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探地雷达在公路病害探测中的应用

2019-01-01
探地雷达的发展伴随着高速公路的建设应运而生,探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR,又称地质雷达),是应用地球物理学的一个新的分支,从20世纪80年代后期开始应用于公路检测。探地雷达检测技术具有快速高效、无损、高精度、操作方便、检测内容丰富等优点,逐渐受到公路部门的重视,并在公路质量检测中得到越来越广泛的应用。探地雷达除了常规的应用于路面结构层厚度检测外,还能够对路面内部结构的脱空、空洞、裂隙、沉陷和严重疏松等病害隐患进行探测,能够较全面的反映出路面内部结构技术状况,具有实时连续、高精度、快速和无损等特点。

1 探地雷达检测原理


探地雷达是通过向地下发送一种高频宽带电磁波。电磁波在地下介质传播过程中,当地下目标体的介质存在差异时,如脱空、空洞、富水、分界面,电磁波就会发生反射。在对反射雷达波进行处理和解译的基础上,根据接收到的雷达波形、强度、介电常数、双程走时等参数进而推断地下目标体的空间位置、结构及几何形态,进而对地下隐蔽目标物的探测。

探地雷达由主机、天线、电缆以及打标器等组成,针对路面结构病害检测时,一般选取400MHz、900MHz的天线,探测深度在1.5m以内,能够满足检测要求。

探地雷达探测示意图如图1所示。探地雷达进行地下目标体检测时,理论基础为反射系数R,它依赖于介质波阻抗之间的差异性。


图1 探地雷达探测示意图


由式(1)可知,在一定深度范围内反射系数的大小与相邻两介质的相对介电常数ε密切相关,其差异越大,反射系数越大,反射波越强,反射界面则越容易识别。电磁波从进入的介质时,即从高速介质进入低速介质时,反射系数为负,即反射波振幅与入射直达波反向。反之,从进入的介质时,反射波振幅与入射直达波同向。根据发射波特征进而判断路面内部结构病害。

2 道路病害雷达波形特征分析


2.1 疏松病害特征
疏松是指在道路下方,有一片区域由于各种原因出现松散现象,如若是渗入了水则会形成层内富水区。疏松区域无论富水或不富水,与周围介质都会存在介电常数、电导率等电磁性质的差异,这样就为探地雷达的探测提供了物性基础。

如图2所示,疏松区病害在雷达剖面和波形图中均有明显反射异常,剖面图中反射曲线的峰尖更窄,其边界存在电磁波绕射现象,疏松区域底部反射信号与边界绕射叠加,使得在剖面上产生了拐点,可利用拐点的位置达到识别底部反射信号的目的。疏松带顶、底反射信号在剖面上不对称,这是由于疏松带与周围介电参数的差异造成的,因而,可以从顶、底反射信号的分布特征来识别疏松区域节点参数的目的。


图2 疏松病害雷达探测剖面与波形图

2.2 脱空病害特征
脱空病害是公路病害的主要类型之一,由于路面各结构层采用的修筑材料不同,当施工过程中两个层面之间粘合不好或是透水性设计不当时,造成层间积水或充空气,结构层之间很容易发生脱离,形成脱空或者层间结合不密实等。充气脱空病害区域顶部反射与激发电磁波的相位相同,而含水脱空病害区域顶部反射与激发电磁波的相位相反;并且含水脱空剖面图中具有较强的多次波存在,对脱空区域下面信号存在较强的干扰。

2.3 层间粘结不密实病害特征
层间粘结不密实主要指沥青砼面层离析或粘结不密实,面层与基层、基层与底基层间的粘结不密实或脱空。从雷达图像分析而言,主要表现为沿水平方向的横向变化。如果层间粘结不密实,则实际上在层间形成了一个孔隙率较高的过度带或薄夹层。从而引起明显的强反射

3 工程实例


结合前文的研究,根据对路面结构各种病害雷达波形特征的分析,应用探地雷达对江苏某高速公路进行探测,并进行开挖验证,结果显示探地雷达能够探测路面内部结构病害,为该高速公路的改扩建提供了科学合理的设计依据和参考。以下为探地雷达检测结果,如图3~图6所示。


图3 路面空气脱空


图4 路面富水脱空

4 结论与展望


(1)通过对道路路面内部结构常见病害的成因进行分析,结合理论分析和数值模拟试验,分析了不同病害的雷达波形特征,为应用探地雷达对路面内部结构病害探测提供了分析思路和依据。

(2)将提出的路面内部结构病害特征应用于具体实际工程,取得了一定的成果,检测成果为该路的改扩建设计提供合理科学的设计依据,从而有针对性的对道路进行改扩建设计。

(3)探地雷达应用于公路路面病害检测,不仅能为公路改扩建提供参考,同时对道路的日常养护及早发现路面内部病害也具有较好的检测效果,能为养护单位节约投资。

(4)文章提出的路面内部结构病害雷达波形特征,对探地雷达在路面病害检测的应用有一定的促进作用,能作为同行业检测人员对路面结构病害的判别起到参考作用。


图5 路面结构基层疏松


图6 路面层间粘结不密实

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