探地雷達(dá)技術(shù)在公路路面裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀探析

彌苗苗

摘 要：道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)對(duì)于經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展以及確保公路交通安全通行具有重要保障作用。公路路面的整體質(zhì)量以及裂縫情況直接影響著后期的使用效果，使用先進(jìn)技術(shù)快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)公路路面的裂縫現(xiàn)狀有著現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)彈力雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)理論分析，以及探索該技術(shù)在公路路面裂縫中的應(yīng)用，從而掌握這一新興技術(shù)在路面檢測(cè)工作中的可靠性與準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示在公路路面裂縫檢測(cè)中合理使用探地雷達(dá)技術(shù)有著明顯的積極作用。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)技術(shù) 公路 路面裂縫 檢測(cè)應(yīng)用

1 引言

隨著城市交通運(yùn)輸量以及建設(shè)規(guī)模不斷加大，受到城市環(huán)境與城市交通發(fā)展等因素影響，公路路面出現(xiàn)了更多的裂縫病害問題。公路路面裂縫問題直接關(guān)系著公路的使用性能與行車安全性，再加上路表積水順著裂縫不斷往下浸泡，道路內(nèi)層的半剛性基層被侵蝕現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，最終導(dǎo)致路面基層失去承載功能與可靠性，從而引起脫空、卿漿等次生問題，對(duì)于公路整體運(yùn)行效率而言影響較大。另外，有裂縫的公路還會(huì)受到車輛的溫度與荷載影響，從而促使裂縫不斷擴(kuò)散，進(jìn)一步降低路面的使用期限和穩(wěn)定性?；诖?，使用探地雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)道路裂縫，從而為裂縫問題提供有效的應(yīng)對(duì)方案，以確保公路運(yùn)行的可靠性。

2 探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用原理及構(gòu)成元素

2.1 應(yīng)用原理

探地雷達(dá)技術(shù)就是一種運(yùn)用高頻無線電磁波來確定某個(gè)介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布特征的探測(cè)技術(shù)，不一樣的天線探地雷達(dá)具備著不同的頻率范圍，并且該部分直接關(guān)系著探測(cè)的分辨率和最后的檢測(cè)深度。運(yùn)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)道路內(nèi)層發(fā)射高頻電磁波后，在電磁波全程傳播當(dāng)中，若是出現(xiàn)電性差異比較明顯的地下介質(zhì)以后，發(fā)射出的電磁波就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞到上方的電磁波，從而被天線有效接收到，利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)深度分析和處理接收到的雷達(dá)回波信號(hào)，探究其實(shí)際特點(diǎn)，便能獲得路面內(nèi)層的所有密實(shí)度、厚度以及存在的裂縫問題等[1]，雷達(dá)探測(cè)示意圖具體見圖1。

在雷達(dá)檢測(cè)過程中，因?yàn)楦哳l電磁波會(huì)穿過路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)之后穿梭在各種介質(zhì)層中，就會(huì)出現(xiàn)一定的反射或者折射情況，進(jìn)而影響著高頻電磁波的波形和振幅，通過這樣的顯示特點(diǎn)便能精準(zhǔn)判斷路面結(jié)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)與信息[2]。

2.2 探地雷達(dá)技術(shù)構(gòu)成元素

發(fā)射器：該部分可以充分保存相應(yīng)能量，同時(shí)能夠獲取短期釋放，從而形成相應(yīng)的單周期雷達(dá)信號(hào)和脈沖，借助技術(shù)內(nèi)部當(dāng)中的分離器，便能對(duì)天線傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，隨后借助天線完成電磁波對(duì)路面系統(tǒng)傳送信號(hào)環(huán)節(jié)。

接收器：該部分的主要功能和作用就是有效收集反射信號(hào)，還可以逐漸擴(kuò)大收集到的相應(yīng)信號(hào)，隨后促使信息傳導(dǎo)到處理器中，對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行有針對(duì)性的分析和處理。

天線：在道路檢測(cè)中有效應(yīng)用低碳雷達(dá)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)接收電磁波發(fā)射出來的相應(yīng)信號(hào)，針對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)相對(duì)應(yīng)的天線一共分為兩種，也就是地表耦合型與耦合型[3]。

