探地雷达技术在道路检测中的应用

陈光谋

（河北中交远洲工程试验检测有限公司，河北石家庄 050035）

1 工程概况

某公路工程全长为36.45km，设计行车速度为70km/h，采用双向四车道设计形式，其路面结构为沥青混凝土面层，以及水泥稳定碎石基层，该工程于2014 年完工并投入使用，经过多年行车荷载及外界环境的侵蚀，公路路面结构存在不同程度的损耗，为确保工程的使用安全，需要在不破坏路面结构的情况下检测其使用性能，主要检测内容包括路面厚度、路面病害情况以及路面现阶段性能，根据要求经研究决定采取探地雷达技术开展该工程路面检测工作，本文对此展开分析。

2 道路检测中探地雷达技术的应用

2.1 探地雷达技术分析

（1）在公路检测工作中采用的探地雷达技术，根据不同的工作原理大体可分为3类，分别为调频式探地雷达、步进式探地雷达以及脉冲式探地雷达，其中调频式探地雷达和步进式探地雷达，均通过振荡器对雷达的发射频率进行控制，针对结构层复杂的公路检测时，其检测数据不够精准，因此，此方式只适用于结构单一的浅层公路中；脉冲式探地雷达对电磁信号的处理较为简单，可适用于各种公路结构检测工作，因此，在公路检测工作中受到广泛的应用，本工程也采用脉冲式探地雷达检测技术。

（2）脉冲式探地雷达是由雷达主机、接收和发射的天线结构、电源、数据储存设备、显示器等多项设备共同组成，在对公路结构层开展检测工作时，先启动雷达的控制单元发射出超带宽电磁脉冲波，然后通过收发器对电磁脉冲波进行放大后，利用发射和接收的天线结构将其传播至公路结构中，当电磁脉冲波进入公路结构后遭遇到不同介质的结构层，此时电磁脉冲波会发生反射现象，经反射回的电磁脉冲波由天线结构接收，并将其传递至雷达控制单元，最后对雷达控制单元接收到的电磁脉冲波信号进行分析，将其转换至数字形式的信号后存储投放于显示屏上，经过对信号的分析便可得知路面的厚度、病害程度等信息[1]。

2.2 探地雷达技术的应用

2.2.1 路面厚度检测

（1）公路路面是承受车辆直接作用的主要结构层，在长期车辆行驶过程中，不可避免地会对路面表层造成磨耗，从而致使路面厚度产生变化，如路面厚度变化过大，就可能丧失路面应有的性能，从而引发病害问题的发生。因此，公路建设单位需要定期检测路面厚度，确保路面结构的性能，探地雷达检测技术作为无损检测技术之一，具有检测精度高、检测速度快的特点，公路建设单位可采用此技术开展路面厚度检测，在路面厚度检测时先利用雷达向路面结构层中发射电磁脉冲波，然后根据脉冲波的行进速度、传播时间等相关参数计算得知路面的厚度，其计算公式如式（1）：

式中：h 为路面的检测厚度（m），V 为电磁脉冲波传播的速度（m/s），t为电磁脉冲波传播的时间（s）。

经过公式计算可以得知路面结构层的厚度，从而判断路面整体厚度是否在规范要求的范围内，为确保路面厚度检测中相关参数的精准性，检测过程中需要注意以下几点内容[2]。

（2）在路面厚度检测中，路面面层与路面基层采用的材料不同，其介质的相对介电常数必定存在差异，因此电磁脉冲波在不同介质下传播速度存在差异，为确保检测数据的精确性，需要检测人员合理确定电磁脉冲波在不同介质下的传播速度；其次路面厚度检测时的检测方式为每幅断面选取检测区域，利用各个检测区域检测结果来表示路面的平均厚度，为有效反映路面的真实厚度，在选取检测区域时应避免选择路面厚度变化较大的区域，以避免对检测结果造成误差，可选择路面相对平坦的位置作为检测区域。

