探地雷达在公路工程检测中的应用分析.docx

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Summary：探地雷达是一种电磁设备，通过高频电磁波的反射，对目标物体和地质界面进行检测。作为一种在地球物理勘探中广泛使用的电磁探测技术。它能有效地弥补目前许多测试方法所不能达到的测试目标，并能有效地解决工程问题。本文首先针对公路工程检测要求展开分析，其后具体探讨了探地雷达检测原理及其应用要点，并围绕工程案例分析了探地雷达在公路工程检测中的应用，以期可供参考。
Keys：公路工程检测；探地雷达；原理；应用；工程案例
1引言
公路在长期使用中会受到各种因素的影响，因此需要定期检测以确保其综合性能。为了避免影响交通和破坏公路原有结构，采用无损检测技术（NDT）进行测试。近年来，由于无损检测技术具有非破坏性、速度快、精度高、携带方便、交通影响小等优点，已广泛应用于公路检测。
无损检测技术是一种非侵入性的测试技术，可以在不影响公路正常使用的情况下对其结构进行检测。这些技术包括声波、超声波、磁粉检测、液体渗透检测
和X射线检测等。这些技术的使用可以帮助检测公路表面的裂缝、损坏、变形等问题，以及更深层次的结构问题。这些检测结果可以用于评估公路的安全性和可靠性，以便采取必要的修复措施。
2探地雷达检测原理及其应用要点

探地雷达是利用电磁技术对被测介质中出现的异常进行非破坏性探测，并对异常区域的空间进行准确的定位。在探地雷达中使用的是高频电磁脉冲，在工程勘察和监控中，都是以位移电流为主要损耗介质。
在此介质内，反射系数与波速的决定性参数是介电常数。
式(1)和式(2)中:ε为相对介电常数;r为反射系数;c为光速;v为速度;1为上介质;2为下介质。空气、水相对介电常数分别是1、81。
在实际探测过程中，介质波速v、天线距x以及信号返回时间t已经确定，如此，研究对象的界面表征距离通常能表示成:
鉴于此，能明确异常电性界面距离，之后还能借助波形异常区间的形态规格，分析研究对象的具体尺度。

针对雷达波的特征，对雷达资料进行了处理，并对其进行了以下步骤：
①偏移处理。从野外采集到的探矿资料,经常会产生振幅为正、负半圆不均匀的现象,这是由于资料中包含了直 流漂移,必须对资料进行补偿。
②静校正。在对雷达资料进行处理时,往往需要对雷达资料进行一个统一的基准面,而这种基准面一般是路面 的。
③能量增益。地下介质的反射系数和探测距离等因素会对雷达信号的强度产生影响，而强度差异过大会对数据的解释产生困难。因此需要对信号进行增益处理，以提高信号的强度，并使不同深度处的信号幅度差异较小，以便于后续的解释和分析。
④数字滤波。探地雷达在采集数据时，受到现场环境的影响，容易产生噪声，因此需要对采集到的数据进行数字滤波处理，去除噪声，提高数据质量和可靠性。
⑤滑动平均。滑动平均是一种数据平滑方法，通过去除掉图像中的噪声和毛刺等，使得图像更加平滑和干净，提高图像的可视化效果和可解释性。
3探地雷达在公路工程检测中的应用分析


在不密实范围内与高含水范围内，由于不密实区域的土壤与周围密实区相比，地基不密实的主要原因在于：在不密实区域的土体与周围的密实区土的电性差别很大，在雷达波形图中，一般表现为不密实区的边界处的反射波在相轴上存
在明显的偏差，而且在不密实区的波形均匀性好，利用波速和时间可以得到不密实深度与实际类型，因此，可以在不密实范围内与高含水范围内进行探测。

在路基脱空探测过程中，脱空空洞会导致重复反射波增强，并且在相对较长的时间内不消散，而侧向反射波相对较弱，因此局部孤立的特性非常突出。反射和入射波是同向的，而地面表层反射波则是完全不同的，如果能准确地判断出空洞的反射时间，就能确定空洞的深度和范围，从而达到检测路基空洞的目的。

地基沉降会引起路基断面的位移和位移。在雷达剖面上，路基沉降的异常表现为同相轴不再在一个水平面上，产生了倾斜，而沉降的深度和宽度则反映了路基沉降的深度。

由于地下裂缝和非均匀体的存在，会对雷达的电磁效应造成一定的影响，从而使雷达的波形发生扭曲，但实际情况与地下裂缝和非均匀体的区域有一定的关系。如果路基上有空洞、裂缝等，则会被认为是低频、振幅较大的非规则反射波。
图1(a)是某市政道路路基裂缝探测示意图，借助图像解析的方式，能得出结论:地层架构被影响;5～11m范围中的直线标注点反射波出现同相轴错动的现象，因此能得出结论:裂缝问题已经产生。

借助雷达波能体现滑动面左右侧反射波波形的差异性，能明确滑动面的走向与具体位置。图1(b)中L1横测线0～2m范围分析是地层被严重影响;～、5～6m深度区域中所表现出来的异常状态分析是管道修建所导致的空洞问题;5～10m范围内斜线标注点反射波出现同相轴错动的现象，分析是此处构成滑动面。
图 1 路基裂缝病害雷达探测图


