雷达测试技术在公路工程中的应用现状

刘志岗+刘志胜

摘 要：为了进一步明确雷达测试在公路工程中的应用现状，从雷达测试技术的用途入手，对其研究现状进行文献调研，从而为后续的推广应用奠定基础。结果表明，雷达测试技术已经被应用于公路工程的材料指标检测、结构稳定性测试、病害无损诊断等方面，但都处于起步阶段，各方面的研究还需要不断完善。运用雷达测试技术可以实现无损检测，且可方便进行多指标的间接评价，在公路工程中具有较为广阔的应用前景。

关键词：雷达测试技术；公路工程；路面材料；路面性能

中图分类号：U414.01 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.158

在公路工程中，运用雷达测试技术的常见设备即探地雷达，它是依据电磁波对地表材料的穿透性能，从路面向下反射某些模式的电磁波，通过接收、分析在地下介质中反射回的电磁波的时延、形状和频谱等参数，应用数字图像的恢复与重建技术，对面层以下的目标进行成像处理，从而实现对监测目标的再现。

在道路工程中，如果应用雷达波技术监测路面性能，可以提供全方位的信息，包括材料的厚度、压实度、含水率和沥青混凝土的离析情况等。为了实现对道路不同铺装层的快速、高效、无损、持续监测，为实现质量控制和管理提供可靠的技术支持，需要调查雷达检测的相关情况。

1 路面材料和结构性能的监测

中国地质大学朱培民、郭士礼等人针对沥青混合料材料复杂、空间分布随机的特性和浅层近场问题进行了研究，结合实体工程建立了公路工程材料的随机介质模型，研究了随机介质模型参数及其与之相关的探地雷达波场变化规律。研究认为，双相离散随机介质模型不但能较好地模拟沥青混凝土的介质结构，估算等效介电常数，还能借助电磁波的传播特征精确测量相关地质参数，从而为道路工程沥青混凝土路面的质量监测提供理论依据。此外，相关人员借助理论分析、数值模拟和物理模拟实验等手段，研究了在地下隐蔽工程中垂直裂缝宽度不断扩展的情况下，裂缝顶部散射波振幅的变化规律。研究认为：①当裂缝寬度小于第一菲涅尔带直径时，用探地雷达图像无法直接确定裂缝宽度。但是，裂缝顶部散射波振幅会随着裂缝宽度的变大而增强，特别是当裂缝宽度小于1/2第一菲涅尔带直径时，裂缝宽度与裂缝顶部散射波振幅成近似线性关系。②当裂缝宽度约等于第一菲涅尔带直径时，振幅达到极大值。③当裂缝宽度超过第一菲涅尔带直径后，振幅逐渐衰减，然后趋于一个稳定值。此时，从探地雷达图像中可以直接识别裂缝宽度。

哈尔滨工业大学谭忆秋、陈凤晨等人研究了雷达监测技术在道路工程中的适用性，分析了路面雷达监测路面厚度的准确性。依据钻芯取样标定了道路结构层厚度检测过程中的精度，并提出了控制误差水平的取芯方法。通过检测实体工程，提出了道路结构病害识别方法，并验证了其可靠性。研究结果标明，高频天线探测的深度比较浅，精度比较高，而低频天线则相反。

郑州大学王复明等人研究了材料的复合介电特性及其三相体积比的关系，提出了压实度、空隙率、含水量和沥青含量等技术指标的检测和评价思路，并探索了快速检测沥青混凝土路面面层空隙率和压实度的情况，推导了沥青混凝土路面面层空隙率和压实度的计算方法，编制了沥青混凝土路面面层空隙率和压实度反演的程序SIDTHK。应用该程序检测实际路面的厚度，可以有效提高工程检测的精度。在此过程中，推导了含水率、压实度的反算公式。含水率的反算公式为：

（1）

压实度的反算公式为：

（2）

式（1）（2）中：εb、εs为现场测试的基层、基层固体颗粒的介电常数；ws为基层材料密度；Gs为骨料比重；rs常取25.9 kN/m3；w为试样的含水率。

由此可以看出，对于新铺沥青面层，假定沿路线方向沥青含量不变，且沥青混合料中不含水，则沥青混合料的介电常数影响因素主要由固（骨料）、液（沥青）、气（空气）三相比例决定。当沥青混合料被压实时，空气含量减少，沥青和骨料的含量相应增加。沥青混合料的介电常数与空隙率的关系如图1所示。至此，确定了沥青混合料的介电常数与空隙率的关系为：VV=Ae-Bε.

2 无损检测

湖南大学涂文戈、邹银生等人针对雷达波在介质中的传播特性和衰减特性，建立了雷达信号在混凝土介质中传播和衰减的数学模型。基于探地雷达的工作机理，他们提出了针对被接收的雷达反射波信号衰减的补偿方法，并且给出了相应的衰减补偿公式，即：

式（5）中：αi为传播介质中的衰减因子；T（i）为透射系数。

研究标明，采用这种方法对有裂缝、孔洞和混凝土不密实区域的混凝土构件进行雷达无损检测，扫描图像可以较为清晰地显示混凝土构件深部的病害和缺陷。

3 路基压实质量和病害监测

郑州大学张蓓、王海涛等人针对路面雷达应用技术中存在的不足，开展了路基土的介电特性试验研究。从微观极化机理分析了土介质电磁特性的基本规律，阐述了土介质极化模型的分类和介质介电特性测量方法，从宏观和微观角度研究了路基土的组成成分对路基土介电特性的影响规律。同时，还明确了路基材料干密度、含水量和模量等性能指标与介电特性的关系。

研究认为，在28 d龄期内，土质试件的介电常数逐渐下降，前期降低速度比较快，7 d龄期后衰减趋于平缓，介电常数值开始趋于稳定。同时，路基土的介电特性与压实指标之间有较好的相关关系，路基土介电常数和含水量回归方程的相关系数R2都在0.9以上，介电常数和压实度的相关系数R2都在0.86以上，且回归方程的极值对应值都在最佳含水量附近。

在山西省吉河高速公路建设期内，山西省交通科学研究院董立山采用地质雷达分析了路面结构的整体特性。研究人员认为，地质雷达可间接、定性评价路基的压实程度和路基中的空洞病害。

4 结束语

目前，在公路工程中，雷达技术已被应用，但技术尚未成熟。现有研究主要从材料与性能测试、大体积结构无损监测、病害诊断3个方面开展，得出的结论是：①雷达测试波的特性、材料介电常数的变化规律可以间接表征路面材料的压实度、空隙率、含水量等指标，为道路工程沥青混凝土路面的质量监测提供理论依据；②在病害区域，可通过测试雷达信号的衰减规律确定大体积结构缺陷的所在位置，并直观描述线性工程的地下空间分布情况。

参考文献

[1]刘志胜.刚柔复合式路面沥青面层动态应变试验研究[J].重庆交通大学报（自然科学版），2016，35（2）：31-34.

[2]郭士礼.基于随机介质的高速公路探地雷达检测理论研究[D].北京：中国地质大学，2013.

[3]陈凤晨.路面雷达在沥青路面检测中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[4]郭成超.路面结构层材料介电特性反演及路面雷达应用[D].郑州：郑州大学，2004.

[5]涂文戈，邹银生，陈理，等.雷达波在混凝土无损伤检测中的应用[J].建筑科学与工程学报，2007，24（3）：82-86.

[6]王海涛.路面雷达在路基压实质量控制中的应用研究[D].郑州：郑州大学，2007.

〔编辑：白洁〕