探地雷達(dá)法在公路隱性病害檢測(cè)中的應(yīng)用

陳裕權(quán)

（廣州誠(chéng)安路橋檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510420）

近年來(lái)，隨著道路交通事故的頻發(fā)，使得人們提高了對(duì)公路養(yǎng)護(hù)的重視程度。尤其是一些運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)的公路，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，其路面不僅出現(xiàn)了多種病害，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在很多隱性病害，已無(wú)法滿足人們安全行車的要求。但由于公路病害具有較高隱蔽性的特點(diǎn)，如：內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、裂縫，地基比較軟，這些病害相對(duì)比較隱蔽，采用傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)很難檢測(cè)出其結(jié)構(gòu)內(nèi)部所存在的隱性病害，且容易給路面帶來(lái)極大的破壞性，檢測(cè)結(jié)果存在較大誤差，檢測(cè)分辨率低，很難將公路結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱性病害反映出來(lái)，只能任由隱性病害不斷發(fā)展，這也給公路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。為了能夠有效提升道路交通安全，降低公路交通事故發(fā)生率，亟需一種操作簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)度高、效率高、對(duì)公路不存在破壞性的檢測(cè)技術(shù)。為此，探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其因操作方便、檢測(cè)精度高、效率高、實(shí)時(shí)成像，不會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生破壞而在公路檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)將其應(yīng)用到公路日常檢測(cè)中，能夠有效檢測(cè)出公路結(jié)構(gòu)中所存在的隱性病害，使公路管理維護(hù)人員能夠及時(shí)修復(fù)公路病害，確保公路安全運(yùn)營(yíng)。

1 探地雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

探地雷達(dá)法作為眾多無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，其主要由主機(jī)、收發(fā)機(jī)、收發(fā)天線所組成，且分為兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是主控系統(tǒng)，另外一個(gè)是收發(fā)系統(tǒng)。主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集信號(hào)、信息儲(chǔ)存；收發(fā)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)發(fā)射電磁波、A/D轉(zhuǎn)化、接收電磁波等工作，具體見(jiàn)圖1所示：

圖1 探地雷達(dá)法系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 工作原理

探地雷達(dá)是一種利用高頻電磁波信號(hào)在界面上的反射來(lái)檢測(cè)公路結(jié)構(gòu)隱性病害的方法。其在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)發(fā)送一系列控制命令。發(fā)射機(jī)根據(jù)命令向地下發(fā)射電磁波，接收機(jī)則根據(jù)命令對(duì)地下介質(zhì)界面反射波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后，接收的反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被顯示和保存。由于發(fā)射天線和接收天線緊靠地面，發(fā)射機(jī)發(fā)射出來(lái)的短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地，電磁波在地下傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到介質(zhì)的分界面后便會(huì)被反射或折射回來(lái)，而被反射回地面并被接收到的電磁波便是回波。工作人員可以根據(jù)回波訊號(hào)、傳播時(shí)間以及實(shí)時(shí)圖像來(lái)推斷地下介質(zhì)分布、病害情況，從而判斷出公路內(nèi)部存在哪些隱性病害。

2 公路隱性病害識(shí)別

2.1 底部土質(zhì)松散

公路結(jié)構(gòu)內(nèi)土質(zhì)松散一般是由于公路在施工過(guò)程中，因?yàn)槭┕げ牧蠜](méi)有壓實(shí)，或是材料之間不黏結(jié)，使得土體中存在很多空隙。長(zhǎng)期受行駛車輛荷載和降雨的影響，公路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)便會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定、承載力下降的現(xiàn)象。通過(guò)探地雷達(dá)法檢測(cè)圖像可以看出公路結(jié)構(gòu)不同程度土質(zhì)松散病害的分布，如：施工材料沒(méi)有壓實(shí)或土體不黏結(jié)的部位，電磁波傳播速度快，頻率增強(qiáng)，波長(zhǎng)變短，介電常數(shù)小，圖像中會(huì)出現(xiàn)很多不密實(shí)的黑白點(diǎn)，說(shuō)明其松散程度較為嚴(yán)重；而經(jīng)過(guò)壓實(shí)的部位，其頻率變小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，圖像中黑白點(diǎn)相對(duì)比較少，振幅介電常數(shù)也比較高，如圖2~圖3所示：

圖2 探地雷達(dá)法工作原理圖

圖3 公路底部土質(zhì)松散病害數(shù)據(jù)圖

2.2 內(nèi)部裂縫較多

高速公路的路面出現(xiàn)沉降、開(kāi)裂等情況，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層隱藏裂縫所致。一般裂縫會(huì)分為很多種，有水平裂縫、傾斜裂縫，還有垂直裂縫，但結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)的裂縫大多是垂直裂縫居多。通過(guò)雷地探測(cè)單一結(jié)構(gòu)層中垂直波時(shí)，能夠看到垂直裂縫其頂部和底部的兩條粗線的雷達(dá)波比較明顯，斷面的線段則會(huì)出現(xiàn)很多小段，且小段后面都會(huì)有一個(gè)小點(diǎn)，并逐漸形成一條曲線波（見(jiàn)圖4所示）；對(duì)多層結(jié)構(gòu)層垂直裂縫進(jìn)行檢測(cè)，可以看到這些結(jié)構(gòu)層的表面出現(xiàn)開(kāi)裂，則能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層所存在的裂縫，并透過(guò)檢測(cè)圖像，能清楚確定垂直裂縫不同位置裂縫的深度。但若其表面沒(méi)有裂縫，底層或基層卻早已開(kāi)裂，如若不及時(shí)檢測(cè)，則難以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層中的隱藏的裂縫。為此，通過(guò)探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部底層所存在的裂縫，以便能夠及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，避免其不斷發(fā)展。

