地质雷达在城镇道路结构病害检测中的应用分析
摘要
关键词
城镇道路；评估检测；道路结构；病害；钻芯取样；地质雷达
正文
1 引言
随着越来越多的城镇道路需要进行养护维修，道路评估检测需求十分庞大，而传统的评估检测手段均有效率低下等特点。特别是在对道路结构病害的检测中，传统手段主要是通过钻芯取样进行检测[1]，该方法效率低，钻芯取样测点选取代表性差[2]，同时由于城镇道路评估检测都是在交通开放的情况下进行，不仅妨碍交通，同时也增加了安全风险；地质雷达对道路结构层厚度和病害的检测具有高效、准确、无损以及不影响交通等优点。早期地质雷达在道路工程检测中的应用相对较少，主要应用于道路结构层的厚度检测[3, 4]，国外有学者将其应用于路面病害的检测[5]，而国内在高速公路路基病害的检测有过应用[1]，通过文献回顾发现，地质雷达检测技术在城镇道路结构病害检测中的应用普及程度较低，其适用性与检测结果的可靠性都需要进行讨论分析，因此本文通过工程实例对地质雷达检测技术在道路结构病害检测中的应用可行性进行分析，验证该检测技术的可靠性。
2 地质雷达检测技术
2.1 雷达工作原理
地质雷达的工作原理[2, 6]如图2.1所示。由电磁波理论可知，当雷达脉冲在传播过程中，遇到不同电性介质层界面时，由于上下介质层的电磁性质不同（即各介质层的介电常数不同）而产生反射与折射，如下图中雷达通过发射天线将电磁脉冲波发射出去，通过空气、面层、基层、路基等进行传播，在不同的介质层面又进行反射，通过接收天线接收反射回来的电磁脉冲波（图2.1（a）），从而形成一条扫描线（图2.1（b））；当雷达天线在一定速度下前进，电磁脉冲波在不断地发射与接收，一道道扫描线形成某一测试断面（图2.1（c））。
图2.1 地质雷达检测原理示意图
2.2 技术参数
雷达检测相关技术参数涉及天线中心频率、天线间距、时窗、采样长度[7]等。
2.2.1 天线中心频率
天线中心频率的选择主要根据所要探测道路结构层的厚度决定，即在满足探测深度的前提下尽可能地选取高分辨率的天线。一般天线的中心频率参考值可由下式进行计算，具体表达式为：
(2.2.1)
式中为天线中心频率（MHz），为垂直分辨率（m），为介质相对介电常数。
2.2.2 天线间距
对于天线间距，现有设备基本都采用收发一体式天线，其发射天线和接收天线之间的距离是恒定的，但是其间距需要满足不大于下式计算的最大间距：
(2.2.2)
式中表示发射天线与接收天线之间的最大间距（m），不能超过此间距；为探测深度（m）。
2.2.3 时窗
时窗表示的是雷达系统对反射波信号取样的时间范围，其值越大，说明记录的反射波信号对应的探测深度越深，一般选取探测深度为目标探测深度的1.5倍。其与探测深度和电磁波传播速度有关，具体表达式为：
(2.2.3)
式中表示时窗（ns），表示电磁波在某介质中的传播速度（m/ns）。
2.2.4 采样长度
采样长度表示的是在垂直于检测面的方向上，天线一次扫描采集到的信号点数；采样长度与雷达天线的分辨率有关，一般采样长度在保证设备容许的情况下，尽可能地增加其采样长度，提高雷达检测图像地清晰度，其值计算如下式：
(2.2.4)
式中表示采样长度，其值在保证天线垂直分辨率的前提下尽可能大，以此提高雷达图像的清晰度。
2.3 数据及图像处理
针对采集到的数据，因为各雷达检测系统不同，数据的处理也有所差异，大致的流程如下图2.2所示。
图2.2 地质雷达数据处理流程示意图
在对雷达图像进行识别分析的过程中，有三个要点。
要点1：反射波的振幅及方向，电磁波的反射与折射和传播介质相关，由反射系数R、折射系数T表示，具体表达式[2]为：
(2.3.1-1)
(2.3.1-2)
电磁波在非磁性介质中传播，遇到不同介电常数的介质时会发生反射与折射，由上式（2.3.1-1）公式可知，电磁波从介电常数小进入介电常数大的介质中时，反射系数R为负数，即反射波振幅反向；反之，从介电常数大进入介电常数小的介质中时，反射系数R为正数，即反射波与入射波振幅同向；且当界面两侧介质差异越大时，反射波振幅越大。常见非磁性材料介质的相对介电常数[7]见下表2.1。因此，通过反射波的振幅大小及反射波与入射波的方向可以判断介质的性质。
