基于反射系數(shù)法的探地雷達(dá)快速無損檢測技術(shù)研究

趙志強(qiáng)，蔣龍松

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112）

基于反射系數(shù)法的探地雷達(dá)快速無損檢測技術(shù)研究

趙志強(qiáng)，蔣龍松

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112）

分析不同路面材料介電常數(shù)獲取方法的優(yōu)劣，研究基于反射系數(shù)法的探地雷達(dá)快速無損檢測瀝青路面厚度、壓實(shí)度方法。實(shí)體工程數(shù)據(jù)表明，測試結(jié)果具有較高的精度和準(zhǔn)度。

無損檢測；探地雷達(dá)；反射系數(shù)；厚度；壓實(shí)度

1　概 述

探地雷達(dá)GPR通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度，是國內(nèi)外技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的快速無損檢測方法。

路面材料介電常數(shù)獲取方法至關(guān)重要，是探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)的核心，直接影響到測試結(jié)果的精度和準(zhǔn)度。我國《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）要求采用鉆孔取芯標(biāo)定法，獲取路面材料介電常數(shù)，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度。本文采用真正“無損”的反射系數(shù)法獲取路面材料介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)測試瀝青路面厚度、壓實(shí)度，達(dá)到快速、高效、無損評判路面結(jié)構(gòu)層狀況的目的。

2　介電常數(shù)標(biāo)定方法

探地雷達(dá)測試的對象是路面結(jié)構(gòu)層中的介質(zhì)。介質(zhì)物理學(xué)中，介質(zhì)的介電特性由介電常數(shù)，磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率來描述，對于常見路面材料，大都屬于非磁性材料，所以在實(shí)際應(yīng)用中為簡化計(jì)算常把其磁導(dǎo)率認(rèn)為是1，而電導(dǎo)率對電磁波傳播特性的影響已蘊(yùn)含在介電常數(shù)的虛部中。因此，介電常數(shù)是路面材料介電性能最重要的參數(shù)。

路面材料介電常數(shù)獲取方法主要包括：介電常數(shù)法、鉆孔取芯法、反射系數(shù)法、幾何刻度法、共點(diǎn)中心法、霍夫變換法等。鉆孔取芯法直接通過取芯測量來對介電常數(shù)進(jìn)行反算標(biāo)定，原理最為簡單、應(yīng)用最為便捷，意大利IDS公司的RIS系列雷達(dá)推薦采用鉆孔取芯法；反射系數(shù)法理論成熟，且能做到真正的“無損”，也越來越受到國內(nèi)外研究者的重視，美國勞雷工業(yè)公司的SIR系列雷達(dá)主推反射系數(shù)法。幾何刻度法、共中心點(diǎn)法、霍夫變換法，主要用于分體式天線，實(shí)際操作過程比較復(fù)雜，實(shí)體工程應(yīng)用較少。

2.1鉆孔取芯法

鉆孔取芯法就是在探地雷達(dá)測線上隨機(jī)選取一點(diǎn)鉆孔取芯，量其實(shí)際厚度。用剖面上該點(diǎn)的雙程走時(shí)和實(shí)際厚度二個(gè)參數(shù)，便可標(biāo)定探地雷達(dá)波在該標(biāo)定層內(nèi)的介電常數(shù)。我國《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）要求采用此方法標(biāo)定計(jì)算介電常數(shù)，公式為：

其中：Δt為剖面上該點(diǎn)的雙程走時(shí)，ns；c為電磁波在空氣中的傳播速度，取300 mm／ns；H為該點(diǎn)實(shí)測厚度，mm。

鉆孔取芯標(biāo)定法的應(yīng)用前提條件時(shí)假設(shè)瀝青路面介質(zhì)是均勻的，電磁波傳播速度相對不變，即單個(gè)鉆孔點(diǎn)標(biāo)定出的速度可代表全段的速度；當(dāng)然，瀝青路面介質(zhì)并不是完全均勻，其介電特性也會有輕微的差別不同。大量工程實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在同一標(biāo)定內(nèi)鉆孔標(biāo)取芯定法的波速誤差通常為2%，還是相對比較精確的，是現(xiàn)在應(yīng)用較多的一種方法。