2.2.2 路面病害检测

2.2.2.1 空洞检测

（1）公路行车过程中因路面积水的侵蚀和冲刷，会导致路面下方的混合料被挤出结构层，从而造成空洞问题的存在，对本工程而言路面空洞的位置可能出现在基层与底基层之间，如路面出现空洞问题后不能及时发现并修复，可能会造成路面发生坑槽问题，严重威胁公路的行车安全，针对路面空洞问题的检测方法有很多，包括外观评定法、弯沉检测法、探地雷达法等，经对比得知与其他技术相比探地雷达法检测速度更快、检测数据更精准，因此，可采用探地雷达法检测路面空洞问题[3]。

（2）探地雷达法检测公路路面空洞病害主要是利用脱空区域对电磁脉冲波反射存在影响的原理，开展检测时先向路面结构层中发射电磁脉冲波，当脉冲波传递至空洞区域后，若空洞区域保存完好且未被积水充盈，则此区域呈现高电阻率的特性，若空洞区域积水充盈，则此区域呈现低电阻率的特性，无论何种现象均会使脉冲波发生强反射的状态，同时经反射后的波形特征也会发生一定变化，因此，对经反射后的信号进行分析，如路面某区域存在强反射且波形存在变化现象，则该区域存在空洞问题。

2.2.2.2 松散检测

路面混合料压实度不足、或遭受积水侵蚀使混合料之间孔隙率增加，会导致路面松散病害的发生，此类病害的出现会降低路面的承载力和强度，如不能及时处理可能会造成更严重的病害问题，针对此问题可采取地质雷达技术进行检测，由于混合料发生松散病害后，混合料之间的孔隙率会增加，混合料密度差异存在变化，当电磁脉冲波遭遇松散区域的混合料后，会产生明显的反射，且经反射后的脉冲波具有反射波多、规模小、不连续、能量变化大的特性，因此，在路面检测中如反射波存在上述特性，则该区域存在松散病害。

2.2.2.3 沉陷病害检测

路面沉陷也是常见的路面病害之一，沉陷病害的出现不仅会影响到公路的正常运营，甚至还可能威胁到人们的行车安全，之所以路面会发生沉陷问题，可能因为在公路施工中未能明确公路的地质结构，其下方存在暗沟、溶洞等，在长期荷载作用下导致路面沉陷，其次公路施工中因施工质量不满足规范要求，经长期车辆荷载而发生沉陷；最后路面其他病害引发沉陷问题的发生，针对路面沉陷病害不仅会发生于路面表层，还可能发生于路面下方。因此，针对路面下的沉陷可采用地质雷达技术进行检测，若其下方存在沉陷问题，则经反射后的脉冲波，其波形会存在明显的凹陷[4]。

2.2.3 路面指标评价

（1）在路面检测过程中，除了对路面厚度及病害的检测，检测单位还可以利用探地雷达技术检测路面的性能，并根据性能评价来判定公路当前是否需要制定养护方案等，其中探地雷达技术可有效地确定路面结构中的含水率，在路面结构中，其混合料的介电常数在4～20，而水的介电常数为81，如路面中的含水率过大，则混合料的介电常数会发生变化，其电磁脉冲波的传播速度就不同。因此，根据其传播速度，进而计算出混合料的介电常数，然后依据含水率与介电常数的变化关系可计算得出路面的含水率。

（2）据研究表明路面的压实度与混合料之间的孔隙率存在负相关的联系，即路面的孔隙率越大，其压实度就越小，路面的孔隙率越小，其压实度就越大，而孔隙率主要是指路面沥青混合料取出矿料、沥青等材料后孔隙体积和混合料总体积的百分比，路面的孔隙率不同，探地雷达检测时电磁脉冲波的传播速度就不同，因此，检测人员可通过对路面电磁脉冲波传递速度进行分析，从而判断路面的孔隙率，最后对其压实度作出评价。

2.3 探地雷达技术的应用要点

2.3.2 测线布设

（1）本工程探地雷达路面检测前，先要合理地选择测线（测线是指选择检测的天线频率），以便于快速确定公路的使用状态及性能，在布设测线时可采取探地雷达剖面法选取测线，经选择的测线应符合工程的实际情况，所谓的探地雷达剖面法是将探地雷达的发射天线与接收天线保持固定距离，并将其延检测方向移动，然后利用计算机绘图功能记录组成的探地雷达剖面图，最后选择满足检测要求的测线[5]。

