基于反射系数法的探地雷达快速无损检测技术研究

赵志强，蒋龙松

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112）

基于反射系数法的探地雷达快速无损检测技术研究

赵志强，蒋龙松

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112）

分析不同路面材料介电常数获取方法的优劣，研究基于反射系数法的探地雷达快速无损检测沥青路面厚度、压实度方法。实体工程数据表明，测试结果具有较高的精度和准度。

无损检测；探地雷达；反射系数；厚度；压实度

1　概 述

探地雷达GPR通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度，是国内外技术最为成熟、应用最为广泛的快速无损检测方法。

路面材料介电常数获取方法至关重要，是探地雷达无损检测技术的核心，直接影响到测试结果的精度和准度。我国《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）要求采用钻孔取芯标定法，获取路面材料介电常数，计算路面结构厚度。本文采用真正“无损”的反射系数法获取路面材料介电常数，实现探地雷达测试沥青路面厚度、压实度，达到快速、高效、无损评判路面结构层状况的目的。

2　介电常数标定方法

探地雷达测试的对象是路面结构层中的介质。介质物理学中，介质的介电特性由介电常数，磁导率和电导率来描述，对于常见路面材料，大都属于非磁性材料，所以在实际应用中为简化计算常把其磁导率认为是1，而电导率对电磁波传播特性的影响已蕴含在介电常数的虚部中。因此，介电常数是路面材料介电性能最重要的参数。

路面材料介电常数获取方法主要包括：介电常数法、钻孔取芯法、反射系数法、几何刻度法、共点中心法、霍夫变换法等。钻孔取芯法直接通过取芯测量来对介电常数进行反算标定，原理最为简单、应用最为便捷，意大利IDS公司的RIS系列雷达推荐采用钻孔取芯法；反射系数法理论成熟，且能做到真正的“无损”，也越来越受到国内外研究者的重视，美国劳雷工业公司的SIR系列雷达主推反射系数法。几何刻度法、共中心点法、霍夫变换法，主要用于分体式天线，实际操作过程比较复杂，实体工程应用较少。

2.1钻孔取芯法

钻孔取芯法就是在探地雷达测线上随机选取一点钻孔取芯，量其实际厚度。用剖面上该点的双程走时和实际厚度二个参数，便可标定探地雷达波在该标定层内的介电常数。我国《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）要求采用此方法标定计算介电常数，公式为：

其中：Δt为剖面上该点的双程走时，ns；c为电磁波在空气中的传播速度，取300 mm／ns；H为该点实测厚度，mm。

钻孔取芯标定法的应用前提条件时假设沥青路面介质是均匀的，电磁波传播速度相对不变，即单个钻孔点标定出的速度可代表全段的速度；当然，沥青路面介质并不是完全均匀，其介电特性也会有轻微的差别不同。大量工程实测数据表明，在同一标定内钻孔标取芯定法的波速误差通常为2%，还是相对比较精确的，是现在应用较多的一种方法。

实际测试过程中，可以取若干个钻孔点的波速均值作为测试计算用波速，也根据施工单位和材料的不同，将测试路段分成若干段，每段采用本段所测得的电磁波速。

2.2反射系数法

反射系数法是利用反射系数与反射波的关系，根据电磁波在上一结构层中的传播速度以及电磁波在空气中的传播速度为定值，利用该定值便可推导出其在下一结构层中的传播速度。

反射系数法具体实施方法如下：在路面上放置一块金属板，得到全反射振幅Am，鉴于金属板是全反射体，有反射系数Rm=1；当去除金属板时，从路面接收到反射振幅A1；然后根据分界面的反射系数与该介面的反射波幅关系及其反射系数定义，可以求出第一层波速V1及以下各层波速Vn。

图1　反射系数法示意图

3　路面厚度无损检测技术

探地雷达测厚效率是传统方法所无法相比的。为规范使用方法，普及先进技术，提高试验检测的质量和效率，2008年修订《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）时将其纳入，成为我国交通行业工程标准试验方法，编号：T 0913-2008短脉冲雷达测定路面厚度试验方法。

