公路路面厚度检测中地质雷达的应用分析

路家勤

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

路面性能是影响公路工程行车特性的重要因素，平整的路面厚度可以提供良好的行车路面，降低车辆的振动效应，从而提高行车稳定性和舒适性，减少交通事故的发生概率。为了评估施工完成后的路面性能，往往需要通过技术手段测试面层厚度，为施工验收提供标准和参考。

常规的路面厚度检测方法是通过钻芯取样或者挖坑进行测试，但这些方法需要破坏路面结构才能测定，这显然不利于路面结构的完整性。随着无损检测手段的发展，可以在不破坏路面结构的情况下准确测取路面厚度，包括超声波和地质雷达等技术，其中地质雷达是目前国内外应用较为普遍的技术，具有无损、高分辨率、快速等特点，对路面厚度的检测误差可以控制在3 mm以内，这是传统的检测技术无法达到的精度值[1][2]。高精度的检测结果使路面厚度不达标时可以及时发现并处理。

1 地质雷达检测原理与技术要点

1.1 检测原理

地质雷达检测路面厚度是在雷达检测车上安装无线接收机和路面探测雷达两种设备，在雷达检测车匀速行进的过程中，探测雷达会不断地向路面发射电磁脉冲，这些电磁脉冲会在短时间内直接穿透路面，当遇到电介质常数发生变化的界面层时，电磁波会进行反射从而形成一种反射波，脉冲反射波则会被无线接收机接收，然后呈现出反射波的相关信息。公路路面构造中，不同层材料之间的电介质常数存在明显的差别，这使得两个电介质之间电磁波的传输会有反射问题，那么通过反射波的接收时间及波速等信息，就可以准确地记录路面的厚度，这种测试精度是非常高的，如图1就是地质雷达对路面厚度的检测原理示意图[3][4]。

图1 地质雷达对路面厚度检测原理示意图

具体而言，通过雷达电磁波的反射计算的路面厚度计算原理为：

(1)

其中：c——电磁波在空气介质中的传输速度，一般取300 mm/ns；

Δt——雷达电磁波在路面面层中的传输时间，单位ns；

εr——路面层介质的介电常数取值；

T——计算的路面厚度值，单位mm。

显然，电磁波在不同介质下的传播速度是不一样的，存在简单的换算关系，如表1是公路建设中常见材料的介电常数及对应的电磁波传输速度，因此通过上述分析可以快速而精确地计算路面厚度值。

表1 公路常见建设材料的介电常数及相应电磁波传输速度表

1.2 技术要点

地质雷达检测需要满足一定的要求，才能使得厚度检测结果的精度达到预期目标。

(1)检测车应该全过程是匀速前行的，一般速度控制在80 km/h左右，能够最大程度达到预期的检测效率和精度；地质雷达的最大探测深度>60 cm，这对于路面结构都是能够满足要求的，而对应的厚度检测数据的精度是深度的2%～5%。

(2)地质雷达的检测全过程是在计算机的控制下开展，在检测中应该对检测数据进行实时的采集和存储，同时也可以快速地查看雷达的波形图状况。

(3)地质雷达的监测结果可以显示路面的彩色剖图，从而获得对路面厚度的评价指标，同时还可以呈现雷达波形图、三维路面厚度剖面等构造图。

(4)雷达检测路面后的结果还涵盖了某一路段范围内的总体评价指标，评价的内容包括平均厚度、厚度代表值、最小厚度、变异系数等。

2 地质雷达检测效果的影响因素分析

诸多因素会影响到地质雷达的检测效果和精度，需要明确这些影响因素，从而找到控制要点和方法。

2.1 检测速度的影响分析

通常的理解意义下，雷达车的行进速度会影响到地质雷达系统与路面作用时间的长短，从而会影响到地质雷达测试路面厚度的精度。基于某一道路路面厚度的地质雷达系统测试，路段长1 000 m，分成5个节段，在不同行进速度下测试路面的厚度取值，如图2所示。其中分别考虑地质雷达系统以10 km/h、20 km/h、40 km/h和60 km/h的速度行进，发现整体的测试结果相对稳定，通过分析发现其变异系数≤1%，实际上具有较好的稳定性，也就是说实际上雷达车的行进速度对于路面厚度的测试影响很小。

图2 不同雷达车行进速度下的检测厚度变化图

2.2 天线接受频率的影响分析

地质雷达监测中反射波需要通过天线进行发射和接收，显然天线的频率不同对应的电磁波能量和波长也是不一样的，这会导致地质雷达的探测深度和分辨率等显著不同。因此，需要分析不同的天线频率对于地质雷达检测效果的影响，从而找到其影响机理。

