市政道路典型病害的地质雷达特征回波
2020-08-04
(1.沈阳建筑大学 土木工程学院,沈阳 110168;2.中建铁路投资建设集团有限公司,北京 100000)
随着基础设施建设的发展,道路建设质量问题逐渐凸显。据统计,道路施工中第一次合格率达95%以上的施工企业不足20%[1-2]。并且由于规划设计、管理、施工、材料等多方面的复杂原因,城市道路损坏现象不断出现[3]。相比于传统的有损检测方法,地质雷达法具有连续无损、测速快、精度高、结果直观等优点,并能够对路面进行全面跟踪检测,可确定科学合理的养护方法,满足路面工程的需要[4]。针对道路工程,国内外技术人员对地质雷达中的浅地层信号处理[5-6]、路面基层应用[7]、工程勘察中的干扰因素等进行了相应的研究[8],但由于地质雷达在市政道路检测过程中,既无统一的国家规范,也没有广泛认可的行业标准,而现有的研究更多针对的是面层与基层,对基层以下的典型病害研究则较少。
由于电磁波在地下地质传播时衰减较强,所以采集到的雷达数据存在多解性[9]。笔者通过制作几种典型的公路病害模型,扫描分析了对应雷达图谱,解析了特征回波,为高效、精准分辨各类市政道路典型病害提供了参考。
1 试验方法
1.1 试验方案
根据CJJ 37-2012《城市道路工程设计规范》铺装试验道路,试验路结构层示意如图1所示(SBS为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)。参照实际工程中典型病害的特点,制作了病害模型(见图2)。
(1) 脱空模型:基层中的脱空模型是由普通模板制成的、尺寸为700 mm×700 mm×200 mm(长×宽×高)的空心立方体;而处于垫层中的脱空模型材料不变,尺寸调整为700 mm×700 mm×250 mm(长×宽×高)。
(2) 裂缝模型:由塑料扣板制成、尺寸为1 800 mm×3 mm×400 mm(长×宽×高)。
(3) 不密实模型:将冰块和道路材料混合后埋置于尺寸为700 mm×700 mm×200 mm(长×宽×高)的指定区域内。
(4) 离析模型:在尺寸为700 mm×700 mm×200 mm的指定区域内由小到大分层铺设粒径不同的粗骨料。
(5) 蜂窝模型:由若干个模板制成的100 mm×100 mm×200 mm的小空心立方体拼接而成的尺寸为700 mm×700 mm×200 mm的模型。
(6) 局部富含水模型:在尺寸为700 mm×700 mm的指定区域内预埋设两根管径为100 mm的聚氯乙烯(PVC)水管,在水管贴地一侧开口,周围用塑料扣板合围。
(7) 冻融模型:将尺寸为700 mm×700 mm×200 mm的素土注入水分后,放置低温箱冷冻,待其结块后埋置。病害模型埋设位置对应其实际工程中易发生此类病害的位置,剖面图如图3,4所示。
图2 缺陷模型布置平面图
图3 1-1剖面图
图4 2-2剖面图
1.2 试验方案
试验采用600 MHz空气耦合屏蔽天线对试验用公路进行试验扫描,扫描样点数为1 024,采样分辨率为16 Bit,采样间距为0.024 m。沿图2的1-1、2-2剖面布置2条雷达测线V1,V2。
2 结果与分析
通过雷达扫描,取得市政道路典型病害检测数据,经过背景去噪、去除首波、频率滤波、时变增益等处理后,得到V1,V2测线不同深度特征病害图谱,图5,6分别为V1,V2的测线图谱。标注的对应病害为:离析、脱空、富含水、蜂窝、脱空、裂缝、不密实缺陷等。
图5 V1测线图谱
图6 V2测线图谱
3 特征回波分析
地质雷达检测中,介质的介电常数和电导率直接关系着探测的精确性[10];而混合材料的电导率和介电常数则十分复杂,相关学者普遍认为混合材料的电导率及介电常数由各组成成分的电导率及介电常数的均值和方差决定[11]。通过对雷达反射波进行后处理,得到典型病害的雷达反射波形图,即雷达电磁波经市政道路不同电导率和介电常数的混合材料反射形成的图形数据,图形数据明暗对应为电磁波的反射强弱,即为反射幅值。当电磁波沿垂直界面入射材料时,反射系数R的模和幅角可表示为
