基于三维探地雷达技术的路面病害分析和控制对策

2021-05-19魏克森韩文扬韦金城

黑龙江交通科技 2021年4期

魏克森，陈凯，韩文扬，韦金城

(1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250100；2.山东省交通科学研究院，山东济南 250102)

0 引言

路面病害是影响沥青路面使用年限和使用性能的重要因素，对于沥青路面施工后的病害检验，常规的方法是通过现场取芯的方式，然后在实验室进行检测，从而得到一系列的参数，如强度、厚度、压实度等指标。虽然这种方法具有操作简便、直观准确的优势，但随机取样缺乏代表性，而且钻芯取样过程会损害路面结构，即使进行修补，随着道路使用年限的增加，取芯部位也会不可避免的出现坑槽、沉陷等病害。三维探地雷达(Three Dimensional Ground Penetrating Radar，3D GPR)具有检测速度快、范围广、定位明确的特点，现被广泛应用于沥青路面厚度检测、密度检测和路面结构层内部病害调查等领域，能够实现实时三维显示，大幅度提高了路面的检测效率。本文通过对安徽省合安高速公路进行雷达检测，描述了路面病害在雷达图像上的显示特征，进行病害分析进而提出控制措施。

1 三维探地雷达的工作原理

三维探地雷达的工作原理如下:三维探地雷达利用发射天线向地面发射高频电磁波，在遇到异电界面R0(两种不同介电常数介质的界面，即空气和面层)时，会在分界面处发生反射和折射，角度分别为α1和β0，折射信号作为入射信号向下传播，在R1(面层与基层)界面再次发生反射和折射，分别为角度β1和γ0，折射信号继续向下传播，而反射回来的信号都会由接收天线接收，经过信号处理机等一系列处理，从而得到信号连续的测量剖面，形成雷达剖面图，具体详见图1。

图1 检测原理图

在介电常数发生变化的界面处高频电磁波会发生反射。在路面结构中，裂缝、沉陷等病害区域通常孔隙率大，含水率高。沥青混凝土、空气和水的介电常数明显不同，当信号波到达路面病害区域时，会发生反射，这些电磁波是雷达成像的主要依据。

三维探地雷达系统采用了天线阵技术，具有很高的分辨率。采用GeoScope-TM探地雷达天线阵，如图2所示，由21对电子扫描天线振子组成，间距为0.075 m，可同时采集21条测线，不仅提高了探测效率，而且实现了三维成像。

图2 三维探地雷达天线内部振子排列图

2 沥青路面病害类型及其雷达图像特征

2.1 裂缝

根据电磁波的垂直叠加原理，裂缝处在探地雷达图像中会形成特殊的垂直特征信号，这是辨别裂缝的主要依据。由于水、空气和沥青混合料三者的介电常数差异较大，因而导致电磁波在传播过程中造成影响，使图像中的形状差异。裂缝在雷达图像上的识别特征如下：(1)裂缝部位介电常数小于正常路面介电常数；(2)同相轴不连续，裂缝位置波形上凸，雷达横断面图上可看到条形强反射区域；(3)若裂缝中为空气，从沥青路面进入裂缝，相位为负，少见明显负峰。

2.2 沉陷

路面沉陷在路面结构中存在明显的竖向位移，在沉陷区域的介电常数和平整路面的介电常数存在很大差异，进而在探地雷达图像上存在明显的区别。沉陷病害在雷达图像上的识别特征如下：(1)沉陷部位介电常数明显小于正常部位介电常数；(2)同相轴弯曲，多表现为下凹，沉陷严重部位出现同相轴错动；(3)沉陷部位出现强反射振幅。

2.3 松散

由于施工工艺不达标可能导致路面形成离析等。随着使用年限增加，会降低路面的承载能力，在外界环境的作用下，会造成基础的塌陷。松散在雷达图像上的识别特征如下：(1)松散部位介电常数要小于正常部位介电常数；(2)同相轴不连续，波形杂乱，不规则，波形杂乱程度随松散程度加大而加剧；(3)介电常数变化导致振幅增大。