表2.1 常见非磁性材料介质的相对介电常数
材料 | 空气 | 水 | 干砂 | 湿砂 | 沥青 | 干混凝土 | 湿混凝土 |
相对介电常数 | 1 | 81 | 3～5 | 25～30 | 3～5 | 4～10 | 10～20 |
波速（m/ns） | 0.30 | 0.033 | 0.13～0.17 | 0.055～0.06 | 0.13～0.17 | 0.09～0.15 | 0.07～0.09 |
要点2：反射波的频谱特性可以用来区分不同介质的依据，如下图2.3所示，低频、中频、高频的反射波频谱的性质可以很明显的区分各介质层的分界面。一般如混凝土和岩石相比，混凝土内部较均匀，因此内部反射波较少，只有在缺陷部位才有明显的反射；而岩石内部因为结构复杂，因此其内部反射明显，且多高频反射波。
图2.3 不同介质反射波特性示意图 图2.4 同向轴形态特征示意图
要点3：反射波的同相轴形态特征是用来解释判断道路结构病害现象的基础。它根据同一连续界面的反射信号形成同相轴，并根据其时间、形态、强弱以及正反方向来进行识别判断。
因此，结合采集到的雷达数据，并经过数据处理形成的雷达图像，对其进行分析，主要是三个步骤：①图像分析的时候，需要结合多个剖面图的信息，找到其相关性，找出不同图像中相似的信息，进行对比分析；②要结合现场的实际情况反复与测得的雷达图像进行对比分析；③将以往经典的缺陷图像特征与采集到的雷达图像进行对比分析，最终确定结果。
3 工程应用实例
3.1 项目概况
本文以上海市奉贤区某道路工程项目为例，该段落全长约15km，里程桩号为K5+740～K20+740；现状道路为双向6车道，4个机动车道和2个非机动车道，路面材料为沥青混凝土面层。该道路由于大量的车流量以及重车行驶，导致路面出现部分严重损害，龟裂、沉陷、车辙等病害现象十分普遍，如下图3.1所示。这些病害已经严重影响了行车舒适性及行车安全性。
（a）龟裂 （b）沉陷 （c）车辙
图3.1 路面典型病害示意图
3.2 检测准备与测试
本次试验采用的雷达设备为美国GSSI公司生产的SIR-30E型地质雷达，结合《雷达法检测混凝土结构技术标准》JGJ/T 456-2019以及《公路路基路面现场测试规程》JTG 3450-2019中关于天线中心频率与探测深度之间的关系[7, 8]，总结出表3.1不同中心频率天线的探测深度及其应用场景。
表3.1 不同中心频率天线的探测深度及其应用
天线主频 MHz | 脉宽 ns | 探测深度 m | 参考值 m | 应用情况 |
1500 | 0.8 | 0.2～0.5 | 0.3 | 道路面层、混凝土结构、钢筋、缺陷检测 |
900 | 1.0 | 0.5～1.0 | 0.7 | 道路面层、基层、混凝土、钢筋、缺陷检测 |
400 | 2.5 | 1.0～5.0 | 3.0 | 工程市政管线、隧道衬砌结构、缺陷检测 |
200 | 5.0 | 1.0～9.0 | 5.0 | 浅层地质、市政管线、环境勘察 |
根据上述表格的情况，本次采用的天线中心频率为900MHz，测线布置根据每车道中心线进行布设，主测机动车道，布设4条测线。然后对目标物进行标定，即介质参数进行标定，主要采用钻芯反算法[9]。该方法是通过对现状路面结构层进行钻芯取样，获得现有路面结构层的厚度，并通过测试其在该介质中的传播时间，反算介质的介电常数：。标定结束后，即可开始进行测试。
3.3 检测结果讨论
（1）路面结构层厚度对比
通过钻芯取样和雷达测试的路面结构层厚度情况见下表3.2所示。
表3.2 地质雷达和钻芯厚度数据对比表
桩号 | 结构 层次 | 雷达测试厚度 | 钻芯厚度（cm） | 测量偏差 % | ||
平均值（cm） | 标准差（cm） | 代表厚度（cm） | ||||
K5+740～K8+100 | 面层 | 28.72 | 3.89 | 28.4 | 16.1 | 76.4 |
基层 | 33.23 | 3.06 | 32.9 | 无* | / | |