(1)
(2)
a=m2/m1
(3)
(4)
式中:ω为角频率,单次扫描试验时假设其大小恒定;a为磁导率比;b为传播常数比;μ1,μ2分别为界面两侧不同材料的磁导率;ε1,ε2分别为界面两侧不同材料的介电常数;σ1,σ2分别为界面两侧不同材料的电导率。
根据电磁学理论,用介质的传导电流密度|JC|和位移电流密度|JD|的比值来确定耗损度。
(5)
式中:s为电导率;ε为介质的介电常数。
试验模型所用的材料相关参数如表1所示。
表1 试验模型所用材料的相关参数
根据上述理论分析各病害的特征回波。
图7 脱空病害标准图谱及波形
(1) 脱空:空气的介电常数远小于道路材料的介电常数,脱空上界面处的反射系数R为负,下界面处的反射系数R为正,两界面处的反射波为一负一正。脱空病害标准图谱及波形如图7所示,由图7可知,由于周围介质存在电性差异,所以其边界存在电磁波绕射现象。相较于其他典型病害,脱空在内部结构上存在较大的连续性特征,峰尖扰射曲线变宽,在图谱上表现为上边界平整,颜色由亮至暗再至亮,且差别明显。
(2) 局部富含水:电磁波从高阻介质入射到低阻介质时,入射波与出射波反相,反之同相。注水后,由于水的相对介电常数大,界面反射系数大,道路内部出现低阻区域,其反射波与天线发出的电磁波反相,局部富含水病害标准图谱及波形如图8所示。缺陷产生强反射,回波信号强,由于水对电磁波的衰减,电磁波能量大幅衰减,在图谱上表现为缺陷处图谱明暗交错,缺陷下方信号弱,回波噪声明显。
图8 局部富含水病害标准图谱及波形
与其他病害图谱相比,局部富含水区域土层两边介质的电磁参数差别大,反射系数也大,同样反射波的能量也大[12]。由于土层中的介质向水中扩散,该介质层中液体的介电常数降低,而电导率增加。当角频率一定时,由式(5)可知,该层介质对电磁波的耗损程度变大,缺陷下方信号幅值衰减快。
(3) 蜂窝:由于蜂窝缺陷的结构特征,所以其波形类似于多个小脱空的叠加,蜂窝病害标准图谱及波形如图9所示,电磁波经过多次的反射折射,在图谱上显示局部波形杂乱,横向上同相轴错断,呈现出“蜂巢”状。
图9 蜂窝病害标准图谱及波形
由于土层中的空气团较分散且体积较小,所以其对于整个界层的介电常数、电导率等相关参数的影响并不显著。但蜂窝病害形成中存在明显的连续性特征,其他病害则一般不具备。
(4) 离析与不密实:内部材料疏松,介电参数的差异大。疏松病害的顶、底反射信号在剖面上不对称。电磁波在界面上反射较弱,图谱上显示局部波形杂乱,横向上同相轴错断,颜色亮暗交错。相较于蜂窝缺陷,不密实及离析与其较为相似,在实际工程中较易发生误判,最大不同在于其构造上相对分散且不具有蜂窝缺陷连续的特征。离析病害标准图谱及波形如图10所示,不密实病害标准图谱及波形如图11所示。
图10 离析病害标准图谱及波形
(5) 裂缝:裂缝中空气的存在使得回波信号幅值明显增强,图谱特征表现为上下两条双曲线波组,其中,顶端和低端的双曲线组二者相位刚好相反。这与脱空病害较为相似,但裂缝宽度比脱空病害的宽度小,波形图中峰尖扰射曲线宽度与脱空病害扰射曲线宽度相比较窄,局部回波特征明显。裂缝病害标准图谱及波形如图12所示。
图12 裂缝病害标准图谱及波形
(6) 冻融:工程中冻融区域与富含水区域是基本一致的,两者的区别主要是外界温度的变化导致水的形态不同。对应的特征信号基本相似,同相轴错段,整体呈弧形。冻融病害标准图谱及波形如图13所示。
图13 冻融病害标准图谱及波形
对比较为相似的不密实区域,冻融土层中混入的冰水混合物的介电常数、电导率更大,反射波中的A0明显高于其他幅值。不密实区域的反射波强度较弱。
4 结语
通过对试验得到的特征回波波形进行分析,论证了地质雷达法对市政道路进行检测并准确辨析典型病害的可行性。根据电磁波传播理论及地质雷达反射图谱的成像原理进行分析,得出各典型病害的回波特征及雷达图谱特点,得到了裂缝与脱空、冻融与不密实、离析及不密实、蜂窝等病害相似雷达图谱的细节差别。