雷達(dá)法檢測瀝青路面厚度影響因素分析

□文 /鄒寶剛

路面厚度是公路工程檢查的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因短脈沖雷達(dá)對路面面層厚度檢測具有效率高、采樣點(diǎn)數(shù)多、綜合評定客觀等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛使用。但短脈沖雷達(dá)的測試原理和特點(diǎn)限制了路面面層厚度檢測的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致測量結(jié)果和實(shí)際值存在誤差。

短脈沖雷達(dá)的瀝青路面厚度檢測分析中，介電常數(shù)通常被認(rèn)為是識別路面面層厚度的重要參數(shù)。劉濤[1]認(rèn)為材料的介電特征是短脈沖雷達(dá)應(yīng)用于瀝青路面檢測的前提。王子彬等[2]在路面面層厚度計算，介電常數(shù)識別準(zhǔn)確性的高低影響路面面層厚度分析準(zhǔn)確的高低。盧超等[3]指出，瀝青混合料的介電常數(shù)隨著其組成部分的變化而變化。材料的介電常數(shù)通常是在單一的結(jié)構(gòu)體系中獲得的比較準(zhǔn)確[4]。所以，對于由不同結(jié)構(gòu)層組成的路面面層厚度，介電常數(shù)的準(zhǔn)確獲得較單一體系復(fù)雜。目前路面材料的介電常數(shù)通常通過芯樣鉆取獲得[2]；如何通過鉆取的有限芯樣獲得較為準(zhǔn)確的路面面層的介電常數(shù)也是影響檢測準(zhǔn)確性的重要因素。鑒于此，本文根據(jù)短脈沖雷達(dá)法檢測瀝青路面厚度的工作原理，通過分析影響路面材料介電常數(shù)（波速）、電磁波在介質(zhì)中的走時的因素，提出了提高路面面層檢測精度的具體措施。

1 短脈沖雷達(dá)檢測路面厚度工作原理

短脈沖雷達(dá)法對路面厚度檢測準(zhǔn)確性的影響因素與其工作原理密切相關(guān)。雷達(dá)檢測路面厚度時通過發(fā)射天線向路面發(fā)射抗干擾能力很強(qiáng)的高頻短脈沖電磁波，電磁波在路面各層位之間發(fā)生反射和透射，天線接收反射回來的電磁波；利用接收到的電磁波時差（介質(zhì)中的走時）以及介質(zhì)中的傳播速度來測定厚度。介電常數(shù)通過鉆芯取樣量測結(jié)合標(biāo)定點(diǎn)處電磁波在路面面層的走時計算取得。

式中：h為標(biāo)定點(diǎn)處路面芯樣面層厚度，m；t為電磁波在標(biāo)定點(diǎn)處路面面層中雙程走時，ns；c為電磁波在空氣中的傳播速度，0.3 m/ns；v為電磁波在瀝青路面面層中的傳播速度，m/ns；εr為瀝青路面面層相對介電常數(shù)。

2 準(zhǔn)確性的影響因素

路面雷達(dá)工作原理決定了路面材料介電常數(shù)（波速）、電磁波在介質(zhì)中的走時是影響路面面層厚度檢測的因素，因此本文著重分析了影響介電常數(shù)和電磁波在介質(zhì)中的走時準(zhǔn)確性的影響因素。

2.1 介電常數(shù)準(zhǔn)確性的影響因素分析

電磁波在不同材料中傳播因其介電常數(shù)不同導(dǎo)致傳播速度不同，見表1。

表1 常見材料的相關(guān)介電常數(shù)

續(xù)表1

1）配合比和材料不同對介電常數(shù)的影響。由表1看出，瀝青的介電常數(shù)為3～5，級料使用的石料（石灰?guī)r、花崗巖）、砂、礦粉的介電常數(shù)為3～9。所以，對于不同種類的瀝青混合料，由于瀝青和各種級料的配合比例不同，原材材質(zhì)不同，孔隙率不同，瀝青混合料介電常數(shù)就不同。