實(shí)際測試過程中，可以取若干個(gè)鉆孔點(diǎn)的波速均值作為測試計(jì)算用波速，也根據(jù)施工單位和材料的不同，將測試路段分成若干段，每段采用本段所測得的電磁波速。

2.2反射系數(shù)法

反射系數(shù)法是利用反射系數(shù)與反射波的關(guān)系，根據(jù)電磁波在上一結(jié)構(gòu)層中的傳播速度以及電磁波在空氣中的傳播速度為定值，利用該定值便可推導(dǎo)出其在下一結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。

反射系數(shù)法具體實(shí)施方法如下：在路面上放置一塊金屬板，得到全反射振幅Am，鑒于金屬板是全反射體，有反射系數(shù)Rm=1；當(dāng)去除金屬板時(shí)，從路面接收到反射振幅A1；然后根據(jù)分界面的反射系數(shù)與該介面的反射波幅關(guān)系及其反射系數(shù)定義，可以求出第一層波速V1及以下各層波速Vn。

圖1　反射系數(shù)法示意圖

3　路面厚度無損檢測技術(shù)

探地雷達(dá)測厚效率是傳統(tǒng)方法所無法相比的。為規(guī)范使用方法，普及先進(jìn)技術(shù)，提高試驗(yàn)檢測的質(zhì)量和效率，2008年修訂《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）時(shí)將其納入，成為我國交通行業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，編號：T 0913-2008短脈沖雷達(dá)測定路面厚度試驗(yàn)方法。

T 0913-2008簡單的規(guī)定采用鉆孔取芯法獲取路面材料的介電常數(shù)，但如前所述反射系數(shù)法的應(yīng)用也日益廣泛。故本文借鑒參考T 0913-2008所述的測試步驟和方法，采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達(dá)，在某二級公路改建工程進(jìn)行探地雷達(dá)厚度測試試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)過程中，采用反射系數(shù)法獲取路面材料介電常數(shù)；同時(shí)，輔以鉆孔取芯法，研究驗(yàn)證反射系數(shù)法獲取路面材料介電常數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，見表1。

從上表可以得出，兩種方法的介電常數(shù)測試結(jié)果基本一致，說明反射系數(shù)法具有較高的精度和準(zhǔn)度，完全可用于探地雷測定路面厚度試驗(yàn)，逐點(diǎn)獲取路面材料介電常數(shù)，逐點(diǎn)計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度，測試結(jié)果更加詳盡、客觀、公正、準(zhǔn)確。

4　路面壓實(shí)度無損檢測技術(shù)

探地雷達(dá)檢測瀝青路面壓實(shí)度的原理也與路面材料的介電常數(shù)有關(guān)。瀝青混合料的介電常數(shù)由固液氣三相比例決定，瀝青混合料被壓實(shí)時(shí)，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加，瀝青混合料的相對介電常數(shù)也隨著變大，即介電常數(shù)與現(xiàn)場空隙率負(fù)相關(guān)。

如何建立介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系模型是探地雷達(dá)測試瀝青路面壓實(shí)度的核心。近些年，國內(nèi)外開展了大量關(guān)于轉(zhuǎn)換關(guān)系模型的研究，其中比較權(quán)威、經(jīng)典是芬蘭pank的空隙率計(jì)算模型：

其中：y為空隙率，%；A、B為模型參數(shù)，回歸計(jì)算得出；εx為介電常數(shù)。

美國、德國等歐美國家均采用上述模型檢測計(jì)算瀝青路面現(xiàn)場空隙率。本文也推薦采用此模型，具體方法如下：根據(jù)反射系數(shù)法獲取的路面材料介電常數(shù)數(shù)據(jù)，選取介電常數(shù)分布跨度比較大的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場取芯，并測試芯樣現(xiàn)場空隙率。即可利用現(xiàn)場空隙率和介電常數(shù)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算模型參數(shù)，然后計(jì)算全線各測點(diǎn)的現(xiàn)場空隙率，分析評價(jià)測試路段的壓實(shí)度狀況。本文采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達(dá)，在某高速公路進(jìn)行探地雷達(dá)壓實(shí)度測試試驗(yàn)，見圖2～圖3。

