高速公路路面厚度检测中探地雷达的应用分析

文/钟申伯

1 前言

路面厚度是进行高速公路路用性能及使用年限等评价的重要参数，路面结构层厚度检测是公路质量检测的重要项目。传统的钻孔取芯及挖坑检测等技术具有破坏性强、抽样次数受到制约、缺乏代表性、检测费用高、周期长等缺陷，而探地雷达检测技术在公路路面厚度检测方面具有检测效率高、无损、测点连续、精确可靠、检测时间短等优势，检测速度可达到15～20km/h，所设置测点可达上万个，其在高速公路路面厚度检测方面优势显著。

2 探地雷达路面厚度检测原理

探地雷达主要通过天线向待检测路面发射高频脉冲电磁波，当电磁波在路面结构中传播时遭遇不同类型介质界面便会发生反射，反射波由接收机接收后，进而由计算机分析并成像处理。应用实践证明，探地雷达可实现80km/h 的快速连续作业，属于应用范围十分广泛的无损检测设备。在采用探地雷达进行路面厚度检测时，可根据其电磁特性进行路面结构划分，若临近结构层材料电磁特性不同，则会影响射频信号在两个界面之间的传播，并引发雷达信号投射及反射。探地雷达正是利用反射波波幅进行各结构层介电常数的推求，进而推求出结构层厚[1]。

2.1 介电常数

路面结构上下层介电常数与其反射系数存在如下关系：

式中，εr1、εr2为路面结构上、下层介电常数；R为界面反射系数；R=A/Am，A为反射波幅，Am为全反射波幅。

首次反射过程中上层空气介电常数取1，且R0=A0/Am，故：

第二次反射过程中根据已求得的上层介电常数，在R=A/Am右边乘以反射层能量损失系数1-R20，得出A1/Am=R1( 1-R20)，所以有

按照以上过程以此类推，便可求得不同界面之间的介电常数。

2.2 结构层厚

求出结构层界面之间介电常数后，按下式确定电磁波传播速度：υ=，其中c为光速，取30cm/ns。电磁波传播速度与结构层往返时间一半的乘积即为结构层厚，具体如下：

面层厚度h1=υ1⋅Δt1/2=⋅Δt1/2

基层厚度h2=υ2⋅Δt2/2=⋅Δt2/2

3 探地雷达检测技术的应用

3.1 工程概况

某高速公路待检测路面起讫里程K0+520～K2+741 段原为水泥混凝土路面结构，后来改建为沥青混凝土路面结构，设计使用年限15a，标准轴载BZZ-100kN，沥青混凝土路面结构主要为总厚度64cm 的水稳级配碎石基层+沥青层，水稳级配碎石基层和沥青层分别厚48cm 和16cm。沥青层自上而下分别为：厚4cm 的沥青玛蹄脂碎石混凝土SMA 面层+厚5cm 的AC16-I 中粒式沥青混凝土中面层+厚6cm 的AC20-I 粗粒式沥青混凝土下面层+厚1cm 的稀浆封层。

3.2 探测测线布置

根据检测要求，在待检测路段左右幅路面分别设置一条纵向连续测线，进行纵向水稳层和沥青层厚检测，并按照100m 间隔布置一条横向测线，检测该路段横向水稳层及沥青层厚。首条测线里程K0+600 至最后一条测线里程K2+700 之间共设置20 条横测线。

3.3 参数选择

通常情况下，电磁波频率越高，探测深度越小，垂直分辨率越高，故选择高速公路路面厚度检测探地雷达天线时，必须充分考虑路面检测深度和精度要求。该公路路面厚度检测精度要求较高，且厚度不大，故选取GSSI公司所产SIR-14H 型探地雷达900MHz 高频屏蔽天线，将采样天线时窗长度设定为20ns，并选取自动增益检测模式。