（2）根据上述方法本次检测共选取3 种频率的天线组合开展检测工作，其频率分别为100MHz、200MHz以及400MHz，每种测线对应的辐射时间及距离均不相同，其中100MHz 对应的辐射时间为10ns，辐射距离为1.0m，200MHz 对应的辐射时间为5ns，辐射距离为10.5m，400MHz 对应的辐射时间为2.5ns，辐射距离为0.25m，此外，在普查时可采用100MHz 的天线，详查时可采用200MHz或400MHz的天线。

2.3.1 测线定位

在公路探地雷达检测过程中，通过其检测技术可获取公路现场的雷达图像，然后将其按照1∶1 的比例还原至实际公路上，为有效地保证通过探测可以获得该区域的雷达图像，需要对测试的天线进行精确定位，目前常用的定位方法有2 种，其一为全站仪测量定位法，通过测量每条测线的起点与终点，明确测线的检测位置；其二是采用全球定位系统，即GPS 进行测量，通过GPS 明确天线通过的每一点的坐标，最终获取精确的检测位置，但由于本工程位于城市内，存在的高层建筑物、遮挡较多，采用GPS 定位时信号弱，其定位效果一般，因此，本次测量定位时选择全站仪定位法[6]。

2.3.3 天线中心频率

确定探地雷达检测的精确位置后开展检测工作，在探地雷达检测中天线的中心频率对检测结果具有决定性的作用，为实现对公路质量的全方位评价，本次检测过程中每个检测区域均采用不同频率的天线进行多次检测，然后通过对检测数据详细对比和分析，最终确定公路的质量状况，在设置不同频率天线的组合方式时，应在满足探测深度的前提下，选择分辨率最高的天线，如在路面空洞病害检测时，检测人员针对地表5～7m 深度检测时，可采取频率为100MHz 的天线，针对地表3m 深度检测时，可采取频率为200MHz的天线。

2.3.4 测试速率

路面探地雷达检测过程中，天线具有一定的移动速度，其移动速度越快检测效率越高，移动速度越慢检测效率越低，但当天线的移动速度过快时，就容易导致雷达信号丧失，从而影响检测结果，因此，为保证路面检测的精准性，本次检测过程中要合理确定天线的移动速度，根据计算结果表明，当天线中心频率为100MHz，且目标体尺寸为1m×1m 时，天线的发射电磁脉冲波宽度为10ns，扫描采样数为512。因此，当需要的扫描采样数据一致，天线的移动速度与扫描大小成正比，即扫描大小越大，则天线移动速度越慢，根据工程实际情况，本次探地雷达检测时100MHz 的天线最大移动速度应控制在10km/h[7]。

2.4 探地雷达检测结果

为确保本工程探地雷达技术对公路质量检测的精准性，检测单位除探地雷达检测技术外，同时还利用钻芯取样法对路面的厚度、病害程度及性能进行评价，然后通过2组结果的对比，明确探地雷达检测技术的精准性，在钻芯取样检测时，共采取有3组样本，各样本在实验室进行检测分析，其试验对比结果如表1：

由表1结果可得，公路路面探地雷达检测厚度与芯样检测厚度最大差值为0.3cm，探地雷达检测病害程度为与芯样的病害程度一致，探地雷达检测的路面压实度与芯样的路面压实度最大差值为2%，因此经过本次对比分析可以得知，采取探地雷达技术可有效地判断公路的实际情况，其检测效果良好。

表1 检测结果对比

3 结语

总而言之，我国地域辽阔，公路分布广泛，且线路普遍偏长，为有效地避免公路病害问题的发生，公路管理单位有必要采取探地雷达检测技术对路面的性能、病害等问题进行研究，然后依据检测的相关数据掌握公路现阶段的病害情况，找出病害发生的原因，最后制定详细、有效的处理方案，以确保公路的使用安全，这对提升公路使用年限，促进国内公路行业的健康发展具有重要的意义。