半剛性瀝青混凝土路面雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)應(yīng)用

張子珍

(山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

公路建設(shè)中，質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生率較高，即使質(zhì)量性能完全符合要求，在長(zhǎng)期的投入運(yùn)用中，面臨著巨大的交通壓力，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的問(wèn)題。路面層下部的病害往往都是肉眼所觀察不到的，所以要選擇使用新方法與新技術(shù)，才能更好的提高公路病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平，帶動(dòng)我國(guó)公路領(lǐng)域的發(fā)展。

1 地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)的檢測(cè)原理是基本一致的，其主要是通過(guò)發(fā)射高頻電磁波的方式，以寬頻帶短脈沖的方法，在地面通過(guò)發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)射到地下空間，在遇到地下介質(zhì)或者介質(zhì)分界的情況下，反射會(huì)發(fā)射器，并且通過(guò)專門接收的信息獲取，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)，系統(tǒng)整理獲取的信息后，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)內(nèi)傳輸中，路徑、強(qiáng)度、波形都會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)出不同的幾何形態(tài)。因此，通過(guò)系統(tǒng)分析電磁波的特點(diǎn)、傳播時(shí)間、幅度、頻率、波形等信息，整理相關(guān)的雷達(dá)圖像，以掌握公路的具體情況。雷達(dá)圖像剖面圖是經(jīng)過(guò)脈沖反射波的方式實(shí)現(xiàn)的，其波形通過(guò)變面積的方法展現(xiàn)處理，也可以應(yīng)用灰度或者彩色剖面的形式體現(xiàn)出來(lái)，再利用同相軸或者灰線、等色線的方式獲取反射面的情況。波形記錄圖內(nèi)根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)獲取的測(cè)線鉛錘方向得出波形，從而形成雷達(dá)剖面圖，讓人們快速的掌握公路損壞的具體情況。這種方法的檢測(cè)精度高、速度快，是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以記錄每一道雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，最終可以形成雷達(dá)脈沖波與相應(yīng)的反射波系數(shù)的卷積，再應(yīng)用探地雷達(dá)記錄反射波到達(dá)的時(shí)間、波幅，分析地下介質(zhì)的分部狀態(tài)，再通過(guò)雷達(dá)獲取相應(yīng)的高分辨的較淺層內(nèi)的探測(cè)，所以使用的范圍是很大的。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在公路路面檢測(cè)的應(yīng)用

(1)公路路面脫空檢測(cè)。在水泥混凝土板的基層與底基層結(jié)構(gòu)中，透水性有著較高的要求，所以在基層結(jié)構(gòu)透水性不合理的情況下，水極易通過(guò)接縫的部位進(jìn)入到面層與基層中間，并且長(zhǎng)期的積累存在，車輛荷載作用下會(huì)造成水壓力的形成，對(duì)于周邊的基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖刷影響，而沖刷掉的細(xì)集料會(huì)隨著唧泥的作用逐步被帶走，長(zhǎng)期沖刷作用而導(dǎo)致脫空區(qū)的形成。有些基層結(jié)構(gòu)脫水性雖然比較好，但是粒料級(jí)配的設(shè)置不當(dāng)，細(xì)集料容易被雨水沖刷掉，也會(huì)導(dǎo)致脫空區(qū)。脫空區(qū)的強(qiáng)度以及承載性能不足，在車輛碾壓的作用下，造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、破碎等問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)兩條反射波，這樣就可以檢測(cè)出是否存在脫空的問(wèn)題。在檢測(cè)的過(guò)程中，選擇已經(jīng)發(fā)生損傷的路段，檢測(cè)后獲取的成像剖面內(nèi)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域損傷嚴(yán)重，且墊層與路床界面存在凹凸不平的問(wèn)題，說(shuō)明基層、墊層存在介質(zhì)橫向上的情況，且損壞嚴(yán)重。通常來(lái)說(shuō)，天線的頻率高低會(huì)影響探測(cè)的深度。經(jīng)過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，如果天線頻率在2 GHz以上，則不能探測(cè)出脫空的問(wèn)題，只有天線頻率下限為900 MHz時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)才能準(zhǔn)確的探測(cè)脫空問(wèn)題。因此，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)脫空檢測(cè)，但是要將天線頻率設(shè)定在合理的范圍內(nèi)。此外，雷達(dá)探測(cè)的深度會(huì)受到地下介質(zhì)的影響，不同介質(zhì)的反射度數(shù)也會(huì)有差異，電磁波的長(zhǎng)短不同。如果相同介質(zhì)條件，電磁波反射存在不同，這就使得脫空問(wèn)題無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)。

(2)路面厚度檢測(cè)。當(dāng)前我國(guó)公路道路很多都是應(yīng)用瀝青混凝土材料建設(shè)而成的，所以其厚度會(huì)給路面的質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)是核心工作。一般來(lái)說(shuō)，道路結(jié)構(gòu)包含路基、基層、面層等結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，面層5～26 cm厚、基層10～30 cm厚，厚度數(shù)據(jù)根據(jù)工程的情況確定。當(dāng)前我國(guó)的高等級(jí)公路項(xiàng)目中，改性瀝青或者水泥混凝土面層結(jié)構(gòu)比較常見，應(yīng)用有機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定碎石、石灰土等材料比較常見。各個(gè)層的材料有差異，雷達(dá)穿越不同介質(zhì)時(shí)傳輸速度會(huì)不同，所以雷達(dá)會(huì)顯示各個(gè)層的分界線。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理是向地下發(fā)射脈沖的高頻電磁波，其在傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)遇到電性差異的目標(biāo)體，比如路面結(jié)構(gòu)的不同層，會(huì)形成反射、散射的現(xiàn)象，這樣接收后的信息，對(duì)接受到的反射波進(jìn)行處理，按照反射波的波形、強(qiáng)度、時(shí)間等數(shù)據(jù)得出目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)以及電性等。因?yàn)闄z測(cè)的結(jié)構(gòu)是瀝青層，所以應(yīng)用雷達(dá)探測(cè)出其瀝青結(jié)構(gòu)厚度即可，而應(yīng)用1 600 MHz的雷達(dá)天線可以提升檢測(cè)的精度和速度，促進(jìn)整體檢測(cè)效果的提升。