2）層厚、壓實(shí)度、含水率不一致對介電常數(shù)的影響。同一配合比相同材料的瀝青混合料也有多種因素使其介電常數(shù)不同。壓實(shí)度、含水率不同，路面面層結(jié)構(gòu)各層厚度與設(shè)計存在偏差，均對介電常數(shù)有不同程度的影響。施工水平和施工條件一致性越高，介電常數(shù)就越統(tǒng)一，介電常數(shù)取值準(zhǔn)確度高。

因路面面層結(jié)構(gòu)各層配比不同形成介電常數(shù)差異的大小不同，導(dǎo)致路面面層結(jié)構(gòu)各層厚度對路面面層總厚度介電常數(shù)的影響權(quán)重不同，不同層位的介電常數(shù)差異越大，厚度不均的影響也就越大。

壓實(shí)度對瀝青混凝土的介電常數(shù)也有一定的影響。在瀝青混凝土試件中，當(dāng)試件壓實(shí)度提高時，試件空隙中氣體的體積減小，而空氣的介電常數(shù)較瀝青混合料的介電常數(shù)小，所以瀝青混凝土試件的介電常數(shù)增大。王子敬[5]指出瀝青混凝土試件的密度與介電常數(shù)之間存在正向線性關(guān)系。

材料的含水率對瀝青混合料的介電常數(shù)也有很大的影響。Daniels[6]指出干瀝青混凝土介電常數(shù)一般為2～4，而濕瀝青混凝土介電常數(shù)通常為6～12。王子敬[5]也同樣指出在相同電磁波頻率下，瀝青混凝土的介電常數(shù)隨含水率的增大而增大且大致呈線性關(guān)系。在瀝青混凝土中，含水率的不同主要由其與水是否接觸或同等接觸條件下瀝青混凝土的吸水性不同而引起。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青混合料介電常數(shù)故而水的影響很大，所以當(dāng)瀝青混凝土空隙中填充水時，瀝青混合料的介電常數(shù)相應(yīng)增大。

3）標(biāo)定芯樣鉆取和測量對介電常數(shù)的影響。當(dāng)芯樣鉆取位置與標(biāo)定位置不對應(yīng)時，由于芯樣厚度與實(shí)際厚度存在偏差，瀝青混凝土試件的介電常數(shù)與真實(shí)值存在偏差。當(dāng)芯樣鉆取位置準(zhǔn)確，人為量測芯樣不規(guī)范時，由于量測厚度與真實(shí)值存在誤差而造成瀝青混凝土試件的介電常數(shù)存在偏差。所以芯樣鉆取位置與標(biāo)定位置不對應(yīng)，人為量測的不規(guī)范等都會對介電常數(shù)會造成影響。

2.2 對電磁波在介質(zhì)中的走時的影響因素

雷達(dá)分析處理系統(tǒng)導(dǎo)出的汽車行駛距離和雷達(dá)波在介質(zhì)中的走時關(guān)系圖與路面實(shí)際情況的擬合度決定了雷達(dá)波在介質(zhì)中走時的準(zhǔn)確性。這一走時一般采用分析系統(tǒng)自動捕捉分層信息輔以人工手動修正的方式取得。

1）鐵板標(biāo)定文件對電磁波走時準(zhǔn)確性的影響。鐵板標(biāo)定文件是定點(diǎn)晃動雷達(dá)天線掃描鋼板采集相應(yīng)的雷達(dá)圖形文件，它的主要作用是將該文件輸入正式測試的路段文件中消除測試車行駛時雷達(dá)天線晃動對圖形數(shù)據(jù)的影響，避免圖形出現(xiàn)豎直方向上下錯位等問題，進(jìn)而影響電磁波走時采集準(zhǔn)確性。

2）雷達(dá)天線的主頻對電磁波走時準(zhǔn)確性的影響。雷達(dá)天線的主頻越高測試精度越高，測試深度降低，反之亦然。同時也有研究顯示，高頻天線測得的介質(zhì)的介電常數(shù)比低頻天線測得的低[5]，所以主頻不同的天線會導(dǎo)致測試介質(zhì)的介電常數(shù)不同。