分離機(jī)：在電磁波射頻發(fā)射當(dāng)中，將借助分離機(jī)來連接發(fā)射器和天線，與此同時(shí)還可以在處理短時(shí)發(fā)射情況的同時(shí)，并切斷發(fā)射器和天線之間的連接，從而把接收機(jī)和天線之間連接在一起[4]。

3 路面檢測(cè)現(xiàn)狀及問題

3.1 工程概述

甘肅省某市某道路的路面結(jié)構(gòu)主要是13cm的水泥礫調(diào)平層，其混凝土主要為7.5cm的浙青混凝土、加上16cm的水泥碎石基層、還包括了15cm水泥砂確底基層[5]。早在十幾年前，該公路就已經(jīng)建設(shè)投入使用，因?yàn)榇斯匪幍牡囟斡兄浅ＸS富的石料資源和礦產(chǎn)資源，其周邊就有一座水泥廠和多處煤礦，所以該道路的超載以及承重情況比較突出。現(xiàn)如今，由于該公路的使用期限與負(fù)荷運(yùn)營超出預(yù)期，并且很多路面已經(jīng)出現(xiàn)了各類病害問題，例如龜裂、縱橫向的裂縫問題、大面積塊狀裂縫病害等[6]。近幾年已經(jīng)此公路進(jìn)行了有效修復(fù)，并在路面添加了2.5cm厚度的瀝青混凝土，以此覆蓋在表層，但是這樣的修復(fù)方式僅僅能夠改善道路的表面功能，針對(duì)道路實(shí)際結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果并不明顯，很難有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)裂縫和開裂問題，所以還需要制定更有針對(duì)性的修復(fù)方案。結(jié)合實(shí)際情況使用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)探測(cè)該道路的病害問題，比如有效使用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并為道路病害問題制定專業(yè)的應(yīng)對(duì)措施和后期保養(yǎng)方案。

3.2 路面檢測(cè)現(xiàn)狀

一般情況下，在公路路面檢測(cè)中，相關(guān)施工人員會(huì)按照國家執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展檢測(cè)工作，確定路面的各項(xiàng)性能，客觀評(píng)估路面實(shí)際運(yùn)行狀況。在路面維護(hù)中可能會(huì)使用灌砂法填充路面，然而其中包含了較大的細(xì)沙體系，這會(huì)不斷增加地基之間的孔隙，很容易產(chǎn)生密實(shí)度不滿足要求的現(xiàn)象，并且路面在實(shí)際應(yīng)用中很容易出現(xiàn)裂縫、下沉等問題，嚴(yán)重情況下還會(huì)發(fā)生安全事件。而利用先進(jìn)技術(shù)檢測(cè)路面實(shí)際情況與質(zhì)量問題，可以在數(shù)據(jù)分析中了解路面的承載力與裂縫情況，進(jìn)而實(shí)施有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)方案提升路基的穩(wěn)定性。然而現(xiàn)階段很多領(lǐng)域更加注重于公路新建，缺乏有針對(duì)性的路面養(yǎng)護(hù)工作，造成路面壽命減縮，嚴(yán)重影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們安全出行。重視新建忽視檢修的思想主要體現(xiàn)在建設(shè)資金較多、維護(hù)成本較高，養(yǎng)護(hù)設(shè)備較差，檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)落后。精準(zhǔn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以為養(yǎng)護(hù)工作提供數(shù)據(jù)參考，但是不管是檢測(cè)技術(shù)還是檢測(cè)設(shè)備都有一定的局限性，這與公路路面檢測(cè)重視力度有著密切聯(lián)系。為此，要想保障公路安全運(yùn)行，提升路面運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，必須要借助更加先進(jìn)的路面檢測(cè)技術(shù)，深度分析公路路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的問題，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與檢修。

3.3 技術(shù)應(yīng)用問題

采集、分析和處理數(shù)據(jù)工作相對(duì)復(fù)雜，在分析探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，必須要全面掌握專業(yè)是數(shù)據(jù)分析和處理軟件，以此加大了實(shí)際操作難度。在使用探地雷達(dá)技術(shù)時(shí)，需要選擇符合技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境開展檢測(cè)工作，如此才能提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。探地雷達(dá)技術(shù)需要高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備設(shè)施，這樣才能保障數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性與精準(zhǔn)性，以上問題都會(huì)影響探地雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

