标的特征和分布形态进行探测的一种方法。探地雷达具有检测内容丰富、无破损、速度快、测量密度高以及可以连续作业等一系列的优势，而且还可以实时地处理资料，因此在我国的很多领域都得到了广泛地应用。探地雷达利用地表的发射天线可以通过宽频带短脉冲的方式不断地将高频电磁波发射到路面结构层内部[1]。在地层不断传播的过程中，如果电磁波遇到存在着物性或者电性差异的分界面、孔洞等介质，就会将反射界面形成，并且出现发射，而地面的接收天线则会对反射回来的电磁波进行接收，随后利用显示装置等在时间域中对回波、波长、振幅等特征进行识别和确定，并且将双程走时确定下来。与空气相比，地层中介质的电磁波具有较强的衰减特性，再加上非金属物体与周围介质之间具有较小的差异，所以与金属相比目标反射波能量也比较小。同时地质情况本身存在着较强的多解性，所以在地层中的电磁波更加复杂。弹性传播理论和电磁波传播理论两者之间具有较多的相同之处，两者的波动方程具有同一形式。而在处理和分析资料的时候，则可以充分地利用在运动学方面两种波的相似性。雷达法目前是一种常用的路面雷达测量方法，其主要是采用固定间距的方式对接收天线和发射天线进行沿线同步移动，这样就能够将该测线的雷达时间—平距剖面图像获得，再对其实施进一步处理之后，就可以将能够深度—平距正演图像获得。随后再结合图像的同相轴形状、振幅、频率和钻探资料、地质资料等解释图像，从而对路面、路基的工程质量状况进行全面地了解[2]。

3 雷达无破损检测在公路检测中的具体应用

3.1 在检测公路各结构层厚度时探地雷达的应用

公路路面一般都会采用沥青混凝土结构，而道路的质量在很大程度上取决于各结构层厚度。在一定的环境条件下，具有合理厚度的沥青路面能够对预期的交通荷载进行承受，除了不会出现过早的结构损坏之外，还可以将大量的原材料节省下来。然而在荷载不断加重、交通量不断增长、车速不断提升以及道路等级越来越高的同时，沥青路面也要承受越来越大的荷载，所以必须要严格要求沥青面层的厚度。在传统的路面结构层厚度检测工作中往往都是采用挖坑或者钻芯取样的方式对路面实施人工手动测量，这种测量方式具有较大的随机性、较低的效率、浪费物力、财力和人力等问题，还会导致路面结构的整体性受到破坏[3]。而是采用雷达无破损测试的方式检测路面结构层的厚度则能够有效地避免上述的几项问题，在检测路面结构层的时候主要是利用在各结构层交界面上电磁脉冲的发射时间和具体的传播速度计算出来的。在这种情况下，检测厚度的重点就是要对各个结构层界面的回波时间进行检测，并且将在道路各个结构层内电磁波的短波速度确定下来。在图1中，形成于空气—路表界面的反射波波幅用A0表示；形成于面层—基层界面的反射波波幅用A1表示；形成于基层—土基界面的反射波波幅用A2表示；△t1、△t1分别是在面层、基层中反射波的往返时间。

图1 雷达检测深度原理示意图

3.2 在检测病害隐患时探地雷达的应用

3.2.1 识别空洞和脱空

通常会在刚性路面上出现脱空的病害，大量的研究表明，在混凝土路面上广泛存在着局部脱空的现象，与周围的介质相比，路面结构层中的脱空和空洞等在介电特性方面存在着较大差异，保存完好的空洞具有较高的电阻率特性；与之相反，则具有低电阻率特性。探地雷达无损检测法识别脱空主要是对反射信号受到的空洞的影响进行了利用[4]。在图2中，左图表示路面下的脱空现象，混凝土—空气的界面反射形成了反射波，A；空气—基层的界面反射形成了反射波B，A和B的叠加结果就是反射波C。A、B的反射系数具有一正一负的特点，因此造成两反射波出现翻转的相位。只要将反射波的时间差确定下来，就能够对脱空或者空洞的深度进行计算。

3.2.2 识别沥青剥落层

图2 雷达识别脱空原理示意图

沥青层的含水量与其剥落情况具有密切关系，如果其具有较高的含水量，就会导致集料与沥青之间的粘接力不断降低，最终引发沥青的剥落现象。在正式加铺旧路面之前，必须要对路面的剥落情况进行详细地了解。国外某学院在研究几段公路的剥落情况时发现，如果沥青层没有剥落的现象，那么采用雷达测试时只有两个波峰存在于回波中，其中一个波峰在路表出现，而另一个在基层与沥青面层的界面出现；如果沥青层存在剥落现象，这时候就会有一个波峰出现在回波中基层面层界面反射和路表反射之间。该波峰峰值会随着剥落程度的加大而相应加大，由此可以准确地识别沥青剥落层[5]。