基于高精度探地雷達的瀝青路面厚度無損檢測及動態(tài)調(diào)控研究

鐘日堅

（東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

交通運輸是國民經(jīng)濟中具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè)，也是服務(wù)性行業(yè)和現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的重要組成部分。公路是交通運輸?shù)闹匾d體，截至2021 年底，我國公路總里程528.07 萬公里，公路養(yǎng)護里程525.16萬公里，與之相對應(yīng)的公路檢測工作也日趨繁重[1-3]。

目前，傳統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)厚度檢測和評價方法，主要包括鉆孔取芯外觀評價法和水準測量高程法[4-6]。鉆孔取芯外觀評價方法是基于破壞性的檢測方法，盡管可靠性很高，但存在一定的局限性；水準測量高程方法雖然屬于無損檢測方法，能夠評估道路結(jié)構(gòu)層厚度，但對定位基點要求嚴格，不適用于大面積的厚度檢測[7]。與這些傳統(tǒng)方法相比，探地雷達（GPR）具有快速、連續(xù)、無損和高精度等特點，這些特點使GPR在道路檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。

高精度探地雷達對道路厚度檢測數(shù)據(jù)多用于施工完成后的驗收，在對厚度數(shù)據(jù)的處理、分析等方面仍有一定的不足。因此，文章提出基于厚度代表值和合格值的瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整方法，以獲取道路全斷面厚度數(shù)據(jù)，并進行分析，為瀝青路面厚度均勻性控制提供科學依據(jù)。

1 高精度探地雷達在道路無損檢測中的工作原理

1.1 高精度探地雷達檢測原理

為了滿足路面厚度檢測精度要求，該研究采用毫米級的瑞典MALA ProEx 型高精度探地雷達主機，測試天線頻率范圍為1600MHz 屏蔽天線，采樣頻率為37989MHz。高精度探地雷達檢測技術(shù)是利用探地雷達的發(fā)射天線向道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部發(fā)射超高頻脈沖電磁波，由接收天線接收道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部反射的電磁波并由主機記錄發(fā)射電磁波的運動特征，通過數(shù)據(jù)反演形成道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部全斷面的掃描圖，以此評判道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀態(tài)。電磁波傳播特性與道路結(jié)構(gòu)介電特性相關(guān)，隨著道路結(jié)構(gòu)材料的電性和組構(gòu)的變化，高精度探地雷達的探測路徑、電磁場強度和波形都會發(fā)生變化。高精度探地雷達工作原理如圖1 所示。

1.2 電磁波傳播理論

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性參數(shù)主要有電導(dǎo)率μ、介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率。由于道路是分層鋪筑的，電磁波在道路傳播過程中，各層之間的介電常數(shù)不一致，分界面會產(chǎn)生不同的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播理論基礎(chǔ)源于麥克斯韋電磁波方程組。電磁波傳播理論相關(guān)參數(shù)如下：

1.2.1 電磁脈沖波旅行時間

電磁脈沖波旅行時間如式（1）所示：

式（1）中：z為道路結(jié)構(gòu)層的厚度；x為發(fā)射、接收天線的距離（由于式中z＞x，所以x可以忽略不計）；v為電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。

1.2.2 電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度

電磁波在道路結(jié)構(gòu)層中的傳播速度如式（2）所示：

式（2）中：c為電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；εr為道路結(jié)構(gòu)層的相對介電常數(shù)，μr為道路結(jié)構(gòu)層的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

1.2.3 電磁波的反射系數(shù)

由于道路結(jié)構(gòu)層的材料組構(gòu)存在差異性，電磁波在道路結(jié)構(gòu)層傳播過程中相對介電常數(shù)會發(fā)生明顯變化，電磁波在穿透不同結(jié)構(gòu)層時會產(chǎn)生反射或透射現(xiàn)象，電磁波反射系數(shù)計算如式（3）所示：

式（3）中：r為道路結(jié)構(gòu)層界面電磁波反射系數(shù)；ε1為k1 層道路結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)；ε2為k2 層道路結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)。

1.2.4 探地雷達記錄時間和道路結(jié)構(gòu)層軸向深度的關(guān)系

探地雷達記錄時間和道路結(jié)構(gòu)層軸向深度的關(guān)系如式（4）所示：

式（4）中：z為道路結(jié)構(gòu)層的軸向深度；t為雷達記錄時間。

1.2.5 探地雷達檢測頻率

在道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇較高頻率的發(fā)射天線。有時采用一種頻率進行檢測，由于頻率固定，檢測數(shù)據(jù)無法滿足檢測深度與分辨率最大限度的優(yōu)化，因此需要采用兩種不同的頻率進行檢測。

