地质雷达在路面脱空检测中的应用

王雯珊，向阳开，熊潮波

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.重庆市南岸区交通局，重庆 400060)

地质雷达在路面脱空检测中的应用

王雯珊1，向阳开1，熊潮波2

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.重庆市南岸区交通局，重庆 400060)

介绍了地质雷达探测法的基本工作原理;结合工程实例，将地质雷达探测法应用于水泥混凝土路面板底脱空的判定。首先进行测点选择和雷达参数调节，然后对雷达检测数据进行软件处理，即可判断路面板底脱空的位置，读出脱空点的长度及高度，并能初步判断脱空的原因。数据表明:与落锤式弯沉仪法相比，地质雷达探测法在路面脱空检测中具有更高的可信度;经钻芯复核，检测准确率达80%以上。

水泥混凝土路面板;脱空检测;地质雷达;落锤式弯沉仪

随着我国基础建设力度的逐渐加大，公路工程得到了迅速的发展，随之而来的公路病害逐渐引起了人们的重视。应用高效、经济的方法和技术来检测公路的质量情况，对于改善路面质量、减少维护经费、延长公路寿命等方面具有重要意义［1］。地质雷达具有探测效率高、无损性、高精度、抗干扰能力强、使用灵活方便等优点，能很好地检测路面板底的脱空等病害。但现今对于地质雷达在公路工程中的应用还较多停留在对隧道的断面尺寸、初期支护混凝土厚度和密实性、钢拱架间距及断面收敛变形等方面进行检查［2］，而在路面板底脱空检测中的应用还不广泛。笔者以水泥混凝土路面板底脱空检测为例，探讨如何有效的利用地质雷达对公路路面病害进行超前预报。

1 地质雷达的技术工作原理

地质雷达是基于地下介质电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标地质体的一种物探手段［2］。在探测过程中，由置于地面的发射天线将电信号转换为高频电磁波，并以宽频带短脉冲形式定向送入地下，而地层结构可以根据其电磁特性如介电常数来区分，不同介质对电磁波具有不同的波阻抗，所以当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，便会在边界两侧发生折射和反射，部分能量经反射返回地面，并被接收天线所接收，并转换成电信号。地质雷达进行脱空识别主要是利用了空洞中介质的介电常数与周边路面材料的介电常数的差异，如果刚性路面板下存在脱空，则路面体系中增加了两个反射界面，从而可以检测出底板脱空的路面。原理见图1。该检测技术不仅可以连续测量，而且不具破坏性，是一种行之有效的无损检测技术［3］。

当地质雷达应用于路面板底脱空的检测时，为了能达到检测的目的，要重视仪器参数的调节，尤其要合理的选择天线频率。就雷达系统本身来讲，天线频率越高，探测深度越小;反之，天线频率越低，探测深度越深。对同一天线频率来说，最大探测深度将取决于地下介质的电属性、探测目标体的尺寸大小以及目标体与周围介质的介电常数差异程度等因素。如果旧混凝土路面板底脱空高度在0～5 cm左右，根据道路材料介电常数和不同路面结构类型统计分析，当天线中心频率大于2 GHz时，地质雷达基本不能穿透旧混凝土路面板，即无法探测板底脱空情况。因此，地质雷达脱空检测天线中心频率上限值为2 GHz。从分辨率角度考虑，如果旧混凝土路面板底脱空高度在0.5～3 cm范围内，只有最小垂直分辨率小于等于3 cm地质雷达才能分辨脱空情况。因此探地雷达脱空检测天线中心频率下限值为900 MHz［4］。

图1 地质雷达检测示意Fig.1 Detection diagram of ground penetrating radar

2 应用实例

2.1 工程的概况

重庆市南岸区茶园黄明路于1998年通车，为双车道水泥混凝土路面。近年来，路面裂缝、断板、错台等病害严重，当地管理部门已对其裂缝、断板等进行过数次维修治理，但其效果不佳，治理后再次出现病害的情况严重。裂缝、破碎板等几乎都与板底脱空有关，而一些即使当时看来既没有破碎又没有裂缝的板块，其板底仍可能存在脱空［5］。

2.2 测点的选择

通过现场调查，采用传统的方法初步判断可能出现路面板底脱空的路段:当重车经过时，处于相邻板的人能感到板块的翘动;雨后观测板边接缝处出现唧泥现象;相邻板出现明显错台;填缝材料出现大量脱落等［6］。于是，根据上述方法初步挑选出黄明路K13+150～K13+400右侧(1#路)和 K15+520～K15+690左侧(2#路)作为此次试验的地质雷达检测路段。

理论计算［7-8］与实测数据表明，脱空一般都发生在刚性道面板的缝边与板角处［9］。脱空前期在行车荷载作用下，该处的受力状态类似于悬臂梁，会产生过大的应力、应变和竖向变形，极易导致路面板的断裂和破碎等损坏［10］，因而板边是检测的重点位置。

2.3 参数的调节

应用美国GSSI-SIR-20地质雷达对选取的路面板板边进行检测，通过对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析，便能了解地层的特征信息(如层厚、缺陷、空洞等)［4］。在实际检测中，还应注意的是，虽然从分辨率角度考虑，所选雷达天线的频率越高越好，但是中心频率越高其探测深度越小，所以应合理地选择天线中心频率，以兼顾探测深度和分辨率，且在整个检测过程中采用的参数要前后一致，以便于后期数据的对比。

2.4 数据的处理和分析

将现场检测数据通过GSSI软件RADAN处理后可得到相关图像。雷达数据的处理过程较为灵活，在处理过程中进行多次降噪和多次滤波处理，并时时观察其成像效果，以获得最佳图像效果。数据经过软件处理后如图2。该路段路面板下结构层之间由于材料不同，出现明显的层次，因而说明可以通过地质雷达检测出水泥混凝土路面结构层的厚度。由图2看出，该段路面相邻的结构层之间材料黏接良好，未出现空洞，所以可以判断1#路段第26号、第27号路面板板底情况良好且无脱空现象。