3 工程实例

为进一步研究路面中各种病害在三维探地雷达图像的差异性，通过对安徽省合安高速公路改扩建项目，桩号为K68+950～K69+950路段进行探地雷达检测，检测里程1 km，路面结构为4 cm AC-13上面层+6 cm AC-20中面层+6 cm AC-20下面层+18 cm泡沫沥青基层，本检测流程如下。

(1)测线员确定测线起终点与测试方向。

(2)每次检测时，雷达检测车自动采集横向1.8 m宽度的数据。

(3)每条测线的数据采集由巡检车跟随，以保证行车安全。

对于实时采集到的数据，现场分析人员进行初步分析。必要时调整频率，进行追加检测再度进行数据采集。用三维雷达对路面结构进行扫描，以了解路面结构的病害范围及深度，典型路段雷达扫描图像描述如下。

图3是通过三维探地雷达最终绘制出的雷达剖面图，可以根据层间的介电常数不同，清楚地测出各个层位(路基、底基层、基层、面层)，进而进行观察、分析每一层的病害。以下对测得的路面进行病害分析，如图5～图7所示。

图3 路面结构雷达剖面图(K69+572～K69+620)

图4 道路面层横向裂缝雷达剖面图及俯视图(K69+172)

图5 路基沉陷雷达剖面图及俯视图(K69+211～K69+214与K69+244～K69+247)

图6 道路基层内部破损、松散雷达剖面图及俯视图(K69+132～K69+154)

图7 合安高速公路病害汇总图

由图4所示，在K69+172处出现一道横向裂缝，在纵断面图中同相轴中断，波形局部上凸；在横断面图中，有带状异常雷达图像区域。经分析，由于路面的低温收缩或者半刚性基层收缩以及切缝不及时，施工过程中摊铺、碾压方式不当从而形成横向裂缝。由图5所示，在K69+211～K69+214与K69+244～K69+247两段分别出现了沉陷，基层出现强反射区域，波形杂乱，经分析，由于土路基的密实度不足，地质资料不够全面，对一些影响稳定性的地质构造如地下沟渠等不了解，导致路基沉陷。由图6所示，在K69+132～K69+154段出现部分松散，基层同相轴不连续，波形杂乱，不规则。经分析，由于基层材料质量不合格以及压实、搅拌工艺不规范，下层施工碾压后的标高低于设计标高，因此上层厚度需要加厚，而加厚之后超过了分层碾压厚度要求，则压实度达不到要求造成松散。

4 施工过程中的控制措施

根据对该高速公路路段进行雷达检测，病害个数汇总如图7所示，此路段的面层病害总数有10处，而基层病害总数有76处，可知基层的病害个数远远大于面层的病害个数，因此在施工过程中要注重对基层的质量检验，对于预防路面病害，针对施工过程中的控制有以下几点。

(1)运输过程中的控制。在运输车顶部覆盖篷布，并且采用合理的装料和卸料方式，装料时分三个不同的位置装料，按照在车厢前后中的顺序装料，这样会减小沥青混合料在运输车中的离析程度。当运输车将料卸入摊铺机料斗时，要尽量使混合料整体卸落，车厢底板应处于良好的封闭状态并内涂润滑剂，实现卸料均匀、快速。

(2)摊铺过程中的控制。合理调整摊铺工艺，尤其注意摊铺机两侧的铺筑质量，避免粒径较大的集料集中在两侧造成离析。尽量减少摊铺机受料斗的受放次数以减少路面出现周期性局部离析。摊铺过程中应随时检查施工质量，出现缺料、离析等现象时及时补洒填料。为解决离析和平整度问题，对摊铺过程而言，主要是从螺旋分料器的结构设计和运动学参数来加以控制。

(3)碾压过程中的控制。根据工程实际情况，确定初压、复压和终压遍数。合理调整压路机的压实功，以免在起振、停振过程中造成路面沉陷。压路机不得在碾压过程中随意制动，不得在碾压的路面上加水、加油，避免各种油类物质渗入路面产生病害。禁止压路机停留在已完成但尚未降到自然温度的路面上。