4 探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 路面裂縫檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)

4.1.1 天線中心的頻率

在公路道路檢測(cè)工作中有效應(yīng)用探底雷達(dá)技術(shù)，還需要合理協(xié)調(diào)系統(tǒng)參數(shù)，其中，最關(guān)鍵的參數(shù)之一就是天線中心頻率，此部分直接影響著系統(tǒng)檢測(cè)的分別率與檢測(cè)深度。為了進(jìn)一步提高到了檢測(cè)的準(zhǔn)確率，必須要合理使用不同的天線中心頻率來有效檢測(cè)公路路面的實(shí)際狀況，進(jìn)而深度分析檢測(cè)結(jié)果，以此獲得最標(biāo)準(zhǔn)的頻率數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)時(shí)，要選擇頻率最高的天線，還要結(jié)合實(shí)際情況確定天線大小。通常而言，如果天線中心頻率更高，那么道路的檢測(cè)深度就會(huì)更深，則分辨率也就更高。例如對(duì)于檢測(cè)深度達(dá)到5m時(shí)，則需要控制天線中心頻率在100MHz左右，以此可以精準(zhǔn)定位公路路面中的裂縫位置，還能識(shí)別出基層的整體結(jié)構(gòu)，最終可以評(píng)估出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的含水量與裂縫狀況[7]。

4.1.2 設(shè)置測(cè)線

在正式檢測(cè)之前，相關(guān)人員可以提前設(shè)定測(cè)線位置，不斷試驗(yàn)測(cè)線方向，以此保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率，并且在實(shí)際檢測(cè)過程中，相關(guān)人員有必要結(jié)合試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況，合理使用剖面檢測(cè)方法開展工作，整合頻率不同的天線組建成屏蔽天線，從而融合天線頻率，明確更多參數(shù)。在本次檢測(cè)過程中，可以使用中心頻率在100 MHz——400MHz之間的天線，以此組建成屏蔽天線組合，把輻射的時(shí)間寬度控制在2.5ns、5.0ns、7.5ns，同時(shí)逐步加大，將向下的輻射距離把控在0.25m、0.50m、0.75m，如果需要檢測(cè)的公路裂縫情況非常嚴(yán)重，整體情況在不斷加劇中，那么需要結(jié)合實(shí)際情況慢慢加大測(cè)線密度，以此保證檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度和真實(shí)性[8]。

4.1.3 檢測(cè)速率

在公路路面檢測(cè)工作中應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)時(shí)，其中的檢測(cè)速度表示為天線移動(dòng)的速度，該元素直接影響著和雷技術(shù)掃描的精準(zhǔn)度，如果天線的整體移動(dòng)速度加快，那么在檢測(cè)過程中便會(huì)出現(xiàn)信號(hào)缺失的情況，從而導(dǎo)致公路路面裂縫問題具體影響原因難以識(shí)別到。若是天線的移動(dòng)速度過慢，則公路路面的監(jiān)測(cè)質(zhì)量便能得到相應(yīng)保障，但是這樣也會(huì)制約檢測(cè)作業(yè)的效率。因此在檢測(cè)之前必須要開展檢測(cè)試驗(yàn)活動(dòng)，明確最合適的檢測(cè)速率，防止因?yàn)闄z測(cè)速度控制問題而影響探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用效果，影響最終的檢測(cè)結(jié)果。

4.2 裂縫檢測(cè)模型

4.2.1 數(shù)值模擬

因?yàn)楸敬螜z測(cè)的公路路面結(jié)構(gòu)主要為半剛性基層和面層，其中有兩中材料比較相似，而且單層最大的厚度一共有16cm，所以在設(shè)定相關(guān)參數(shù)時(shí)，可以把天線的頻率限制在1000 MHz。對(duì)于面層與基層當(dāng)中的介電常數(shù)，特別是裂縫當(dāng)中的介電常數(shù)，也可以將其表示為空氣介電常數(shù)，對(duì)于該部分的計(jì)算公式如下：

