探地雷達在高速公路路基病害監(jiān)測中的應(yīng)用研究

裴海燕

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

近年來，我國高速公路快速發(fā)展，截止2021年6月，中國高速公路里程達到了16.1 萬公里，道路里程長度躍居世界第一。受施工質(zhì)量、運營期荷載、建成運營時間等影響，各種公路路基病害也日益凸顯，嚴重影響道路的行車舒適度和公路服役能力。在各種路基病害中，路基松散與壓實度不足、局部脫空與空洞、路基土軟弱及含水量偏高、路基破損及塌陷等病害成為出現(xiàn)最多的病害現(xiàn)象[1-2]。由于路基病害的隱蔽性及特殊性，因此準確的探測和評估路基病害對公路養(yǎng)護和行車安全有重要意義。

探地雷達作為一種無損探測技術(shù)，因其準確、效率高被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、礦業(yè)、公路等檢測工作中。因傳統(tǒng)的探測方法已經(jīng)不能滿足當前社會發(fā)展的需求，本文從探地雷達檢測路基病害的基本原理、典型病害數(shù)據(jù)處理及圖像解譯三個方面進行研究，為后續(xù)進行此項工作提供一種快速處理的經(jīng)驗。

1 探地雷達檢測路基病害的基本原理

探地雷達是借助高頻率無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的探測技術(shù)，當?shù)叵履繕梭w的介質(zhì)存在差異時，電磁波就會發(fā)生界面反射。在對反射電磁波進行處理和解譯的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的波形、強度、雙程走時等參數(shù)來推斷地下目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)及幾何形狀，進而對地下隱蔽目標進行探測。不同介質(zhì)介電場所不同，導電不同，當電磁波經(jīng)過不同的地層界面、不同電性質(zhì)的目標體時候，其傳播路徑發(fā)生折射或反射，電磁場的強度發(fā)生增強或減弱，并被探地雷達接收天線接收，進而依賴圖形推測異常目標體的分布和深度，其工作原理如圖1所示，公式（1）理論基礎(chǔ)為反射系數(shù)R，反射系數(shù)η的大小與相鄰兩介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε[3-4]。

圖1 探地雷達工作原理

如高速公路路基工程具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，由上到下可以劃分為為面層、基層和墊層，各層之間的地球物理特性差異明顯，其中面層為瀝青鋪蓋時，其介電常數(shù)ζ=3～6，電磁波速度v=0.12 ～0.17 m/ns，面層為混凝土澆筑時，其介電常數(shù)ζ=5～13，電磁波速度v=0.10 ～0.15 m/ns；基層一般為干土或干砂，其其介電常數(shù)ζ=10～15，電磁波速度v=0.13 ～0.18 m/ns；墊層一般為含水土或含水砂，其介電常數(shù)ζ=6～45，電磁波速度v=0.06 ～0.17 m/ns；對于異常體如空洞（空氣）的介電常數(shù)ζ=1，電磁波速度v=0.30 m/ns，地下水的介電常數(shù)ζ=81，電磁波速度v=0.03 m/ns[5]。

2 探地雷達數(shù)據(jù)處理

在實際工程檢測中，探地雷達受地下其它影響會產(chǎn)生雜波和噪聲干擾，致使雷達波傳播頻譜復雜，相應(yīng)地探地雷達數(shù)據(jù)處理過程也變得雜亂，為了得到真實有效的信息，如何將信息與干擾波區(qū)分開成為數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。因此，需要對探地雷達數(shù)據(jù)進行深度解析，通過預(yù)處理、加檢監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、瞬時振幅濾波的方式使其抑制噪聲，提高信噪比，從而有效地提高雷達圖像的分辨率，以獲取探測目標的相關(guān)信息。

2.1 數(shù)據(jù)輸入時預(yù)處理

探底雷達檢測數(shù)據(jù)輸入時，應(yīng)確保所有數(shù)據(jù)定位結(jié)合點和地面表征物在同一文件中，而后對雷達數(shù)據(jù)進行去直流漂移、時間零點校正濾波、切除濾波、帶通濾波和水平濾波處理。

2.2 加密檢測數(shù)據(jù)處理

由于探測目標的真實位置和形態(tài)無法獲取，可以對異常體目標采用加密檢測，依據(jù)不同檢測位置電磁波的反射時程來確定不良地質(zhì)體的形狀。

2.3 瞬時振幅濾波

瞬時振幅濾波用于突顯反射物邊界整個反射體的振幅變化，能夠看到探測目標的邊界和整個斷面變化，比較適合探測區(qū)域與鄰近區(qū)域振幅較大。

3 探地雷達圖像解譯與分析

探地雷達圖像所反映的是地下物質(zhì)的介質(zhì)電性分布，圖像判譯是將電性分布轉(zhuǎn)換地質(zhì)解讀，為此需要把地質(zhì)體形態(tài)、圖像特征、鉆孔數(shù)據(jù)都有機結(jié)合起來。主要流程是：將檢測雷達數(shù)據(jù)依據(jù)專用軟件處理過后，得到雷達圖像的相位、振幅、電磁波波形，根據(jù)反射波特征，最終進行雷達圖像的解譯。

圖像解譯首先去識別標記反射波，而后進行地質(zhì)識別，從圖像剖面上識別異常，歸納、總結(jié)不良地質(zhì)體的特征，將雷達圖像解讀轉(zhuǎn)換為地質(zhì)體解釋。一般圖像解譯有三個方面：