3 解決方案

3.1 對介電常數(shù)影響的規(guī)避措施

1）降低配合比和材料不同影響的措施。同一配合比相同材質(zhì)材料的瀝青混合料才具有相同的介電常數(shù)，檢測時對于評定的路段必須為相同的介電常數(shù)才能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以檢測時不同配合比不同材料的段落分開標(biāo)定，采用不同的介電常數(shù)分別計算檢測厚度值。

2）降低層厚、壓實(shí)度、含水率不一致影響的措施。雨后天氣晴朗（結(jié)合具體氣候條件）瀝青混凝土路面充分干燥后，再進(jìn)行雷達(dá)厚度檢測，以規(guī)避因透水性不一致導(dǎo)致的瀝青混合料的含水率差異形成介電常數(shù)的偏差。由于檢測路段各處可能存在的壓實(shí)度、鋪筑層厚的不同，不容易找到明顯的規(guī)律且其段落長短和范圍均難以確定，所以建議采用多選取點(diǎn)位進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，取其平均值作為評定路段的介電常數(shù)采用值，這樣對于整體路段評定較為客觀準(zhǔn)確。因隔日或過幾日再次標(biāo)定路段含水率變化，故雷達(dá)檢測同時必須同時完成鉆芯取樣掃描標(biāo)定；對于同一路段不同次的檢測，不得采用一次標(biāo)定的介電常數(shù)；一次檢測也不得采用不同次的標(biāo)定來取得介電常數(shù)。

3）降低芯樣標(biāo)定不準(zhǔn)確影響的措施。不少于2人進(jìn)行現(xiàn)場取芯，保證標(biāo)定掃描點(diǎn)和鉆芯鉆取位置完全對應(yīng)；量測厚度現(xiàn)場檢測和室內(nèi)檢測人員共同進(jìn)行互相核對，保證量取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 對電磁波在介質(zhì)中的走時影響的規(guī)避措施

1）消除鐵板標(biāo)定文件影響的措施。注意鐵板標(biāo)定文件在不同環(huán)境條件下分別進(jìn)行，有條件應(yīng)每次檢測均進(jìn)行鐵板文件標(biāo)定；鐵板表定時保證雷達(dá)天線的晃動幅度不小于車輛行駛產(chǎn)生的晃動幅度。

2）降低雷達(dá)天線主頻影響的措施。按照不同需求采用相應(yīng)主頻的天線，測試路面厚度＜10 cm，宜選用頻率從2 G的雷達(dá)天線；測試路面厚度為10～15 cm，宜選用頻率＞1.5 G的天線;測試路面厚度＞25 cm，宜選用頻率＞1 G的雷達(dá)天線。選用主頻集中穩(wěn)定，分析系統(tǒng)強(qiáng)大準(zhǔn)確的雷達(dá)測試系統(tǒng)，保證走時采樣準(zhǔn)確性；對同一評定段落采用相同主頻的天線。

4 結(jié)語

1）介電常數(shù)的準(zhǔn)確計算對提高檢測瀝青路面厚度的精度有很大的幫助?？赏ㄟ^對不同配合比不同材料的段落分開標(biāo)定，采用不同的介電常數(shù)分別計算路面面層檢測厚度值；采用增加芯樣鉆取進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，取其平均值作為評定路段的介電常數(shù)采用值，來降低層厚變化對介電常數(shù)計算對厚度檢測的影響。

2）對于電磁波在介質(zhì)中的走時影響的規(guī)避，除了在檢測現(xiàn)場進(jìn)行鐵板標(biāo)定外，還要保證主頻天線的穩(wěn)定。

本文提出的影響短脈沖雷達(dá)法檢測瀝青混凝土路面厚因素以及相應(yīng)的解決措施對于提高瀝青路面厚度檢測精度有很大的幫助。目前，由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料之間介電常數(shù)差異不大，在利用掃描文件進(jìn)行單獨(dú)某一結(jié)構(gòu)層厚度（尤其是表面層）時界面判定困難。因此，希望在以后的研究中可以繼續(xù)對這一問題進(jìn)行深入的研究。