基层缺陷测定雷达剖面见图2。
图 2 基层缺陷检测典型雷达剖面图
(1)基层松散。
基础上的松散雷达的异常剖面如图2 A所示。当基层发生局部松动时，材料与周围的均匀介质之间会产生一定的差异，如果雷达波穿过了这片松软的区域，那么它的介电常数就会发生变化，从而导致波形的变化，与普通的雷达波相比，层状波形的数量要比普通的雷达要小得多。
(2)基层部分脱空
在雷达剖面上，基层部分脱空显示为多次反射波的发育状态是异常的，并且波形时弧形，详见图2(b)。
(3)基层破碎测定
部分基层因密实度均匀性差，填筑密实性差，加之受过重负荷的反复撞击，以及大量的地表水和地下水，造成了较大的破坏，其反射波的波形不稳定，起伏很大，如图2 C所示。

首先，针对沥青路面的厚度，可以采用雷达资料和统计仪器自动计算反射时间，并测量井厚或振幅来计算波速，从而得到面层的真实厚度。其次，沥青面层的压实度和空隙率可以通过雷达反射波波幅得到沥青结构层复合介电常数，以及相应的关系式计算实际压实度和空隙率。此外，对于路面病害测定，可以通过不同的方法检测不同类型的问题。例如，针对沥青面层剥落，可以利用回波内波峰数量来判断剥落问题的严重程度。对于路面结构层裂缝，可以利用多层均匀层状介质中垂直裂缝的雷达波响应特征来获取裂缝的详细信息。而对于水泥混凝土面层脱空，可以根据反射系数的变化来判断有没有剥落问题，并通过反射率的变化来判断空隙的性质。这些检测方法和技术可以有效地帮助工程师们评估路面施工质量，并及时发现和解决可能存在的问题。
4实例探析探地雷达在公路工程检测中的应用

某公路路面的上面层采用4cm厚的AC-13C沥青混合料，中面层采用6cm厚的AC-20C沥青混合料，下层采用8cm厚的AC-25C沥青混合料。这些沥青混合料分别由沥青、矿料骨料和一些添加剂按照一定比例混合而成，以提供路面的防水、抗裂和抗剪强度。公路路面下面是36 cm厚的水泥稳定碎石基层，由水泥、石子、碎石和砂等原材料混合而成，以提高路面的承载力和稳定性。最底部是18 cm厚的石灰粉煤灰地基，由石灰、煤灰和其他填料混合而成，以提供路面的基础支撑和防止土壤沉降。

本次随机选取47条裂缝取芯共取芯样62个，取芯有效桶长300mm，而面层+基层设计厚度为360mm，因此芯样面层基层分离，但保持了完整。对所有芯样进行统计，具体的芯样统计结果如表1所示。
表1芯样统计结果
路面结构
面层
基层
全部完好
病害类型
面层裂缝
层间不良
密实度不足
面层裂缝
裂缝
松散
为取出部分
全部完好
数量
60
26
13
10
25
13
6
2
占比
97%
42%
21%
16%
40%
21%
3%
表格1展示了对路面芯样进行破损分析后的统计结果。共取样62个，其中60个存在面层裂缝，占比达到97%；26个存在层间不良，占比为42%；13个存在密实度不足，占比为21%。在基层方面，共有25个裂缝，占比为40%；13个松散，占比为21%；6个为取出部分，占比为10%；2个完好无损，占比为3%。


通过对目前应用成熟的商业化三维探地雷达的前期调研，三维探地雷达主要包括频域雷达（步进频率天线）和时域雷达（同频率天线）两种类型。步进频率天线的带宽为100～3000MHz，～10m的深度，更加适用于对未知深度缺陷的探测。而同频天线则是以相同频率的天线交叉等间距排列构成，可以更准确地探测到一定深度的缺陷。在三维探地雷达上，利用步进和同频两种不同的方法进行了试验，结果表明：步进频率天线在路面结构中的损伤识别率很低，而平面图像的成像效果也很一般，不适合检测路面的缺陷；如果使用1300 MHz的高频天线阵列，则可以进一步改善道路病害的识别率。

对经人工步检和钻心采样的路段，进一步利用探地雷达对路面裂缝进行探测和分析，以确定沥青路面上的半刚性基层有无开裂或其它损坏情况。采用雷达探测的方法：沿着轮迹线进行连续的探测，并在裂纹上作记号，
检测到的典型裂缝雷达图像如图3所示。
图3雷达检测的裂缝在路面内部的不同状况对比图
根据图3中的雷达成像结果，可以看出，在道路内部，沥青路面的裂纹主要有两种类型，一种是如图3A所示，裂缝所在的道路内侧只有裂缝处有信号加强，因此只有内部裂缝，周围没有松散、层间不良等缺陷，统称这种裂缝是“单一型”，没有隐藏的缺陷；如图3B所示，裂缝所在的道路内侧裂缝附近都存在信号加强，因而路面内部既有裂缝，又有松散、层间不良等病害，并有一定的危害，统称为“面积型”的隐蔽性裂缝。