(3)路面密度和壓實(shí)度檢測(cè)。在瀝青路面的運(yùn)行中，厚度參數(shù)、壓實(shí)度性能等方面，都是直接影響工程質(zhì)量控制以及養(yǎng)護(hù)管理方式的因素，所以必須要做好各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的探測(cè)以及獲取。路面雷達(dá)在檢測(cè)的過(guò)程中，并不會(huì)直接獲取密度、壓實(shí)度等相關(guān)的路面性能參數(shù)指標(biāo)，但是通過(guò)分析介電常數(shù)的方式，即可通過(guò)掌握這些指標(biāo)的改變，這樣就會(huì)引發(fā)介電常數(shù)的變化。結(jié)合混合介質(zhì)的介電常數(shù)均方根模型，從而可以掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，為路面層結(jié)構(gòu)的分析和控制提供基礎(chǔ)條件。在瀝青路面工程的設(shè)計(jì)管理中，混合料的油石比的穩(wěn)定性較強(qiáng)，而新鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)含水量比較差。因此，在瀝青混合料的介電常數(shù)比較小的情況下，則可以得出密度小、空氣含量高的結(jié)論。路面雷達(dá)是目前應(yīng)用瀝青混合料的介電常數(shù)、體積比、密度三者關(guān)系進(jìn)行分析的，根據(jù)是否有異物存在可以確定壓實(shí)度參數(shù)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，路基壓實(shí)結(jié)構(gòu)可以分為如下幾種層：不均勻?qū)?、密?shí)層、不密實(shí)層。因?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)可以檢測(cè)出雷達(dá)圖像的不均勻變化的情況，所以通過(guò)使用瑞雷波的方法即可確定不均勻異常區(qū)域范圍，瑞雷波的壓實(shí)度參數(shù)、波速值、承載力等，以得出瀝青路面的質(zhì)量性能參數(shù)，對(duì)于判定瀝青路面的總體質(zhì)量和效果產(chǎn)生直接的影響。

3 某高速公路應(yīng)用雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的案例

3.1 工程案例

該項(xiàng)目選取其中一段50 m的路段進(jìn)行分析，可見圖1所示，其上中下面層的厚度分別是5 cm、6 cm、6 cm。分析圖中的雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在17 cm的周邊區(qū)域內(nèi)的GPR信號(hào)增強(qiáng)，存在GPR軸向反射的情況，該位置的反射波比較長(zhǎng)，所以確定該位置上連接存在不結(jié)實(shí)的情況。但是不能準(zhǔn)確的判定上下層結(jié)合位置上的GPR反射的具體情況。因此，技術(shù)人員推測(cè)該位置出現(xiàn)離析的問(wèn)題，并不能達(dá)到脫空的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 下面層離析典型雷達(dá)成果圖

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的鉆芯分析圖發(fā)現(xiàn)，下、中、上各個(gè)層結(jié)構(gòu)的結(jié)合性比較好，同時(shí)承受外部交通作用力，但是在瀝青面層與基層結(jié)構(gòu)交界的位置上存在碎裂的情況，所以說(shuō)明以上GPR反射比較明顯，即可判定出瀝青層與基層存在離析的問(wèn)題。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)取芯

3.2 判斷準(zhǔn)則

瀝青層與基層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)離析的問(wèn)題是高速公路比較常見的，多數(shù)都是因?yàn)槠浯嬖诒容^小的碎?；蛘叻蹱钗锏男问?，這些物質(zhì)的吸水性比較長(zhǎng)，吸收的水量較多，所以在GPR反射波型中的變化規(guī)律比較長(zhǎng)，還會(huì)存在較大的斷裂性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在半剛性瀝青路面的檢測(cè)中，應(yīng)用雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)存在不同的介質(zhì)，內(nèi)部檢測(cè)材料的復(fù)雜性較大，所以這就造成探低雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的操作比較繁瑣，受到人員經(jīng)驗(yàn)的影響，同時(shí)這一技術(shù)還有一定的缺陷，需要進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用。本文從工程案例出發(fā)，分析探地雷達(dá)在瀝青路面典型病害的檢測(cè)作用，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以快速的完成檢測(cè)，掌握本次案例高速公路項(xiàng)目存在離析的問(wèn)題，為后續(xù)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供幫助。同時(shí)，經(jīng)過(guò)總結(jié)案例經(jīng)驗(yàn)，分析GPR信號(hào)變化，獲取相關(guān)的信息，及時(shí)掌握公路工程的病害情況，加強(qiáng)病害位置的分析與判定，及時(shí)解決處理，滿足公路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)?？傊瑧?yīng)用雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，快速發(fā)現(xiàn)半剛性瀝青混凝土路面的病害問(wèn)題，為工程質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)。