3.4 资料处理

在检测路面厚度的过程中，SIR-14H 型探地雷达在主机控制下发射器通过天线向路面结构层发射定向超高频电磁波，电磁波在向下传播过程中如遇沥青层底界面、水稳层底界面等电性差异界面便会发生反射，天线将所接收到的反射波与沿地面传播的直达波一起送入接收器，经主机进行放大、滤波、叠加等数字化处理后在显示器上显示出与地震反射时间剖面所类似的雷达连续探测剖面，具体如图1所示。从雷达数据剖面图中可以看出，水稳层及沥青层底界面处分别存在一条反射强烈的连续界面，剖面横坐标反映的是沿测线向的里程距离（m），表示测点实测位置；纵坐标表示时间（ns）或深度（m），反映的是各条反射波往返时间/目标深度。随距离的增大，反射曲线反射强度按灰度显示，构成探地雷达探测数据剖面。在进行资料整理时，必须先处理数据，即结合回波形态、反射强度进行判断其目标性质，并明确水稳层底界面和沥青层底界面反射波形状，追踪分析层位，并根据回波反射的传播时间、传播速度等计算水稳层及沥青层厚度，结果如图1所示[2]。

图1 左幅路纵测线二段路面厚度检测剖面

3.5 检测结果

公路路面厚度检测结果分析时，按照10m 间距统计出2 条纵向测线水稳层、沥青层厚度检测数据，再按照1m 间隔将所检测出的厚度数据绘制成厚度变化剖面成果图；按照1m 间距统计出水稳层、沥青层厚度，并按1m间隔将所检测路面厚度数据绘制成剖面成果图。根据剖面成果图进行检测路段水稳层、沥青层厚度横纵向变动趋势的直观分析。该公路路面沥青层厚度统计中，横纵向测线检测路面厚度均值均为0.15m，与设计厚度0.16m 仅相差0.01m，水稳层检测的厚度均值与设计厚度仅相差0.12m，表明水稳层施工中厚度较薄。

4 探地雷达检测路面厚度的可行性

4.1 准确性

以K0+520～K0+920 段为试验段，利用SIR-14H 型探地雷达进行面层厚度检测试验，并进行现场钻芯取样和芯样验证，根据首个钻孔芯样厚度和雷达波传播时间进行传播速度标定，并依据传播时间推算其余孔位厚度。根据推算结果，具体点位上雷达检测厚度值和钻孔取芯测量厚度值绝对误差最大和最小值分别为1.4cm和0.02cm，相对误差最大达17.04%；但试验区段内雷达检测厚度值和钻孔取芯测量厚度值绝对误差为0.16cm，相对误差仅为2.23%。因此，进行本高速公路路面整体施工质量评价时应采用区段检测方式。

试验段检测结果存在一定误差，究其原因主要在于高速公路路面施工质量要求较高，且介质均匀，雷达波传播速度标定时通常采用相同的介电常数，并根据个别钻孔取芯点所标定出的传播速度表征全段速度。但不同路段介电常数并非完全相同，进而导致检测结果产生误差。根据钻孔取芯结果，各芯样介电常数值存在一定差异，这主要与施工工艺、原材料、公路运行环境等有关。若采用完全相同的介电常数值进行雷达波传播速度标定，则所得到的雷达探测厚度值必定存在误差[3]。

4.2 经济性

以本高速公路起讫里程K0+520～K2+741 段待检测路面水稳层厚度检测为例进行探地雷达检测与钻孔取芯检测成本的比较，探地雷达检测过程中所耗费的人工费、材料费、机械使用费、其余直接费及间接费分别为0.34 万元、0.21 万元、0.35 万元、0.19 万元、0.76 万元，工程成本合计1.85 万元；而传统钻孔取芯检测方式下所耗费的人工费、材料费、机械使用费、其余直接费及间接费分别为1.21 万元、0.48 万元、0.35 万元、0.17 万元、0.78 万元，工程成本总计为2.99 万元。通过比较发现，探地雷达检测成本能比钻孔取芯检测技术节省40%左右，如果将该技术应用于设计长度更长的高等级公路路面厚度检测中，则会产生十分可观的经济效益。

5 结语

综上所述，采用探地雷达无损检测技术进行高速公路路面厚度检测具有快速、连续、准确的优势，在具体点位检测结果的精确度较差，而在特定区段检测结果准确度较高，完全可以取代钻孔取芯检测方式。为提升结果的精确性，在选取电磁波速度参数时最好进行现场标定。与常规的公路水稳层厚度检测技术相比，探地雷达技术能有效减少人为因素对检测过程及结果的干扰，缩短检测周期，降低检测成本，且该技术对于公路路面缺陷及病害探测也较为适用，应用前景十分广阔。