圖4 垂直裂縫波形成圖

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)脫空

公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在脫空或空洞隱性病害時(shí)，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)部面層、基層或底層之間的材料部黏結(jié)，在長(zhǎng)期受到車輛來(lái)回荷載影響下，容易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)層與層之間離析，從而出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。此時(shí)，如果還得不到及時(shí)修復(fù)，任由其不斷發(fā)展，久而久之，這些脫空的結(jié)構(gòu)層的土體便會(huì)慢慢變得松散，在行車和降雨的作用下，結(jié)構(gòu)層內(nèi)松散的材料會(huì)隨著雨水流失，從而逐漸形成空洞。為此，通過(guò)對(duì)公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆心取樣對(duì)比時(shí)，能夠準(zhǔn)確掌握存在脫空或空洞病害的具體位置與病害深度，并透過(guò)檢測(cè)圖像可以清楚看到不存在病害的結(jié)構(gòu)層，其電磁波頻率小；而存在脫空或空洞的結(jié)構(gòu)層，其電磁波頻率一般在17 000~18 000 Mv之間，且圖像中能夠清楚看到存在脫空或空洞部位的結(jié)構(gòu)層周邊存在明顯的橫直條紋，由此可以確定該部位存在脫空或空洞病害，如圖5所示：

圖5 脫空/空洞病害結(jié)構(gòu)層的雷達(dá)圖像

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

文章以某高速公路為例，主線全長(zhǎng)13.88 km，該段高速路設(shè)計(jì)車速80~120 km/h，設(shè)計(jì)車流量6萬(wàn)次/日，雙向六車道，至今已運(yùn)行了二十多年。在此運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)，由于每日行駛車流量多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，高峰時(shí)每日車流量高達(dá)10萬(wàn)次/日，且大多都是重載車輛，使得該高速公路一直處于超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。久而久之，K0+420m-K2+850m多個(gè)主車道路面存在不同程度的受損現(xiàn)象，K1+300m-K2+600m路段的路面還存在嚴(yán)重的龜裂、坑槽、沉陷情況（見(jiàn)圖6所示），還要個(gè)別合同段路肩出現(xiàn)下沉，已嚴(yán)重影響到高速公路的行車安全。由此可見(jiàn)，該路段結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在嚴(yán)重的松散、裂縫等隱性病害，亟需對(duì)該高速公路進(jìn)行病害檢測(cè)，以提高公路路面承載能力，確保公路安全運(yùn)營(yíng)。

圖6 某高速公路路面病害圖

3.2 探地雷達(dá)隱性病害檢測(cè)

針對(duì)該高速公路相關(guān)路段所存在的病害，如若采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，不僅檢測(cè)范圍小，檢測(cè)效率低，同時(shí)，還會(huì)對(duì)路面造成二次傷害。尤其是一些表層完好路面，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)很難檢測(cè)出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)層所存在的隱性病害。為了能全面查清K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段內(nèi)部結(jié)構(gòu)所存在的隱性病害，故采用探地雷無(wú)損檢測(cè)對(duì)這些路段路面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)分析。

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置?？紤]到K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m這些路段車流量比較多，為了保障檢測(cè)人員人身安全，故選擇在K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段左右輪跡帶進(jìn)行測(cè)線布置，以便能夠準(zhǔn)確定位出隱性病害的具體位置。（2）檢測(cè)設(shè)備。本次采用脈沖探地雷達(dá)進(jìn)行病害檢測(cè)。該雷達(dá)具有檢測(cè)范圍廣、精準(zhǔn)度高、使用簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集速度快、質(zhì)量高、性價(jià)比高等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到該高速公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱性病害檢測(cè)中，能夠滿足其檢測(cè)要求。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600 m路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖取芯，并根據(jù)雷達(dá)圖像所顯示的病害區(qū)域公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)圖7所示：

圖7 公路內(nèi)部病害圖

根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可以看出，K0+420m-K2+850m路段主車道圖像顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)存在土質(zhì)松散，不密實(shí)的病害時(shí)，其雷達(dá)波會(huì)出現(xiàn)上部輕下部重的雜亂波線；而K1+300m-K2+600m路段主車道結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體含水量相對(duì)比較高，且局部存在脫空現(xiàn)象，此時(shí)雷達(dá)圖像上的同相軸會(huì)出現(xiàn)連續(xù)、平滑波形，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層間脫空。而該高速公路的K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段結(jié)構(gòu)內(nèi)之所以存在土質(zhì)松散、不密實(shí)、含水量高、脫節(jié)空洞等隱性病害，主要還是因?yàn)樵撀范卧谑┕r(shí)因?yàn)闆](méi)有壓實(shí)，使得土體內(nèi)部存在空隙。加上該路段每日行車量比較大，久而久之，在行車的作用下該段路面便會(huì)出現(xiàn)裂縫或沉降病害；若不及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，在遇到雨季時(shí)，雨水會(huì)順著裂縫滲入表層內(nèi)，若不及時(shí)將雨水排出，雨水便會(huì)慢慢滲入結(jié)構(gòu)底層，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體含水量高、松散等隱性病害，嚴(yán)重的還會(huì)造成土體結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)脫節(jié)、空洞等病害，嚴(yán)重降低公路承載力。

4 總結(jié)

根據(jù)對(duì)某高速公路雷達(dá)檢測(cè)實(shí)踐可以看出，作為創(chuàng)新技術(shù)的雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)法，其具有使用方便、高精準(zhǔn)度、高效率、無(wú)損壞、檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到高速公路隱性檢測(cè)中，能夠檢測(cè)出公路在運(yùn)營(yíng)期間所存在的病害具體位置、類型、大小以及原因，為高速公路管理養(yǎng)護(hù)單位提供解決病害的依據(jù)。