图2 1#路段第26、27号路面板检测示意Fig.2 Detection diagram of No.26 slab and No.27 slab of 1#road

1#路段第15号和第17号路面板形成了板底脱空，脱空处的介电常数和周围材料不同，反射信号强，图像上的反映如图3。圆圈处即为面层与基层之间出现的脱空点，而矩形框处则是基层不密实或欠密实出现的脱空，可以判断该处是由于基层出现问题，致使混凝土板的局部范围不再与基层保持连续接触，所以是由于基层出现问题而导致路面板下脱空。

图3 1#路段第15号、17号路面板检测示意Fig.3 Detection diagram of No.15 slab and No.17 slab of 1#road

由图4雷达检测2#路段第20号和第21号路面板的图像可见，圆圈处的基层出现严重问题，但基层和面层却黏接较好，经过现场勘查可以知道该路面上虽无断板现象，但有明显的错台，因而可以判断当基层出现不均匀支撑，路面板在荷载作用下，随着基层一起发生一定的沉降，这是发生路面断板的早期现象，如得不到较好的治理，久之就会发生断板现象。通过地质雷达的准确检测，可以对该位置处的基层进行治理，如大面积板底灌浆治理等，使路面板不再发生整体沉降。

图4 2#路段第20号、21号路面板检测示意Fig.4 Detection diagram of No.20 slab and No.21 slab of 2#road

利用雷达数据处理软件RADAN分析，还能大致读出各脱空点的长度及脱空点的最大高度(表1)，这为后期确定病害的治理方法和技术提供了方便。

表1 地质雷达检测数据Table 1 Detection data of ground penetrating radar

2.5 与FWD检测的对比分析

在水泥混凝土路面板下地基脱空评定中，国内外应用无损检测设备落锤式弯沉仪(FWD)已取得了很多成果［11］，在路面使用性能评价中得到了广泛的应用［9］。为了检验地质雷达对于检测水泥混凝土路面板底脱空的准确性，采用落锤式弯沉仪(Dynatest 8 000 FWD)对该路段进行对比检测，即检测同一点位置的脱空情况。结合试验路段的实际支撑情况，将处理后的FWD测量数据中的弯沉差Ld1(靠路中线的板角的弯沉值-路面板中心的弯沉值)大于110 μm或弯沉差Ld2(靠路中线的板边中点的弯沉值-路面板中心的弯沉值)大于45 μm作为板下脱空的判定标准，当Ld1大于210 μm为相对严重的脱空。通过比较两种仪器的检测数据发现，两种仪器对于路面板底脱空的检测结果大致相同，但也有一些路面板通过两种仪器检测后得到不同的结论，如表2。

表2 两种检测数据对比Table 2 Comparison of two kinds of detection data

2.6 钻心取样

就表2的测点进行钻芯取样，得出雷达检测出无脱空的路面确实不存在脱空，因而说明雷达检测比FWD检测具有更高的可信度。再对雷达检测出有脱空或无脱空的10块路面板进行后期钻芯复核，通过芯样长度判断水泥混凝土路面板底的脱空情况。可以看出，雷达对于路面板底脱空检测的准确率能达到80%以上，见表3。

表3 雷达检测与钻芯检测结果对比Table 3 Comparison of detection data between ground penetrating radar and drilling core

通过一系列的对比，可以看出雷达较FWD更能快速地、直接地、定性地检测路面脱空，但比较难于进行脱空处力学分析，而在很多路面检测中为了赶工期，往往不需要很精确的数据，因而选用地质雷达能够满足需求。

3 结语

地质雷达作为目前较为先进物探仪器，可以应用于水泥混凝土路面板底脱空的检测。通过合理选择检测天线、采集参数和计算机处理数据，地质雷达能快速、准确地检测出路面各结构层的厚度及脱空点的位置、长度、高度，并能初步判断路面板下脱空的原因，这种检测手段具有无损、便捷、连续、满足一定精度要求等优点。经过后期与FWD脱空检测结果的对比分析，以及对钻芯取样的观察分析，可以判断出地质雷达用于检测路面板底脱空较FWD检测更具有准确性，且准确率能达到80%以上。通过雷达对路面脱空情况的准确判断及预测，在公路路面病害超前预报中，为路面维修保养及安全营运提供可靠的检测数据，因而地质雷达拥有广阔的应用前景。

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Application of Ground Penetrating Radar on Detecting Voids of Pavement

Wang Wenshan1，Xiang Yangkai1，Xiong Chaobo2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Road Transport Bureau in Nan’an District of Chongqing，Chongqing 400060，China)

The basic tenets of the ground penetrating radar detection method were introduced;based on the engineering practice，the ground penetrating radar detection method was used in the cavity detection of cement concrete slabs.Firstly the test points were selected and radar’s parameter was accommodated;then the radar’s detection data which was coped with software could directly judge the position of the road’s voids，read the length and height of cavity，and obtain the preliminary judgment of the cavity reason.The data shows that the radar’s cavity detection，compared with the falling weight deflectometer’s has higher reliability;with the help of drilling core，the data’s accuracy of cavity detection can reach more than 80%.

cement concrete slabs;detecting voids;ground penetrating radar;falling weight deflectometer

U412.22

A

1674-0696(2012)04-0811-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.19

2011-12-16;

2012-01-05

王雯珊(1986—)，女，四川自贡人，硕士研究生，主要从事工程控制技术与结构设计方面的研究。E-mail:745260119@qq.com。