探地雷达在道路工程检测中的应用分析

何鹏程

（苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 211100）

1 路面结构层厚度检测中探地雷达的应用

1.1 原理和方式

通常情况下，一定距离范围内的道路路面结构层的厚度是相同的。根据相关工程的设计需要，每一层的材料都需要相同，并且每一层的材料在铺设过程中都需要分层进行碾压以及维护。因此，每个结构层对于探地雷达所使用的电磁波来说，都属于一种具有良好导电性且导电分布均匀的介质层结构，也就是说，使用探地雷达所要检测的结构层相当于一个假设性的模型。

电磁波以及其他波在传播的方式和规律方面都相同，其中最主要的一个特点是：电磁波传播时，如果碰到了具有一定差异性的介电特征，可能会反射电磁波。而探地雷达电磁波信号，在本质上来说就是各种被反射回来的电磁波信号之间不断地进行重叠。在介质内传播的电磁波所具有逐渐减弱的特性，因此各种小于入射波幅度的波构成了探地雷达电磁波的反射信号。

在检测路面结构层厚度时使用探地雷达，原理是通过路面内的各个结构层界面的电磁脉冲接收到其反射波的时间长短以及传播的速度，对路面内的各个结构层的厚度进行判断。

根据电磁波在各个结构层内的传播时间以及速度等，可以通过公式（1）对路面的结构层厚度进行计算：

式（1）中：

c

为光速3×10m/s。

为了使公式（1）成立，就需要忽略介电常数的虚部，同时还要保证电磁波的射入和在结构层中反射的方向都处于垂直状态。根据公式（1）可以知道，使用探地雷达检测路面厚度时，检测方式就是充分了解路面结构层的相对介电常数和路面结构层中的电磁波传播时间，还要了解结构层介质中电磁波传播的时间。

首先要掌握探地雷达反射信号在地面表层、空气以及其他结构层面的基本特性。

其次，还要掌握各个结构层面的特性在探地雷达的检测面的多对应反射波组。

最后，当对反射层面的对应波组进行确认以后，就要将整个结构层面的各个反射波组通过自动拾取功能提取出来。

1.2 技术参数的选定

1.2.1 雷达中心频率的确定

对于探测深度、雷达图分辨率来说，确定雷达中心的频率具有十分重要的作用。雷达接收的波形信号的分辨率会随着中心频率的提升而提升，从而使检测工程的准确度得到提升，但是所能探测到的结构层厚度就会降低。因此，在使用探地雷达进行结构层检测时，需要在检测深度得到有效保证的情况下，对工作频率进行最大限度的调高，从而使波长得到有效降低。

1.2.2 测量时窗的确定

最大的雷达探测厚度以及电磁波在介质中传播的速度会对采样时窗的大小产生影响，将上述的可能性参量的变化程度确定在50% 左右，可以通过公式（2）进行计算：

式（2）中：最大的探测厚度用D表示；采样时间窗用ω 表示；雷达波在介质结构层中的传播速度为v。

通过对电磁波传播速度进行统计和计算，可以得到时窗参数，其中雷达波的平均速度是0.08m/ns。

1.2.3 采样点数量的确定

一般的探地雷达带宽和天线的中心频率都是1，可以确定被天线辐射出来的电磁脉冲一般在0.5～1.5 倍的中心频率中布满了能量。因此，天线1.5 倍的中心频率就是雷达所具有的最大频率。

采样依据Nyquist 定律，为能够更好地展示反射雷达波内的信息，在确定采样频率时，应该确保其在雷达最高频率信号的2 倍以上，与此同时，为得到更好的采样效果，可以提升采样的频率。所以，天线6倍的中心频率大概就是雷达数据内的采样频率，其中采样的孔隙可以通过公式（3）进行计算：

式（3）中：天线的中心频率表示f；采样数量的参数所选值的范围一般在（N=512，1024，2048）；设置雷达的样本数量一般为512。

2 探地雷达在道路病害检测中的应用

2.1 松散病害检测

道路对行驶车辆的承载能力会随着路基的松散而逐渐下降，外界环境会影响其基础部分出现一定的塌陷。

2.1.1 出现路基松散的主要原因

（1）使用垫料铺设路面下层后，在进行碾压工序时，最终的标准高度小于原有的工程设计高度，上层的垫料需要加厚，但是将上层的结构层垫料加厚以后，会造成该结构层的实际厚度超过了碾压的要求厚度，使路面结构层的压实度无法达到设计要求，出现松散的情况。

（2）在施工过程中，没有根据相应的施工规范要求进行作业。在对不同垫料进行碾压时，需要使用不同的压路机，如对碎石土进行填料碾压时需要用振动压路机；对粉煤灰进行填料碾压时应该使用重型静力压路机。

（3）选择的垫料不合适。对路基进行填筑的过程中，所使用的泥炭或者冻土等垫料没有进行技术上的处理。

（4）在对路基进行填筑的过程中，将不同的垫料混合到了一起。不同垫料的密度存在差异性。对路基进行施工时，需要将垫料进行分类处理，对各个结构层的压实度进行检测时，需要使用一样的标准，如果将垫料混合到一起进行填筑，就会降低压实效果，使路基的压实度不高，会出现路基松散的情况。