圖2　介電常數(shù)與現(xiàn)場空隙率轉(zhuǎn)換模型

圖3　測試路段壓實(shí)度隨里程變化

5　實(shí)體工程應(yīng)用

5.1工程概況

揚(yáng)州市S331省道是省干線公路網(wǎng)中重要組成部分，同時(shí)也是揚(yáng)州市公路網(wǎng)“八縱十橫”中的一條，直接連接著京滬高速公路，在周邊公路網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。寶應(yīng)運(yùn)東段樁號為K110+000～K119+000，標(biāo)段全長9.0 km，現(xiàn)有路面寬度9 m，土路肩寬2×1.5 m，公路等級為二級公路，日平均交通量約6 000輛／晝夜。測試路段維修改造方案為銑刨原路面兩層瀝青面層（4 cm+5 cm），然后進(jìn)行基層18 cm水泥就地冷再生，最后回鋪4 cm普通瀝青Sup13上面層+6 cm廠拌溫再生普通瀝青下面層。

5.2檢測過程

揚(yáng)州S331省道改造工程交工驗(yàn)收過程中，采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達(dá)進(jìn)行瀝青加鋪層厚度、壓實(shí)度檢測，具體的檢測參數(shù)如下：采樣間隔為10 m、測試速度為60 km／h、介電常數(shù)獲取方法為反射系數(shù)法。參照T 0913-2008短脈沖雷達(dá)測定路面厚度試驗(yàn)方法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的電磁信息采集，結(jié)束后將金屬板放置在天線正下方，啟動(dòng)控制軟件的標(biāo)定程序，獲取反射系數(shù)法標(biāo)定路面材料介電常數(shù)的相應(yīng)參數(shù)。

圖4　Wavebounce型探地雷達(dá)厚度、壓實(shí)度檢測

5.3厚度測試結(jié)果

揚(yáng)州S331省道寶應(yīng)運(yùn)東段改造工程瀝青加鋪層厚度檢測結(jié)果，見表2和圖5。

表2　瀝青加鋪層厚度檢測結(jié)果匯總表

圖5　瀝青加鋪層厚度隨里程變化

5.4壓實(shí)度測試結(jié)果

揚(yáng)州S331省道寶應(yīng)運(yùn)東段改造工程瀝青加鋪層現(xiàn)場壓實(shí)度檢測結(jié)果，見表3和圖6。

表3　瀝青加鋪層現(xiàn)場壓實(shí)度檢測結(jié)果匯總表

圖6　瀝青加鋪層現(xiàn)場壓實(shí)度隨里程變化

6　結(jié) 語

路面材料介電常數(shù)獲取方法是探地雷達(dá)無損檢測的核心。反射系數(shù)法獲取的路面材料介電常數(shù)與鉆孔取芯法基本一致，具有較高的精度和準(zhǔn)度，且能真正做到“無損”，在探地雷達(dá)無損檢測瀝青路面厚度、壓實(shí)度方面應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 中華人民共和國交通部.《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E600-2008）［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 耿玉嶺，賈學(xué)民.公路路面無損檢測中的探地雷達(dá)技術(shù)研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］ 黎春林.探地雷達(dá)檢測路面含水量、空隙率和壓實(shí)度的應(yīng)用研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2003.

Base On Reflection Coefficient Method Of GPR Rapid Nondestructive Testing Technology Research

ZHAO Zhi-qiang，JIANG Long-song
（JSTI GROUP，Nanjing，Jiangsu 211112，China）

The paper analyzes the advantages and disadvantages of different methods to obtain the dielectric constant of the material surface，the reflection coefficient based on GPR asphalt pavement thickness，degree of compaction method for rapid non-destructive testing.Entity engineering data indicate that the test results with high precision and accuracy.

non-destructive testing；GPR；reflection coefficient；thickness；degree of compaction

U415.5

C

1008-3383（2016）10-0166-03

2016-07-22

趙志強(qiáng)（1983-），男，遼寧綏中人，工程師，從事道路檢測研發(fā)工作。