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    探地雷達在公路病害探測中的應用

    2019-01-01
    探地雷達的發展伴隨著高速公路的建設應運而生,探地雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR,又稱地質雷達),是應用地球物理學的一個新的分支,從20世紀80年代后期開始應用于公路檢測。探地雷達檢測技術具有快速高效、無損、高精度、操作方便、檢測內容豐富等優點,逐漸受到公路部門的重視,并在公路質量檢測中得到越來越廣泛的應用。探地雷達除了常規的應用于路面結構層厚度檢測外,還能夠對路面內部結構的脫空、空洞、裂隙、沉陷和嚴重疏松等病害隱患進行探測,能夠較全面的反映出路面內部結構技術狀況,具有實時連續、高精度、快速和無損等特點。

    1 探地雷達檢測原理


    探地雷達是通過向地下發送一種高頻寬帶電磁波。電磁波在地下介質傳播過程中,當地下目標體的介質存在差異時,如脫空、空洞、富水、分界面,電磁波就會發生反射。在對反射雷達波進行處理和解譯的基礎上,根據接收到的雷達波形、強度、介電常數、雙程走時等參數進而推斷地下目標體的空間位置、結構及幾何形態,進而對地下隱蔽目標物的探測。

    探地雷達由主機、天線、電纜以及打標器等組成,針對路面結構病害檢測時,一般選取400MHz、900MHz的天線,探測深度在1.5m以內,能夠滿足檢測要求。

    探地雷達探測示意圖如圖1所示。探地雷達進行地下目標體檢測時,理論基礎為反射系數R,它依賴于介質波阻抗之間的差異性。


    圖1 探地雷達探測示意圖


    由式(1)可知,在一定深度范圍內反射系數的大小與相鄰兩介質的相對介電常數ε密切相關,其差異越大,反射系數越大,反射波越強,反射界面則越容易識別。電磁波從進入的介質時,即從高速介質進入低速介質時,反射系數為負,即反射波振幅與入射直達波反向。反之,從進入的介質時,反射波振幅與入射直達波同向。根據發射波特征進而判斷路面內部結構病害。

    2 道路病害雷達波形特征分析


    2.1 疏松病害特征
    疏松是指在道路下方,有一片區域由于各種原因出現松散現象,如若是滲入了水則會形成層內富水區。疏松區域無論富水或不富水,與周圍介質都會存在介電常數、電導率等電磁性質的差異,這樣就為探地雷達的探測提供了物性基礎。

    如圖2所示,疏松區病害在雷達剖面和波形圖中均有明顯反射異常,剖面圖中反射曲線的峰尖更窄,其邊界存在電磁波繞射現象,疏松區域底部反射信號與邊界繞射疊加,使得在剖面上產生了拐點,可利用拐點的位置達到識別底部反射信號的目的。疏松帶頂、底反射信號在剖面上不對稱,這是由于疏松帶與周圍介電參數的差異造成的,因而,可以從頂、底反射信號的分布特征來識別疏松區域節點參數的目的。


    圖2 疏松病害雷達探測剖面與波形圖

    2.2 脫空病害特征
    脫空病害是公路病害的主要類型之一,由于路面各結構層采用的修筑材料不同,當施工過程中兩個層面之間粘合不好或是透水性設計不當時,造成層間積水或充空氣,結構層之間很容易發生脫離,形成脫空或者層間結合不密實等。充氣脫空病害區域頂部反射與激發電磁波的相位相同,而含水脫空病害區域頂部反射與激發電磁波的相位相反;并且含水脫空剖面圖中具有較強的多次波存在,對脫空區域下面信號存在較強的干擾。

    2.3 層間粘結不密實病害特征
    層間粘結不密實主要指瀝青砼面層離析或粘結不密實,面層與基層、基層與底基層間的粘結不密實或脫空。從雷達圖像分析而言,主要表現為沿水平方向的橫向變化。如果層間粘結不密實,則實際上在層間形成了一個孔隙率較高的過度帶或薄夾層。從而引起明顯的強反射

    3 工程實例


    結合前文的研究,根據對路面結構各種病害雷達波形特征的分析,應用探地雷達對江蘇某高速公路進行探測,并進行開挖驗證,結果顯示探地雷達能夠探測路面內部結構病害,為該高速公路的改擴建提供了科學合理的設計依據和參考。以下為探地雷達檢測結果,如圖3~圖6所示。


    圖3 路面空氣脫空


    圖4 路面富水脫空

    4 結論與展望


    (1)通過對道路路面內部結構常見病害的成因進行分析,結合理論分析和數值模擬試驗,分析了不同病害的雷達波形特征,為應用探地雷達對路面內部結構病害探測提供了分析思路和依據。

    (2)將提出的路面內部結構病害特征應用于具體實際工程,取得了一定的成果,檢測成果為該路的改擴建設計提供合理科學的設計依據,從而有針對性的對道路進行改擴建設計。

    (3)探地雷達應用于公路路面病害檢測,不僅能為公路改擴建提供參考,同時對道路的日常養護及早發現路面內部病害也具有較好的檢測效果,能為養護單位節約投資。

    (4)文章提出的路面內部結構病害雷達波形特征,對探地雷達在路面病害檢測的應用有一定的促進作用,能作為同行業檢測人員對路面結構病害的判別起到參考作用。


    圖5 路面結構基層疏松


    圖6 路面層間粘結不密實

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