探地雷達(dá)在混凝土路面檢測中的應(yīng)用

黃 蓉

1 工程背景

貴陽市東北繞城公路為高等級一級公路，左右幅路基寬度共22.5m，該路線采用普通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)形式，路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)為:25 cm厚水泥混凝土面層、20 cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層、20 cm厚填隙碎石底基層。于 1998年建成通車。2007年 3月，為了在混凝土路面加鋪改造前確定原有混凝土路面的實(shí)際厚度，并判斷該混凝土路面下存在的脫空、欠密實(shí)、充水等病害的程度及區(qū)域，養(yǎng)護(hù)單位邀請檢測單位采用探地雷達(dá)對 6 km長的試驗(yàn)路段進(jìn)行快速檢測。試驗(yàn)路段樁號為 K 3+000～K9+000。通過雷達(dá)快速檢測的結(jié)果對各種不同情況的水泥混凝土路面給出不同的處理方案。表 1為部分雷達(dá)掃描成果表。

2 雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)(亦稱地質(zhì)雷達(dá))是近年來廣泛應(yīng)用于工程檢測方面的一種物探儀器。它相對于其他物探儀器具有精度高、影像直觀、檢測效率高、現(xiàn)場工作靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，在淺層、超淺層工程檢測中廣為應(yīng)用。工作過程中，由雷達(dá)信號發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的電磁波，通過雷達(dá)主控制器對信號脈沖寬度、相位、衰減度、指數(shù)增益等一系列技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧調(diào)頻，并進(jìn)行信號樣點(diǎn)數(shù)字化、信號迭加處理，然后由主控器通過信號高保真電纜和屏蔽天線將信號以 60°的方向角向混凝土內(nèi)發(fā)射，電磁波遇到有電性差異的層面后即發(fā)生反射，被天線再次接收，并原路返回到雷達(dá)的信號接收處理器內(nèi)，經(jīng)簡單處理后的雷達(dá)信號分兩路傳送:一路直接傳送給雷達(dá)顯示器，通過“四色原理”將雷達(dá)信號以彩色形式直接顯示在視頻顯示器上，其顯示速度與天線運(yùn)行速度保持同步;另一路進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，內(nèi)存將所有技術(shù)參數(shù)連同雷達(dá)信號資料進(jìn)行保存，以便進(jìn)行回放和更深一步的處理。所有雷達(dá)的專業(yè)處理、反演解釋軟件均可安裝在通用計(jì)算機(jī)上來完成，雷達(dá)主控器、內(nèi)存可直接與通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將雷達(dá)數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行更高級的處理和解釋。本次檢測使用的地質(zhì)雷達(dá)為美國GSSI地球物理公司研制生產(chǎn)的SIR-20型高速地質(zhì)雷達(dá)儀，選用天線為 900MHz天線。數(shù)據(jù)處理和反演解釋使用儀器生產(chǎn)廠家與美國加州大學(xué)聯(lián)合研制的RADAN6.0版雷達(dá)處理軟件。

2.1 雷達(dá)檢測混凝土厚度的原理

表1 部分雷達(dá)掃描成果

2.2 雷達(dá)檢測混凝土缺陷的原理

根據(jù)電磁波理論，當(dāng)電磁波穿過層狀介質(zhì)時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同將產(chǎn)生折射和反射(見圖 1)。

電磁波在介質(zhì)介面的折射和反射特征由折射系數(shù) T和反射系數(shù)R表示，由于混凝土為非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射(即入射角 θ=0)時(shí)，可有下式:

其中，ε上，ε下分別為上、下層介質(zhì)的介電常數(shù)。

由此可知:1)對于非磁性介質(zhì)，電磁波的反射特性與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，根據(jù)反射系數(shù)R及電磁波在介質(zhì)頂?shù)酌嬷g的反射時(shí)間差，就可以求出介質(zhì)層的厚度，以此類推可求出電磁波穿過的每一層介質(zhì)的層厚。2)若水泥面板和基層相接觸，由于一般混凝土的介電常數(shù)為 6～9，基層的介電常數(shù)為 6～15，則反射系數(shù)R為 +0.101～-0.225。3)若水泥面板和基層間存在脫空時(shí)，則水泥面板底會(huì)與脫空層相接觸:a.當(dāng)脫空層充水時(shí)，由于水的介電常數(shù)為 81，則有反射系數(shù) R為 -0.5～-0.572;b.當(dāng)脫空層為空氣時(shí)，由于空氣的介電常數(shù)為 1，則有反射系數(shù) R為 +0.5～+0.420。