K8+100～K10+800 | 面层 | 30.09 | 3.62 | 29.8 | 27.6 | 8.0 |
基层 | 32.84 | 2.63 | 32.6 | 无* | / | |
K10+800～K13+100 | 面层 | 29.13 | 3.29 | 28.9 | 27.4 | 5.5 |
基层 | 32.31 | 2.11 | 32.1 | 30.4 | 5.6 | |
K13+100～K15+400 | 面层 | 29.88 | 2.75 | 29.6 | 27.1 | 9.2 |
基层 | 32.67 | 2.47 | 32.4 | 36.0 | 10.0 | |
K15+400～K18+000 | 面层 | 29.03 | 3.25 | 28.8 | 24.5 | 17.6 |
基层 | 32.61 | 2.46 | 32.4 | 38.0 | 14.7 | |
K18+000～K20+740 | 面层 | 27.89 | 3.99 | 27.6 | 22.5 | 22.7 |
基层 | 32.52 | 2.59 | 32.3 | 37.2 | 13.2 | |
注：*表示钻芯时该部位结构层破碎，未取出芯样。
由上表数据可知，除了第一段K5+740～K8+100雷达测试路面结构层厚度中的面层与芯样钻芯结果误差较大外，其余段落雷达测试厚度结果中面层和基层与钻芯结果的测量偏差均在5%～20%之间，但是本次钻芯的点位选取离散性较大，并不能够据此判断雷达检测厚度的精度，只能作为参考，但也从侧面说明雷达检测路面结构层厚度在精度要求不高的前提下具有一定的可行性。
（2）路面结构病害对比
根据现场的钻芯结果，挑选了部分与钻芯桩号接近的雷达检测病害图进行分析，其芯样与雷达检测图如下：
图3.2 K13+200处芯样与雷达病害检测图
图3.3 K18+000处芯样与雷达病害检测图
图3.4 K19+120处芯样与雷达病害检测图
根据上述钻芯取样的结果和雷达检测病害的结果，将其汇总至表3.3。
表3.3 雷达病害检测与钻芯取样结果对比表
芯样 里程桩号 | 芯样描述 | 雷达剖面 里程桩号 | 雷达检测剖面 病害描述 | 图片编号 |
K13+200 | 面层完整，基层材料为三渣，基层破碎，整体性差 | K13+270～K13+290 | 基层密实性差，且部分含水 | 图3.2 |
K18+000 | 面层、基层芯样完整 | K17+915～K17+935 | 基层密实性差且松散 | 图3.3 |
K19+120 | 面层、基层芯样较完整，基层底部有部分破碎 | K19+100～K19+120 | 基层密实性较差且松散 | 图3.4 |
从钻芯取样和雷达检测的对比图（图3.2～图3.4）以及整理的结果对比表3.3可知，图3.2中芯样显示道路面层结构完整，但是基层破碎，不成型，整体性差，雷达检测图中显示在该钻芯区域附近确实存在基层不密实的情况，且还能看出部分含水的病害；图3.3中芯样显示面层、基层的结构完整，整体性好，但雷达检测中发现在K17+930附近存在基层不密实、松散的情况，因此该处钻芯未能完整体现该段落的道路结构病害面貌；图3.4中芯样显示面层、基层结构完整密实，表明该段落道路结构层良好，但雷达检测图显示在K19+110处存在基层不密实、松散的情况，与钻芯结果不一致。综上，说明钻芯取样可以部分反应道路结构的病害，但不能完整地呈现整体病害的情况，因此，雷达检测技术在城镇道路评估中应该加大使用频率，提高我们检测的精度与效率。
4 结论
地质雷达检测道路结构病害，不仅可以检测路面结构层的厚度，还可以完整地呈现道路整体结构病害的情况。在对上海市奉贤区某道路评估检测项目中进行了钻芯取样和雷达检测路面结构层厚度及路面结构病害的对比，验证了雷达检测路面结构层厚度在精度要求不高的前提下具有一定的可行性，同时也验证了雷达检测路面结构病害与钻芯取样检测的一致性，且弥补了钻芯检测路面结构病害不全的缺陷，上述的验证情况证明了地质雷达检测道路结构病害具有一定的可靠性。
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