1.2.6 采樣時窗

采樣時窗是探地雷達接收電磁反射波的時間范圍。采樣時窗的長度主要由介質(zhì)的探測深度和介電常數(shù)決定。可通過式（5）計算采樣時窗：

式（5）中：△T為時窗長度（ns）；d為目標體的厚度或埋深（m）；εr為相對介電常數(shù)；a為調(diào)整系數(shù)，一般取1.5～2。

1.2.7 采樣率與采樣間距

采樣率是記錄相鄰兩次反射波采樣點之間的時間間隔。采樣率越高，單位時間內(nèi)的采樣點數(shù)越多，用單位赫茲（Hz）表示。電磁波一個周期內(nèi)不少于兩個點，可由式（6）確定：

式（6）中：s為采樣率（Hz）；τ為天線中心頻率（MHz）；k為調(diào)整系數(shù)，一般取5～10。

采樣間距是根據(jù)沿線道路的長度來確定，一般按1～5m 的間隔布設(shè)。

2 高精度探地雷達在路面厚度檢測中的數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 路面厚度檢測數(shù)據(jù)處理

高精度探地雷達在發(fā)射電磁波和接收反射信號的過程中會受到噪聲的干擾，為了提高道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部探測結(jié)果的準確性和可靠性，需要在數(shù)據(jù)處理過程中進行降噪處理。通過數(shù)據(jù)處理后生成的雷達云圖包括道路結(jié)構(gòu)層特征波和干擾波，而準確識別并分析這兩種波是解譯道路結(jié)構(gòu)層雷達云圖的關(guān)鍵。主要是通過數(shù)據(jù)正演關(guān)系獲取特征波的特征值，通過道路對結(jié)構(gòu)層實體檢測數(shù)據(jù)校核干擾波的特征值。

2.2 路面厚度檢測數(shù)據(jù)分析及動態(tài)調(diào)整方法

為了實現(xiàn)對瀝青路面厚度的動態(tài)控制，需對檢測路段進行區(qū)域劃分。區(qū)域劃分應(yīng)根據(jù)道路路線上下行幅線、路線長度和車道數(shù)等進行網(wǎng)格化。綜合考慮項目特點、規(guī)范厚度檢測要求和施工工藝，以200m 作為劃分區(qū)域較為合適。全斷面按1m 間隔采集數(shù)據(jù)，每個劃分區(qū)域有1200 個數(shù)據(jù)點。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》（JTG F80/1—2017）中關(guān)于高速/一級公路的總厚度值可分為代表值厚度（-5%H）和合格值厚度（-10%H）?；诖碇岛秃细裰档暮穸绕羁刂浦等缡剑?）～（8）所示：

式（7）中：Δhd為基于代表值厚度的厚度偏差；hd為下層結(jié)構(gòu)層厚度；H為結(jié)構(gòu)層總厚度；R1為容許偏差；為檢測厚度均值。

式（8）中：Δhh為基于合格值厚度的厚度偏差；R2為路面總厚度極小值容許偏差；hmin為檢測厚度的極小值。

結(jié)構(gòu)層厚度偏差控制值應(yīng)同時滿足代表值和合格值的要求，如式（9）所示：

瀝青路面施工厚度動態(tài)調(diào)整應(yīng)同時滿足厚度偏差和設(shè)計厚度的要求，路面厚度動態(tài)調(diào)整方法如式（10）所示：

式（10）中：ht為厚度動態(tài)調(diào)整值；hdi為第i 層厚度設(shè)計值。

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況

為了實現(xiàn)對道路結(jié)構(gòu)層厚度的動態(tài)控制，研究利用IRIS-I 型探地雷達對廣東省東莞市某一級公路瀝青路面厚度進行全斷面雷達無損檢測。該工程瀝青路面厚度設(shè)計為18cm（上層厚度4cm+中層厚度6cm+下層厚度8cm），左右幅共六車道。研究主要對K1+500—K2+500 路段瀝青面層厚度進行全面檢測和評估（見圖2），將該路段長度按200m 每等分劃為5 個區(qū)域，并對其厚度數(shù)據(jù)進行分析。

圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度雷達檢測云圖

3.2 高精度雷達參數(shù)標定

為了獲取更為準確的厚度數(shù)據(jù)，需對雷達檢測點的結(jié)構(gòu)層厚度進行鉆芯取樣，通過反演計算雷達測試系統(tǒng)中瀝青混凝土的介電常數(shù)。為了獲取瀝青混凝土介電常數(shù)，該項目預(yù)先鋪筑了200m 試驗路段，分別在試驗段起點K1+500、中點K1+600 和終點K1+700位置處，利用瑞典MALA ProEx 型探地雷達進行數(shù)據(jù)定點采集，以消除瀝青混凝土路面不同實施階段下的材料差異性。最后根據(jù)鉆芯取樣量取試件厚度，依此反演出雷達測試系統(tǒng)中的介電常數(shù)（見表1）。

