探地雷达技术在公路质量检测中的应用
2012-01-31 来源：中国百科网
随着我国高速公路的快速发展,无损检测技术的作用也日益明显。新建公路质量的检测任务日益加重,公路的后期维护过程中,路况质量评价的工作量也会急剧增大,在不影响车辆正常行驶及不破坏路面原有结构的前提下,为准确控制公路工程的建设质量和评价公路的运营使用情况,采用高科技的无损检测技术是必然要求。
一、探地雷达的公路质量检测技术基本原理
公路探地雷达的基本原理，是将一个宽频谱，脉宽为亚毫微秒量级的无载波脉冲加宽到宽带色散时域保形发射天线上，并有效的辐射到地下，当脉冲波在地下传播过程中遇到介质面，目标或其他局域介质不均匀体时，一部分脉冲波能量反射回地面，由宽度非色散时域保形接收天线将探测到的地下的反射回波接收并传输到时域宽带接收机，然后再转化为数字信息来进行数字信号的处理探地雷达应用技术从事探地雷达生产、服务的厂商日益增多,目前市场推出的探地雷达主要有：①美国地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系列；②加拿大探头及软件公司（SSI）的PulseEKKO系列；③日本应用地质株式会社（OYO公司）的GEORADAR系列；④瑞典地质公司（SGAB）的RAMAC钻孔雷达系统；⑤意大利IDS公司的RIS系列；⑥加拿大路用雷达有限公司的（RRI）路用雷达等。
二、模型检测
在对探地雷达原理及相关技术进行研究的基础上,对实际路面进行了检测,以此来检验方法技术的有效性,使用的仪器配置为LTD-2000系列探地雷达,500M及900M屏蔽天线。
为了更准确地评估探地雷达的探测性能,设计了一系列模型,模拟了公路结构中存在的脱空、剥落、空穴等病害,通过对这些模型的检测,对探地雷达探测性能做出定性或半定量的评价。
1．并列钢筋检测
设计此项实验是为了分析探地雷达对于地下点状或“类点状”目标的探测性能（杆状、线状物体与GPR测线垂自时,相当于点状目标）。金属是良导体,当入射的电磁波到达其表面时就会产生电磁感应,进而发生强烈的反射作用,通常称为“全反射”,其反射系数约为－1,即入射电磁波能量几乎都被反射。
2．PVC管检测
PVC管介电性质与空气近似,可用来模拟公路结构中的空穴,首先将一根直径25mm的钢筋和两根直径50mm的PVC管水平排列进行检测。反射界面上下介质的介电常数差异越大,则反射系数越大,反射回波幅值就越强,所得图像就越清晰。金属对雷达波几乎是“全反射”,反射系数为－1,而空气相对介电常数为1,干沙介电常数为～6,因为空穴与围岩交界面反射系数明显小于金属反射系数,因此其反射回波能量较弱,所得图像较模糊。
3．变埋深钢筋检测
由于信号哀减及散射,来自地下深处的目标体反射信号远不如浅部目标体响应强烈,该试样用来检验雷达系统探测深度,钢筋被安放在沙土表面以下12cm及28cm的深度。深度较大时由于信号哀减,回波幅值减弱,但其双曲线形态却更显著。另外,适当提高天线移动速度也有助于得到平滑的图像。
三、公路工程基本要求
路基和路面是公路上程的主要结构物,共同承担车辆的荷载作用。路基的强度和稳定性是保证路面平整度、强度和稳定性的重要条件之一,路面质量对车辆的行驶速度、载荷能力、燃料消耗、机械磨损、行车舒适,以及交通安全都有极大影响,所以为保证公路的正常使用性能,必须对路基、路面进行经常性的、预防性的、科学合理的养护,使其经常保持良好的服务
水平,并有计划地对原有路面进行改善、提高,以适应交通发展的需要。
1．对路基的基本要求
路基是公路的主体,它贯穿公路全线,并与沿线的桥梁、隧道和涵洞等相连接,路基又是路面的基础,它与路面共同承担汽车载荷的作用,路面靠路基来支撑,没有稳固的路基就没有稳固的路面。常见的路基形式有路堤、路堑、填挖结合三种。
路基的强度和稳定性是保证路面强度和稳定性的先决条件,提高路基的强度和稳定性,可以适当减薄路面的结构层厚度,从而达到降低上程造价的目的。因此除要求路基断面的尺寸符合设计外,路基应满足下列基本要求：具有足够的整体稳定性；具有足够的强度和刚度；具有足够的水温稳定性。
2．路面的损坏模式
由于荷载、环境、材料组成、结构组合、施上和养护等条件的差异,路面损坏的形式是多种多样。大致有三种类型,裂缝类（如纵向裂缝、横向裂缝、网状裂缝、块状裂缝等）变形类（如凹陷、隆起、车辙、搓板、推挤、拥包等）和表面缺损类（如露骨、松散、剥落、坑槽等）。沥青路面常见的损坏模式分为以下几种：沉陷、车辙、推移、开裂、低温缩裂和反射裂缝、松散和坑槽。
这些病害的产生必然导致路面结构的变化,从而改变原有路面结构各层的界面,或者产生新的异常界面,在探地雷达检测剖面中均能得到体现,通过与正常路段的对比,很容易在探地雷达检测剖面中识别这些异常,达到路基、路面质量检测的目的。
四、探地雷达在公路工程中的应用
路用探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、高分辨率、实时成像探测等特点,它在精确检测路面层厚度的基础上,可以成功地探测公路结构层病害,有利于公路的维护与保养,为交通部门提供了一种高效先进的无损检测手段。路用探地雷达以其独特的优越性,己经渗透到公路施上及后期检测养护的全过程,在公路建设前期可利用探地雷达对地质基础进行勘查探测,确定地质结构,划分不良地质体；在施上过程中,利用探地雷达可以全面准确地检测出路面结构层厚度,从而保证施上质量；在公路运营阶段,运用GPR进行公路日常检测,及时发现各种隐患,对于指导公路养护维修,延长公路使用寿命具有重要意义。
探地雷达在公路上程中的应用最初是作为测量路面层厚的上具而出现的,随着探地雷达应用技术的发展成熟,GPR在公路质量控制及病害检测方面都取得了一定成效。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高,穿透深度越小：频率越高,穿透深度越小,反之亦然。对于公路检测而言,水泥混凝土面层的导电率高于沥青混凝土面层的导电率,因此相同频率的雷达波在沥青混凝土面层中的穿透能力大于大水泥混凝土面层中的穿透能力。在实际检测上作中,探测沥青混凝土面层应使用频率大于1200MHz的天线,而对于水泥混凝土面层2500MHz天线一般难以穿透,只能使用900～1000MHz的天线；探测基层可使用频率为800～1000MHz的天线,探测路基可使用频率为300～900MHz的天线。
五、结束语
公路探地雷达检测技术作为高新技术在公路建设与养护中的应用，突出了高效、无损、快速、连续等一系列超强特点，它的使用大大提高了公路建设过程中的检测效率和检测精度，为道路建设过程中质量的提高提供了有力的监督保障手段，而且对检测数据的整理分析后形成道路建设质量检测数据库，明确划分出各检测路段中存在的问题及需要注意的薄弱路段，指导道路工程后期的养护与管理，作到有的放矢，这对于节约养护经费、保证养护质量是十分有利的。
