探地雷达正演模拟在道路病害检测中的应用

2020-06-05黄东旭路兴旺

山西建筑 2020年12期

黄东旭潘鹏路兴旺

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳 110870)

1 概述

探地雷达(GPR)面对公路道路基层病害和隧道衬砌脱空等隐蔽性较强工程有较好的应用。对于不适合大规模损伤检测的工程，通常可以快速方便地得到检测结果。然而，雷达图像的解释主要依赖于检测者的个人理解，容易引起分歧和漏判。

谢建林[1]，王复明[2]基于时域有限差分法，运用gprMax软件[3]分别对隧道衬砌，混凝土道路结构进行了正演模拟，得出了层间介质介电常数对雷达图像效果的相关结论。本文通过数值模拟和工程检测结果对比，对路基病害进行了分类，建立了路基不密实、层间脱空、管线开挖道等典型道路基层病害的复合模型。总结了典型道路基层病害的探地雷达检测图像特征。

2 道路基层病害探地雷达检测正演模拟

2.1 道路基层病害分类

2.1.1路面裂缝

结构层的主要裂缝是垂直裂缝。当路基体与基底融解时，路基土的不均匀沉降会引起融沉裂缝。如果结构层中的裂纹面靠近水平面，将发展为水平裂纹[4]。

2.1.2路基不密实及路基层间脱空

在温度和车辆荷载的反复作用下，道路结构层会发生一系列的变化，道路基层与面层之间会出现空隙。雨水会进入空隙，冲刷基层和面层，使基层和面层之间的空隙越来越大，最终形成道路层间脱空[5]。

2.1.3道路路基沉降

路基沉降多见于承载力低、雨水多、地下水位高、排水不良的地区。在交通荷载的反复作用下，填挖交界处存在不均匀沉降。河流水位周期性波动和路基土长期浸水软化是沿河路基沉降的主要原因[6]。

2.2 道路基层病害探地雷达检测模拟

2.2.1路基不密实模型检测算例

路基不密实模型如图1所示，模型参数如表1所示，深色介质与浅色介质为成分不同的道路结构层，浅色斑点区域为道路不密实病害，浅色斑点代表小空隙，内部充满空气。

道路基层不密实模型FDTD正演结果如图1所示，图1a)中央区域存在密集小孔洞，电磁波信号发生多次反射，出现多条不规则双曲线波组状同相轴交错。

表1 介电常数表

参数相对介电常数εr电导率σ/S·m-1空气10沥青层41×10-3水稳层101×10-5水815×10-4管线3001×108

2.2.2路基层间脱空模型检测算例

路基层间脱空FDTD正演结果如图2所示，从图中可以看出，电磁波遇到空隙后产生强反射，浅色和深色区域为不同材料的结构层。

图2a)右侧区域脱空层的出现使层间同相轴发生起伏，而左侧区域含水层处，雷达信号相位反转，同向轴不连续并在含水层边缘出现了双曲线波组状绕射信号，且反射信号较强。由于含水层的影响，图2b)左下区域处产生了反射信号震荡现象。

电磁波在地下介质中的传播遵循物理反射和折射规律，用反射系数R和折射系数T表示两种介质表面的折射和反射特性。对于道路检测中常用的频率范围和接收天线与发射天线的间距，可以将探地雷达波视为正入射。由斯奈尔(Snell)定律，反射系数R可简写为：

(1)

其中，ε1为上层介质介电常数；ε2为下层介质介电常数。

由表1材料介电常数表可知，道路材料的介电常数高于空气的介电常数，路层结构中底部材料介电常数大于上部材料的介电常数。根据式(1)可知在脱空病害的上边界的反射系数为负，孔洞缺陷下边界处的反射系数为正。上下界面反射系数相反，而入射波的传播方向是确定的，则反射波在脱空病害上下界面处相位为一负一正。

由图2所示，雷达剖面图中含水层的信号与空气层信号相似。根据式(1)，由于水的相对介电常数大于混凝土的相对介电常数，电磁波在充水孔隙界面反射时会产生半波损耗，而空气的相对介电常数小于混凝土的相对介电常数，电磁波在充水空腔界面反射时不会产生半波损失，因此含水层雷达段相位与空气层雷达段相位相反。

2.2.3道路基层病害探地雷达检测解释准则

1)道路不密实部位产生大量不规则双曲线波组状反射信号叠加，同相轴错乱、不再连续。

2)电磁波遇到未凝结水泥浆层后，反射信号明显，同相轴变厚，且相位发生180°反转。

3)管道完全反射电磁波信号，产生强烈的双曲线波组衍射信号。

3 工程实例

辽宁省某省道道路先后出现了网络裂缝、路基沉降等严重病害，路况较差。道路宽12 m，修筑路段全长11.6 km。2004年和2014年的道路建设进行了大修，在原道路基础上铺设25 cm水泥稳定碎石层和8 cm沥青混凝土。采用瑞典MALA探地雷达，采用800 MHz主频雷达天线。

采用落锤式弯沉仪检测注浆试验路段弯沉值，检测点间隔20 m。施工前路况调查表明，道路总体弯沉较大，弯沉变异系数较大，且道路强度过于离散，需要对道路进行加固和修补。本工程全线进行水泥灌浆，对有裂缝、网裂、沉陷、弯沉值大的区域进行修补。沿道路行驶方向设置7道测线。采用瑞典MALA探地雷达，采用800 MHz主频雷达天线。

注浆技术为通过压力注浆填满路层间的空隙，将渗水、空隙填充、挤密。然后经过一段时间的固结作用，注浆体会与基层、底基层、地基和面层等结构形成一个固结体，改变脱空的基层的受力形式，最终达到修复和加固的目的。

测线1沿着行车道车辙方向，位于距道路中心线1 m处，里程5 026 m～5 032 m处探地雷达检测结果如图3所示，图3a)检测时间为注浆前，图3b)检测时间为注浆后。由图可知注浆后路面以下500 mm处反射信号很强，反射信号相位反转，根据同相轴形态推断为水泥浆。

管线开挖探地雷达检测结果如图4所示，图4a)为道路沿行车方向管线纵断面雷达图像，图4b)为道路横断面雷达图像。其中位置①处出现了反射信号不连续，推断为开挖现象。②处反射信号同相轴错乱、不连续的现象，根据同相轴形态推断为埋设的管道。④处反射信号强，同相轴连续，推断为管线横穿公路，且该管线直径约为100 mm。

沿道路横向探地雷达检测结果如图5所示，图5a)①处同相轴深度不一致，推断为道路中央路基厚度高于道路两侧。图5b)①处出现了反射信号同相轴以双曲线波组形式连接现象，推断为路基抬高。调查了解到原路基为之前的老路，新路在其基础上加宽翻修。图5a)②处不密实信号出现在道路紧急停车带下方，结合大量数据推断道路两侧路基较差，亟需治理养护。