表1 瀝青混凝土介電常數(shù)標定

根據(jù)表1 的試驗結(jié)果，該項目在厚度檢測時采用的介電常數(shù)為5.22。

3.3 瀝青路面總厚度分析

為了評價瀝青路面總厚度的合格率，對K1+500—K2+500 的厚度檢測值進行匯總，如圖3 所示。為了進一步分析瀝青路面厚度的均勻性，將樁號K1+500—K2+500 按200m 劃分5 個不同樁號區(qū)域，并對這些區(qū)域的厚度均值和變異系數(shù)進行匯總，如圖4 所示。

圖3 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度檢測值

圖4 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度檢測均值和變異系數(shù)

從圖3 可以看出，K1+500—K2+500 段右幅瀝青路面的厚度值波動較大，呈“M”形，左幅路段瀝青路面厚度值在樁號起始段波動較大，其他區(qū)域內(nèi)厚度值相對平穩(wěn)。這與路面基層施工質(zhì)量密切相關(guān)，且右幅基層的施工平整度明顯比左幅差，顯著增加了工程成本。圖4 結(jié)果表明，K1+500—K2+500 段瀝青路面的總厚度平均值為19.8cm，合格率為99.2%。樁號區(qū)域1的厚度離散性最大，區(qū)域3 的離散性最小，且厚度均勻性最好，這是因為區(qū)域1 為該路段基層施工起點，在攤鋪機具組合和搭配上存在一些不確定性因素，導(dǎo)致路面基層平整度較差。

3.4 瀝青路面施工厚度動態(tài)調(diào)整

根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》（JTG F80/1—2017）可計算出K1+500—K2+500 段瀝青路面代表值和合格值偏差分別為0.9cm 和1.8cm，代表厚度值和合格厚度值分別為17.1cm 和16.2cm?；诖碇岛秃细裰岛穸绕钪稻唧w如表2和表3。

表2 基于代表值厚度的偏差值

表3 基于合格值厚度的偏差值

由表2 和表3 可以看出，K1+900—K2+100 段瀝青路面的總厚度均偏厚；所有區(qū)域中，區(qū)域2 的厚度偏差最大，最大偏差值為-4.9cm，最小偏差值為0.6cm。區(qū)域1 厚度偏差值兩極分化，厚度均勻性較差，根據(jù)厚度調(diào)整原則，該段區(qū)域厚度調(diào)整較大，直接導(dǎo)致成本增加。

以樁號區(qū)域3 為例，對K1+900—K2+100 段中下面層瀝青路面的厚度值進行調(diào)整分析，據(jù)此確定該區(qū)域厚度調(diào)整控制值，如表4 所示。

表4 瀝青路面厚度動態(tài)調(diào)整

由表4 可以看出，在滿足全域厚度的基礎(chǔ)上，基于代表值和合格值厚度偏差值，可計算出瀝青路面厚度調(diào)整值，進而對瀝青路面施工厚度進行調(diào)整，保證路面厚度均勻性，確保工程施工質(zhì)量，為瀝青路面耐久性設(shè)計和施工提供科學依據(jù)。綜合瀝青磨耗層的厚度和經(jīng)濟性，建議在中下瀝青面層施工過程中采用厚度動態(tài)調(diào)控方法。

4 結(jié)論

通過對道路結(jié)構(gòu)厚度無損檢測中高精度探地雷達的相關(guān)工作原理、數(shù)據(jù)處理及厚度動態(tài)調(diào)整方法的分析，并結(jié)合工程實例，對高精度探地雷達在道路結(jié)構(gòu)層厚度無損檢測中的應(yīng)用進行研究，得出如下結(jié)論：第一，在道路無損檢測中應(yīng)用高精度探地雷達，應(yīng)合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以確保道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測結(jié)果的準確性。第二，基于高精度探地雷達檢測的厚度數(shù)據(jù)，采用代表值和合格值厚度偏差的瀝青路面厚度控制方法，可實現(xiàn)對瀝青路面施工厚度的動態(tài)調(diào)整，確保瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度的均勻性。第三，在瀝青路面施工過程中，引入高精度探地雷達技術(shù)對路面厚度進行分層實時檢測，有利于施工質(zhì)量的動態(tài)控制與調(diào)整。