在本公式當(dāng)中，代表了光速，速度達(dá)到了；其中的表示為波速，單位為m/s；則代表了芯樣的厚度；反映了道路測(cè)試時(shí)間。當(dāng)芯樣厚度達(dá)到16cm后，對(duì)于基層的測(cè)試時(shí)間一共有4.5ns，而面層測(cè)試時(shí)間則有2.5ns。因?yàn)榈缆分械目諝獗旧聿]有導(dǎo)電性能，所以電導(dǎo)率是0，而基層和面層的導(dǎo)電性比較差，所以電導(dǎo)率可以控制在0.001s/m。

為了區(qū)分不同寬度路面呈現(xiàn)出來的反射電磁波信號(hào)，可以模擬寬度適合的裂縫，該裂縫內(nèi)部的介質(zhì)主要為空氣，并且裂縫的垂直方向?qū)?huì)不斷延展到基層部分，模擬具體結(jié)果比如圖2、圖3所示。

4.2.2 模型分析

結(jié)合上文提到的裂縫模擬演示，從理論上來看，探地雷達(dá)技術(shù)很難準(zhǔn)確識(shí)別寬度有8cm以下的裂縫；但是基于圖像而言，該技術(shù)也不能精準(zhǔn)定位寬度為8cm以下的裂縫嚴(yán)重等級(jí)，所以要想精準(zhǔn)定位路面裂縫情況，一定要提前處理那些細(xì)小的裂縫問題。根據(jù)探地雷達(dá)技術(shù)，其內(nèi)部能夠在裂縫定位中發(fā)射出相應(yīng)振幅，而該結(jié)果和沒有裂縫情況的路面形成的振幅差異相結(jié)合之后，便能有效識(shí)別和定位實(shí)際裂縫情況。圍繞模擬最終結(jié)果來分析，可以了解到反射波的振幅和路面的裂縫寬度呈現(xiàn)正比關(guān)系；如果路面中的裂縫寬度不斷變化或加寬，則反射波的振幅變化不明顯，體現(xiàn)了路面裂縫的寬度變化對(duì)發(fā)生振幅變化的影響強(qiáng)度在慢慢變?nèi)?，深度分析裂縫跨度與振幅之間的關(guān)系，可以進(jìn)一步明確影響反射波振幅變化的各種元素與指標(biāo)[9]。

4.2.3 實(shí)際檢測(cè)分析

結(jié)合模型最終結(jié)果分析，我們可以知道路面的裂縫寬度直接關(guān)系著反射波的振幅變化，為此，可以選擇本次檢測(cè)道路中的裂縫路面和適量的芯樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，芯樣的檢測(cè)結(jié)果和探地雷達(dá)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果不同，說明了該技術(shù)能有效識(shí)別寬度不同的裂縫情況。另外，在實(shí)際檢測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)，芯樣檢測(cè)結(jié)果顯示路面裂縫寬度直接關(guān)系著反射波的振幅變化，并且當(dāng)路面裂縫逐漸加寬之后，其對(duì)于反射波的影響力度逐漸變?nèi)趿?，其結(jié)果和探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果一致。

5 結(jié)論

在公路路面裂縫檢測(cè)工作中有效應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)，可以進(jìn)一步提高整體檢測(cè)的準(zhǔn)確率，可以在路面檢測(cè)工作中得到有效使用。隨著城市發(fā)展速度加快，公路道路探測(cè)技術(shù)得到深度創(chuàng)新和發(fā)展，合理使用探地雷達(dá)技術(shù)可以有效縮短檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)強(qiáng)化檢測(cè)精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)無損采樣目的。再加上探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果能夠很好達(dá)到如今質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，是高效的探測(cè)新技術(shù)，能夠科學(xué)全面的評(píng)價(jià)公路項(xiàng)目情況，因此借助該技術(shù)明確道路中的實(shí)際裂縫問題，精準(zhǔn)掌握裂縫數(shù)據(jù)，從而制定并實(shí)施有針對(duì)性應(yīng)對(duì)措施，能夠不斷提高公路路面的承載能力，確保道路所處區(qū)域車輛運(yùn)行的安全性與可靠性。

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