（5）地基的承载能力随着外界环境的不断变化和影响而降低。如果在铺设路面的过程中，排水系统设置得并不完善，路基排水能力差，导致水长期浸泡路基，出现松散的情况。

2.1.2 松散路基的雷达图形

压实度较好的路段，各个结构层中的介质密度和水分都均匀地分布，在同一个结构层面的介质中，电磁波在传播过程中指数会不断地降低，并且在雷达的剖面上，反射振幅较弱、反射信号显示的相位有序；压实度较差的路段，各个结构层中的介质密度和水分会呈现不均匀的分布，电磁波在同一层介质中进行传播时，如果遇到了水分或者介质密度分布差异性较大的地方，就会呈现明显的反射情况，导致在雷达图形上呈现较强的反射振幅以及反射信号相位缺乏连续性。

病害最常出现的位置是桥头，因此在对桥头进行松散检测时，其雷达波呈现明显的响应特征，并且出现了多次雷达波以及绕射波的情况。而出现松散情况的位置在反射上的标志就是雷达剖面的反射存在多次且散乱的情况，根据该显示可以判断出松散位置存在的区域。

2.2 空洞病害检测

当道路工程出现空洞病害时，可能会引起路面塌陷。

2.2.1 产生空洞的主要原因

（1）路基的密实度受到地下工程的影响而逐渐下降，时间久了就会出现路基沉降，同时该处会变成一个空洞。

（2）路基受到地下水不停冲刷的影响，导致路基出现塌陷，从而出现空洞。

（3）当地下管道出现破损时，会使管道的内部和外部之间形成一条通道，周围的土壤都随着压力而被吸入管道，使该处的路基出现空洞。当空洞出现时，道路上层的压力需要依靠沥青或者混凝土部支撑，时间久了就会破坏路面，严重的会使路面出现塌陷。

2.2.2 空洞的雷达显示图

正常情况下，如果路面和下面各个结构层之间贴合得比较紧密，在使用探地雷达进行检测的过程中，其电磁波信号所形成的反射就比较弱，并且电磁的反射波呈现出一种带状、有规律性且有序的反射波。如果对出现空洞的部位进行探地雷达检测，那么电磁波在传播过程中，由于空洞周围的介质和其他地方的介质电性方面存在着较大的差异性，就会出现明显的反射电磁波。这也是对空洞使用探地雷达检测的前提条件。在探地雷达图上，其空洞位置显示出来的是两侧比较强的绕射波；如果空洞距离地面比较近，并且空洞中的介质是空气，那么在雷达波形图上，该处的异常显示为逐渐上升的反射波振幅，同时有空洞的位置会呈现出多次性的发育波；如果空洞部分的电磁波传播介质为水，并且该处出现了下陷的情况，那么在雷达波形图上，异常位置会呈现出逐渐上升的反射波振幅，且下陷部分的反射波的同相轴，会出现一个显著的凹陷情况。

2.3 沉陷病害检测

道路的正常运营会因为路基出现沉陷而受到影响，如果沉陷较为严重，那么道路上车辆的行车安全就会受到威胁。

2.3.1 道路出现沉陷的主要原因

（1）缺乏完整的地质资料，道路下面可能存在暗沟或者溶洞，时间久了就会对路基的稳定性造成影响，使路基出现沉陷的情况。

（2）使用垫料对路基进行填筑的过程中，由于没有很好地控制填土的压实度，导致填土的后期塑性和黏弹性不足，出现严重的变形情况，引起该处路面沉陷，其中最为明显的沉陷路段就是具有较高填土的部分。

（3）在路面施工过程中，由于填土的速度快于相关规范的要求，并且软土地基部分的填土高度缺乏临界点，导致填土到临界位置时，无法加强对路基沉陷的观测，使整个路基承载能力降低，部分结构出现失稳的情况，导致出现沉陷问题。

2.3.2 沉陷的雷达显示图

对道路出现沉陷使用探地雷达进行检测时，其波形图中的反射信号呈现的形式为凹陷形，呈整体状态出现。

3 结语

在道路工程检测中，最具高效性、无损性、便捷性以及连续性的检测方式就是探地雷达检测技术。对探地雷达在实际道路工程检测中的应用进行探究分析，通过该技术对路面结构层厚度检测的应用，对该技术的原理和方式做出详细阐述，并且对道路病害检测进行研究。在对公路的施工质量进行检查时，经常应用LTD—3R 型路面检测车载系统，其主要的构成结构是：工程车、便携计算系统、雷达主机以及空气耦合天线等。在检测过程中，其水平检测速度最高可以达到60km/h，并且各类型指标基本达到或超过到国外相类似产品水平，该检测系统可以替代传统的钻芯方式，对公路的路面结构层厚度进行检测的过程中，确保整个工作具有较高的速度、精准度以及无损性。不仅如此，探地雷达还被广泛应用在我国的交通、地质、考古等部门，在我国的整体经济建设和发展过程中，具有一定的重要性。