地质雷达法测试水泥混凝土路面面层厚度的探讨

周文渊 李 博

(1.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004)

1 概述

水泥混凝土路面具有较高的力学强度，但其弯拉强度远小于抗压强度，为使水泥混凝土路面板能够在车辆荷载多次重复作用下而不发生破坏，要求混凝土板必须有足够的厚度[1]。

因此，JTG F80/1—2017公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程里把水泥混凝土面层厚度检测作为关键的检查项目。CJJ 1—2008城镇道路工程施工与质量验收规范把水泥混凝土面层厚度作为质量检验的主控项目。可见，混凝土路面层厚度在施工质量评定时的重要性。

钻芯法是最常用的水泥混凝土道路路面结构层厚度测试方法。优点是能够取出混凝土板的完整芯样，检测结果直观、准确、争议性小。但钻芯法测试水泥混凝土路面层厚度也有局限性。首先，钻芯法只能用于测点的随机抽样检测，不能对路面进行全覆盖或大批量的测试。其次，钻芯法对混凝土路面造成一定程度的损坏，破坏路面的完整性。而且开展钻芯法工作时需要的设备复杂，取样效率低，且有一定的危险性。

随着我国测试技术的发展，地质雷达法作为一种无损检测技术有了更广泛的应用。地质雷达具有分辨率高、效率高、易于操作、实时图像显示等优点。

本文采用地质雷达法对某工程水泥混凝土面层厚度进行了测试，并与钻芯法的结果进行对比，探讨了地质雷达法测试水泥混凝土路面层厚度的适用性。

2 地质雷达仪器与原理

2.1 地质雷达仪器

主机为美国劳雷公司生产的GSSI SIR20型地质雷达仪，选配中心频率为1 500 MHz的探测天线，使其在满足探测深度的前提下具有最大的分辨率。

2.2 地质雷达测试原理

地质雷达是根据电磁波在不同介质中传播特性不同的原理进行工作的。

地质雷达通过发射天线(T)发出的具有一定频率的电磁波，电磁脉冲向目标体传播，当目标体存在差异时，会产生电性差异，进而导致存在差异的界面发生反射，反射波被雷达接收天线(R)接收并被仪器记录下来。探测原理见图1。

反射脉冲总是滞后于发射脉冲一段时间，这个时间是电磁脉冲通过穿透介质的速度和目标体埋藏深度的函数，即下式：

t=2z/v。

其中，t为电磁波的双程走时，ns，1 ns=10-9s；z为目标体的埋藏深度，m；v为电磁波在穿透介质中的传播速度，m/ns。

测试系统把发射的电磁脉冲信号以时间和振幅的函数记录下来，称之为一次扫描。当收发天线沿地面移动时，记录地面不同位置上的多次扫描，得到时间域脉冲信号的剖面，构成地质雷达记录。

不同的介质一般具有不同的介电常数，电磁波在不同介电常数的界面会产生反射，通过对反射波的振幅及相位等波形特征进行研究，即可对地下目标体的性状作出一定程度的判别。

3 地质雷达测试方法应用

3.1 测试方法

地质雷达测试系统一般由主机、天线、数据线、计算机、数据采集软件、数据分析处理软件等组成。测试工作时，拖动天线沿布置好的测线，连续移动。地质雷达仪的天线一般是收发一体的天线。发射天线向路面发射一定主频的电磁波，电磁波在路面介质中传播，遇到不同介质会产生波的反射。反射波被接受天线接收，通过数据线传回数据采集软件并被记录。

测试时，沿测线以一定的速度移动天线，连续采集测试数据，经数据后处理软件，即可获得该测线沿探测深度的一个剖面图。

3.2 仪器参数设置

被测试路段的水泥混凝土面层设计厚度为20.0 cm，其下为水泥稳定土基层。

根据混凝土面层的厚度，设定测试参数。测试系统的主要参数设置为：增益为5点线性增益，时窗长度为8 ns，有效探测深度约40 cm。主频1 500 MHz，高频截止频率3 000 MHz，低频截止频率为500 MHz。

3.3 测线布置

测线沿道路走向布置在混凝土板的中间位置。并在测线旁边放置皮尺，记录距离位置。

共布置3条测线，每条测线长20 m。具体测线编号与桩号信息如下：

1号测线：桩号0+100～0+120；

2号测线：桩号0+200～0+220；

3号测线：桩号0+300～0+320。

测试时，把收发天线沿测线路面移动，连续扫描。

3.4 测试结果

3条测线测试结果经该雷达图像经滤波、反褶积、零点校正、增益调整、迁移等数据处理后的雷达图像见图2～图4，每幅图像长度为20 m，横轴为水平距离(桩号)，每1 m打一个标记，纵轴为深度，单位为m。

用横向白色虚线把设计厚度、分界面线分别在图上标记出来，方便查看。通过交界面的深度可以计算出该处混凝土路面层的厚度。

从测试结果的雷达图像可以看出，水泥混凝土路面面层与水泥稳定土基层具有明显的交界面。说明选择合适的天线和参数设置，地质雷达法的分辨率是能够满足测试水泥混凝土路面层厚度的要求的。

3.5 地质雷达法与钻芯法的对比

钻芯法按照JTG 3450—2019公路路基路面现场测试规程中的“T003—2019钻芯和切割取样方法”章节要求操作。

通过分析各测线的雷达图像，钻芯取样位置选择在交界面波动较大，混凝土路面层厚度与设计偏离较大，容易产生争议的地方，各对比验证取样位置见图2～图4。

各对比验证点的钻芯法测试结果与地质雷达法测试结果见表1。

分析表1的数据可知，地质雷达法测试的混凝土面层厚度与钻芯法测试结果相差不大，钻芯法测试结果稍小于地质雷达法。可能是由于钻取芯样时，不能完整取出水泥稳定土基层与混凝土面层交界面处的混凝土。从一定角度上来讲，地质雷达法测试更确切的反映了混凝土面层的实际厚度。

表1 地质雷达法与钻芯法测试结果汇总表

4 结语

本文通过开展地质雷达法对水泥混凝土路面面层厚度进行了测试，并与钻芯法测试结果进行了对比，通过分析可知：

地质雷达法分辨率能够满足测试水泥混凝土路面层厚度的要求，且测试结果与钻芯法测试结果相差不大。

相比于钻芯法，地质雷达法更方便、快捷，自动化程度更高，提高了工作效率，能完成对道路全段进行不间断的测试，而且测试结果直观。

对地质雷达法探测有争议的部位，可配合钻芯法进行验证，更客观、真实的反映出测试结果。