現(xiàn)場檢測時(shí)，探地雷達(dá)每發(fā)射 1次脈沖，就接收到 1串反射訊號，稱為時(shí)間系列或掃描記錄。隨著天線在路面前進(jìn)方向平行移動(dòng)，得到無數(shù)掃描記錄(大約 100掃/m)，最終合成完整的地下透視圖像。通過在測試小推車上配設(shè)測距輪，就可以精確地得知探地雷達(dá)測試信號結(jié)果所對應(yīng)的路面坐標(biāo)信息。

3 應(yīng)用成果

1)利用探地雷達(dá)分析軟件自動(dòng)追蹤解釋構(gòu)造剖面，并進(jìn)行鉆孔結(jié)果驗(yàn)證:混凝土路面厚度為 29 cm，水泥穩(wěn)定碎石基層及填隙碎石底基層厚各約 20 cm，水泥穩(wěn)定碎石基層已產(chǎn)生破壞，取不出完整芯樣。鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與雷達(dá)資料解釋基本吻合。

2)對路面基層、底基層損毀病害路段進(jìn)行探地雷達(dá)檢測，結(jié)果顯示:該段落混凝土路面厚度約 25 cm，深度 30 cm～60 cm范圍基層、底基層損毀。后鉆孔驗(yàn)證發(fā)現(xiàn):混凝土路面厚度為24.9 cm;設(shè)計(jì)為 20 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石基層取不出完整芯樣;鉆芯完成 2 d后觀察，60 cm鉆孔深度中，地下水已上升到高度為30 cm處。

3)利用探地雷達(dá)檢測對混凝土面板下脫空的路段進(jìn)行探地雷達(dá)檢測，結(jié)果顯示:該段落混凝土面板厚度約 20 cm，面板與基層間存在脫空層，深度30 cm～50 cm范圍基層、底基層損毀。后鉆孔驗(yàn)證發(fā)現(xiàn):混凝土路面厚度為 19 cm;設(shè)計(jì)為 20 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石基層取不出完整芯樣;鉆芯完成 2 d后觀察，60 cm鉆孔深度中，地下水已上升到混凝土面板底部。

4 檢測效率

本次所檢測的 6 km試驗(yàn)路段，單幅布置了 4條縱向測線，相鄰測線間距約 2m，探地雷達(dá)現(xiàn)場檢測左右幅共計(jì)測線長度為48 km，花兩個(gè)工作日;鉆孔驗(yàn)證花兩個(gè)工作日;資料解釋花兩個(gè)工作日;一周內(nèi)就向委托單位提交了檢測成果報(bào)告。

5 結(jié)語

作為一種無損、科學(xué)的檢測辦法，“探地雷達(dá)法”具有下列幾個(gè)方面的優(yōu)勢:

1)檢測速度快;

2)能確定路面混凝土面板及基層、底基層的厚度;

3)能確定脫空板的位置及脫空量的多少;

4)能判斷路面混凝土面板下的地下水狀況;

5)能判斷路面混凝土面板下基層、底基層的損毀位置及程度。

因此，在對混凝土路面進(jìn)行大規(guī)模的養(yǎng)護(hù)、改造前，先進(jìn)行“普查”，及時(shí)掌握混凝土面板下的支撐狀況，從而為“有的放矢”地進(jìn)行路面的養(yǎng)護(hù)、維修提供快速、準(zhǔn)確的依據(jù)，“探地雷達(dá)法”在高速公路建成運(yùn)營后的養(yǎng)護(hù)過程中，必將得到日益廣泛的運(yùn)用。

[1] JTJ 059-95，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].

[2] JTG D 40-2002，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 曾凡奇，王復(fù)明，王曉冉，等.公路工程現(xiàn)場檢測新技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2009.

[4] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994.