采用搭配1 GHZ、2 GHZ和3 GHZ的耦合天线进行地质雷达探测效果的分析，路面的施工厚度是10 cm，通过比较不同频率天线的路面厚度探测结果分析其影响关系。研究表明，采用高频率的天线(3 GHZ)其发射的电磁波能量更强，因此收集到的反射波的能量也越强，连续性更好，这使得其易于追踪分析；采用低频率的天线(1 GHZ)也能够检测到路面的底部，但是其反射波能量较弱，使得对应的分析不清晰，从而影响路面厚度的检测效果，造成估计偏差。如表2是不同天线频率下的路面厚度检测结果，可以看到变异系数达到5%，存在一定的估计偏差，且频率越高检测结果相对越好。

表2 不同天线接收频率下的厚度检测结果对比表

2.3 人为因素的影响分析

地质雷达的检测整体上是机械化自动系统，但是因为使用过程中需要人员的操作，会产生诸如数据无效、仪器破坏破损等人为因素的干扰，使得测试的结果变得不可信或者可信度很差，这就要求检测过程中操作人员必须要有专业的技能和水平。

(1)检测过程中会因为对仪器不够了解而导致其发生损伤和破坏。很多地质雷达系统的接头不具备防水功能，检测过程中一旦出现下雨等问题，就会使得雨水进入天线系统导致仪器的损坏而影响到后续的检测。

(2)在使用过程中因为仪器设备的振动等问题，使得仪器本身出现故障，如果使用人员不进行校核就直接使用，显然测试结果是存在问题的，因此要在实际测试工作开展前进行检测分析，保证检测过程中使用的设备都是功能正常的。

3 工程实例应用

某公路工程采用水泥混凝土路面结构形式，设计的道路等级是1级。路面水泥混凝土的厚度为24 cm，同时基层为水泥稳定砂砾，厚度达到18 cm，水泥石灰的稳定土厚度达到16 cm。由于路段范围内经济快速发展，货物运输增多，交通量也在不断攀升，为了适应经济发展的需求，需要将原有的道路改造为高速公路，设计的行车速度达到100 km/h，改造的路面在原有路面结构上进行沥青混凝土的补强，保证厚度控制在15 cm。施工完成后，为了保证建设质量需要对沥青路面混凝土的结构层厚度进行检测。本项目采用SIR-10H型号路用探测雷达系统进行沥青混凝土的厚度检测。

测试过程中每双车道选择一条纵向剖面进行测试，每隔1 m设置一个采样点，同时检测车采用20 km/h的速度前行，为了确保测试精度和效果，相关参数设置为：(1)由于天线频率对于测试结果影响很大，因此在本工程中需要确保测试天线的频率能够满足精度要求，设置在3 GHZ左右进行测试；(2)天线的时窗选择在12 ns，保证测试的连续性和精度；(3)每条测线上测量轮的水平距离和实际距离控制误差在0.2%～0.25%之间，为了有效地减少水平距离的积累误差，将测试距离控制在2 km范围内。

根据上述设置对本路段范围进行全面监测，前后历时60 d，测试完成后采用计算机进行数据的处理和分析，按照每公里为评价单位进行厚度检测结果的分析，并计算各自的偏差、相对误差、检测均值等统计参数，绘制检测结果图或者检测结果表，从而直观地分析检测效果和数据，以评估施工的质量。

通过本路段28 km的检测分析发现：(1)全线有两个检测剖面分别代表两个不同的方向，第一条检测剖面的实测沥青路面厚度是16.39 cm；第二条检测剖面的厚度均值为16.33 cm。(2)具体而言，第一条检测剖面在10～11 km范围内的实测厚度达到最大，为19.98 cm；在18～19 km范围内厚度达到最小，为12.09 cm。(3)第二条检测剖面在13～14 km范围内检测的厚度达到最大，为10.69 cm；在26～27 km范围内的检测厚度最小，为11.15 cm。(4)总体而言，沥青混凝土的厚度设计值应该在14.2 cm以上，根据上述地质雷达的监测结果，满足厚度设计值的路段在92%以上，剩余的8%均没有达到设计要求。

出现上述施工偏差的原因是原有路面结构的复杂性，沥青混凝土是在原有的道路路面结构上进行再施工，因此其施工质量和稳定性较难保证，根据上述测试结果需要对不满足要求的路面厚度路段进行施工改进。

4 结语

公路路面厚度设计是保证路面结构承载性能的关键，也是确保行车安全与舒适的重要因素。因此，在施工完成后需要对路面施工质量进行检测。本文探讨了地质雷达无损检测技术在路面厚度检测中的应用机理和效果，分析了影响地质雷达检测效果的相关因素，并通过工程实例详细介绍了地质雷达在公路路面厚度检测中的应用。