预制试件模拟半刚性基层裂缝、空洞的探地雷达检测定位

王 伟

（湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068）

1 研究的背景与意义

随着道路施工问题、车辆超载行驶等日益增多，道路半刚性基层裂缝、空洞等病害逐渐增加，严重影响道路的使用，迫切需要研究半刚性基础裂缝和空洞的无损检测方法。本文采用LTD-2000 探地雷达，通过预制试件模拟半刚性基层裂缝、空洞的探地雷达检测定位，研究该方法的可行性及准确性。首先采用300MHz 天线进行区域确定，然后采用900MHz 天线进行局部精细定位检测，同时对检测数据进行再处理和误差分析，达到半刚性基层裂缝、空洞的检测定位效果，为道路后续维护检修提供依据。

2 探地雷达的工作原理

发射天线和接收天线作为探地雷达的两个端口，以电磁脉冲波为对象，一个负责发射，一个负责接收。其中当发射天线作为发射端向地下发射时，不同介质的发射和透射效果不同，接收天线作为接收端接收这些信息。然后发送到主机，从而达到检测介质内部的目的，见图1所示。

图1 工作原理图

接收天线接收的有以下几个方面：首先接收的是直接波信号，其通过空气传播直接发射到接收天线。其次是由道路表面反射回来的一次反射电磁波信号，另外还有其他电磁波信号。不同电磁波信号在探地雷达图像中表现出不同的层带，由于天线是贴近地面工作，直达波和路表反射波传播时间相近，在图像中层带相邻，且传播工程中能量损失少，可以为图像解析提供参考。在路面反射波之后，探地雷达接收到电磁波是地下不同介质分界面反射回来的反射波，含有大量道路结构层信息。通过收集、处理这些数据，可以得到道路结构层的信息，达到检测定位的目的。

3 探测原理

道路是由面层、基层和垫层等不同结构层组成，而且不同结构层采用的材料不同，每层的介电常数也不一样。因此在道路检测中，探地雷达电磁波在探测传播时将变得更加复杂。如图2，当来自空气中的电磁波C00以某角度入射至道路面层时，由于介质不同，反射和折射随即发生在空气与面层的界面上，即C01和C11。对于面层和基层的分界面来说，C11可当作二者界面的入射波，重复上述过程继续产生C12与C21，由此传播下去。另外在一个结构层内，电磁波会产生类似作用，如反射波C13、C14等等。

这些电磁波经过探地雷达收集、处理后，可以得到道路的相关信息，从而达到检测定位的目的。

4 预制试件模拟检测

考虑半刚性材料的不均匀性和位于基层的隐蔽性，在混凝土试件上制作裂缝，验证检测方法的可行性。

图2 反射波和折射波

采用C20 标号水泥，混凝土的配合比为水泥：砂：石：水=6：20：25：3，混凝土碎石试件的尺寸分别为100cm*10cm*10.2cm，100cm*10cm*9.8cm。将9.8cm 的混凝土试件的上表面随机选择一处，利用小型切割机竖直向下切割5cm 裂缝，裂缝宽3cm，将10.2cm 的混凝土试件放置上方，从而制得试件模型。以此试件模拟一公里路段测试情况，以1：2500 的比例进行模拟。

首先采用300MHz 天线，进行探地雷达连续检测，天线贴近表面检测，得到检测图像如图3所示，可以大致判断基层裂缝的位置。

图3 基层裂缝的连续检测图像

图4 基层裂缝的人工点测图像

判断基层裂缝大致范围后，采用900MHz 天线进行探地雷达人工点测，点测步长为20mm，探地雷达检测图像4 所示。将天线沿着混凝土表面进行检测，以开始进行点测处的雷达天线中点为原点，以天线下端的水平线为X 轴，天线检测行进端为X 轴正向，以竖向为Y 轴，向下为正，建立平面坐标。

利用系统自带的IDSP5.0 软件，以20mm 为一道评价路段长度，一道相当于一公里路段的50m，即按1：2500 的比例进行模拟测试，以0.1m/ns 为计算速度，进行厚度计算。

两个混凝土材料相同，其介电常数可以认为相等，根据点测图像4 可以明显确定裂缝上部混凝土层的厚度值如表1所示，将表1中计算的单时程除以速度0.1m/ns，得到单时程的电磁波传播时间，如表2所示。如图3，在检测图像中目标体表现出双曲线特征，其位于双曲线的最高点，因此表2中的最小值为裂缝上端到混凝土上表面的电磁波传播时间。

表1 裂缝上端混凝土层点测计算结果

7 K0+300 K0+350 201 8 K0+350 K0+400 186 9 K0+400 K0+450 172 10 K0+450 K0+500 160 11 K0+500 K0+550 153 12 K0+550 K0+600 140 13 K0+600 K0+650 128 14 K0+650 K0+700 111 15 K0+700 K0+750 112 16 K0+750 K0+800 116 17 K0+800 K0+850 126 18 K0+850 K0+900 139 19 K0+900 K0+950 151 20 K0+950 K1+000 163

表2 裂缝上端混凝土层单程传播时间

5 计算分析

电磁波在混凝土中的速率为0.096m/ns，由表2知，第14 道的时间值最小，混凝土下表面到混凝土上表面的电磁波传播时间为t=1.11ns，由此可计算出混凝土下表面到混凝土上表面的距离s=0.096t=10.7cm，即目标体的Y 坐标。表1确定的最小值的道数为14，即目标体位于第14 个采样点的下方，目标体的X 坐标为(14-1)*0.02+0.01=0.27m=27cm。

表3 误差分析表与实际结果对比分析

由表3知，采用本文检测方法对预制混凝土裂缝的位置进行定位，水平误差达到6.7%，竖向误差达到4.9%，可以有效定位。混凝土材料的介电特性与半刚性混凝土碎石介电特性相似，从而证明本文探地雷达检测方法的正确性。

6 总结

针对道路半刚性基层检测定位问题，采用300MHz 低频天线和900MHz 高频天线相结合的办法。两者特点各不相同，900MHz 低频天线在分辨率上有优势，但探测深度小，300MHz 高频天线则反之。首先采用300MHz 天线进行粗测确定大概位置，然后采用900MHz 天线进行精测，同时对检测数据进行处理和分析，实现半刚性基层裂缝、空洞等病害的有效检测定位。本文采用的检测方法既能准确快速的进行病害定位，同时又能取得无损检测的效果，有较大的应用价值。