一是反射波的振幅與方向。反射振幅的大小由探測目標界面兩邊介質(zhì)的性質(zhì)所決定，性質(zhì)差異越大，所表現(xiàn)反射波越強；反射波從介電常數(shù)較小介質(zhì)傳播進入較大的介質(zhì)時，發(fā)生一定的衰減后，反射系數(shù)為負值。相反反射波從介電常數(shù)較大介質(zhì)傳播進入較小的介質(zhì)時，發(fā)生一定的衰減后，反射系數(shù)為正值。例如：從空氣傳入土層、瀝青層、混凝土層反射振幅反向，折射波不反向，如果在下面存在空洞或者水體，空洞的反射與表面反射正好相反，水體的反射也會發(fā)生反方向傳播，但與表面的反射波同方向，反射振幅較大。當波速為0時，反射波的振幅與傳播方向發(fā)生改變，這也是雷達波判別最重要依據(jù)之一。

二是反射波的頻譜。每個探測區(qū)域都存在較多不同物質(zhì)，每種物質(zhì)構(gòu)成不同，而不同介質(zhì)有著不同的屬性特征，內(nèi)部反射波的高低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)的依據(jù)。例如：節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，其中內(nèi)部反射和散射較多，在相應(yīng)位置表現(xiàn)為高頻率反射，在破碎帶附近的散射和吸收作用較強，從更遠的位置反射回來后，衰減波能量變?nèi)酰盘柼卣髌骄彙?/p>

三是反射波同相軸形態(tài)特征。探地雷達數(shù)據(jù)記錄信號，在同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，根據(jù)同相軸的時間、形態(tài)、強弱和方向正反特征，解譯地質(zhì)，獲取探測目標信息。

4 路基病害特征及探地雷達圖像響應(yīng)

利用探地雷達對各種路基病害進行檢測，最為重要的工作是認識不同路基病害在探地雷達圖像上的響應(yīng)。因路基病害介質(zhì)的介電性不同，電磁波的傳播規(guī)律也就不一樣。各自有相互區(qū)別的獨特特征，綜合這些電磁波信號響應(yīng)，進而可以判定病害類型以及病害產(chǎn)生的位置和范圍。

對于完整和連續(xù)的無病害路基而言，各層地基土之間壓實度好，土質(zhì)均勻，物理力學性質(zhì)過渡連續(xù)，土層內(nèi)的介電常數(shù)無明顯差異，因此表現(xiàn)在探地雷達圖像上為電磁波在土層內(nèi)傳播速度均衡、振幅大小一致且衰減緩慢、相位連續(xù)且明顯、電磁波速度讀取容易。其典型的圖像響應(yīng)特征如圖2所示。

圖2 無病害路基探地雷達圖像響應(yīng)特征

對于存在空洞的路基土而言，當空洞內(nèi)無充填水時，由于空氣的介電常數(shù)小于周圍土體介質(zhì)的介電常數(shù)，因此，電磁波遇到空洞內(nèi)空氣與土體的界面時，呈現(xiàn)強烈的電磁波反射，波形和相位與入射波一致，但反射波后存在較弱的多次反射，如圖3所示。路基土存在空洞時，其探地雷達的響應(yīng)特征為開口朝下的雙曲線，電磁波場強在空洞頂部最強，隨著與空洞距離的增加，電磁波場強振幅逐漸變?nèi)酢?/p>

圖3 空洞病害路基探地雷達圖像響應(yīng)特征

對于由于壓實度不足導致路基松軟的病害而言，在施工階段和運營初期，路基尚有一定的工作性能，而隨著運營時間的增長，路基在荷載作用下土體顆粒逐漸被壓密，容易產(chǎn)生路基變形、沉降和塌陷等病害，由于壓實度不足區(qū)域的含水率較高且存在孔隙率較大現(xiàn)象，因此其介電常數(shù)與壓實度正常的路基土存在明顯差異。電磁波在遇到壓實度不足區(qū)域的路基土時，在空隙內(nèi)發(fā)生反復折射和反射，并發(fā)生一定程度的衍射，導致電磁波在介電常數(shù)相差較大的空隙和土體中反復傳播，使得電磁波圖像波形混亂、同相軸錯動，底部出現(xiàn)二次反射現(xiàn)象，典型的探地雷達響應(yīng)特征如圖4所示。

圖4 不密實病害路基地質(zhì)雷達圖像響應(yīng)特征

路基土的含水率大使得地基土在運營荷載作用下出現(xiàn)變形，強度降低，路基土的承載力減小，導致路面變形量增大。由于水體的介電常數(shù)為81，電磁波速度v=0.03 m/ns，相對周圍路基土介質(zhì)而言，其介電常數(shù)最大，電磁波速度最低，因此，電磁波在遇到含水豐富的分布帶時，會出現(xiàn)明顯的強反射，電磁波受到水體的濾波作用，高頻信息被削減，保留的低頻信息能量也衰減迅速，并出現(xiàn)明顯的多次反射，且多次反射的相位相反，典型的地質(zhì)雷達響應(yīng)特征如圖5所示。

圖5 富水病害路基地質(zhì)雷達圖像響應(yīng)特征

5 結(jié)論

綜上所述，得出以下幾個結(jié)論：

5.1 通過采用探地雷達對不同類型路基病害進行識別解譯分析，可以發(fā)現(xiàn)，在不進行路面破壞的前提下能夠較好地反應(yīng)不同類型的路基病害的位置與大小。

5.2 通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、加密檢測數(shù)據(jù)處理、瞬時振幅增加性噪比等方式，可以清楚的辨識目標題的邊界。

5.3 探底雷達數(shù)據(jù)的處理是影響最終成像質(zhì)量的關(guān)鍵，通過試驗?zāi)繕说尿炞C，我們得到了路基典型病害中的空洞、裂縫等圖像。