T 0913-2008简单的规定采用钻孔取芯法获取路面材料的介电常数，但如前所述反射系数法的应用也日益广泛。故本文借鉴参考T 0913-2008所述的测试步骤和方法，采用中心频率为1 GHz的Wavebounce型探地雷达，在某二级公路改建工程进行探地雷达厚度测试试验。现场试验过程中，采用反射系数法获取路面材料介电常数；同时，辅以钻孔取芯法，研究验证反射系数法获取路面材料介电常数的可靠性和准确性，见表1。

从上表可以得出，两种方法的介电常数测试结果基本一致，说明反射系数法具有较高的精度和准度，完全可用于探地雷测定路面厚度试验，逐点获取路面材料介电常数，逐点计算路面结构厚度，测试结果更加详尽、客观、公正、准确。

4　路面压实度无损检测技术

探地雷达检测沥青路面压实度的原理也与路面材料的介电常数有关。沥青混合料的介电常数由固液气三相比例决定，沥青混合料被压实时，空气含量减少，沥青和骨料的含量相应增加，沥青混合料的相对介电常数也随着变大，即介电常数与现场空隙率负相关。

如何建立介电常数与空隙率的关系模型是探地雷达测试沥青路面压实度的核心。近些年，国内外开展了大量关于转换关系模型的研究，其中比较权威、经典是芬兰pank的空隙率计算模型：

其中：y为空隙率，%；A、B为模型参数，回归计算得出；εx为介电常数。

美国、德国等欧美国家均采用上述模型检测计算沥青路面现场空隙率。本文也推荐采用此模型，具体方法如下：根据反射系数法获取的路面材料介电常数数据，选取介电常数分布跨度比较大的5个点进行现场取芯，并测试芯样现场空隙率。即可利用现场空隙率和介电常数数据回归计算模型参数，然后计算全线各测点的现场空隙率，分析评价测试路段的压实度状况。本文采用中心频率为1 GHz的Wavebounce型探地雷达，在某高速公路进行探地雷达压实度测试试验，见图2～图3。

图2　介电常数与现场空隙率转换模型

图3　测试路段压实度随里程变化

5　实体工程应用

5.1工程概况

扬州市S331省道是省干线公路网中重要组成部分，同时也是扬州市公路网“八纵十横”中的一条，直接连接着京沪高速公路，在周边公路网中发挥着重要作用。宝应运东段桩号为K110+000～K119+000，标段全长9.0 km，现有路面宽度9 m，土路肩宽2×1.5 m，公路等级为二级公路，日平均交通量约6 000辆／昼夜。测试路段维修改造方案为铣刨原路面两层沥青面层（4 cm+5 cm），然后进行基层18 cm水泥就地冷再生，最后回铺4 cm普通沥青Sup13上面层+6 cm厂拌温再生普通沥青下面层。

5.2检测过程

扬州S331省道改造工程交工验收过程中，采用中心频率为1 GHz的Wavebounce型探地雷达进行沥青加铺层厚度、压实度检测，具体的检测参数如下：采样间隔为10 m、测试速度为60 km／h、介电常数获取方法为反射系数法。参照T 0913-2008短脉冲雷达测定路面厚度试验方法进行路面结构的电磁信息采集，结束后将金属板放置在天线正下方，启动控制软件的标定程序，获取反射系数法标定路面材料介电常数的相应参数。

图4　Wavebounce型探地雷达厚度、压实度检测

5.3厚度测试结果

扬州S331省道宝应运东段改造工程沥青加铺层厚度检测结果，见表2和图5。

表2　沥青加铺层厚度检测结果汇总表

图5　沥青加铺层厚度随里程变化

5.4压实度测试结果

扬州S331省道宝应运东段改造工程沥青加铺层现场压实度检测结果，见表3和图6。

表3　沥青加铺层现场压实度检测结果汇总表

图6　沥青加铺层现场压实度随里程变化

6　结 语

路面材料介电常数获取方法是探地雷达无损检测的核心。反射系数法获取的路面材料介电常数与钻孔取芯法基本一致，具有较高的精度和准度，且能真正做到“无损”，在探地雷达无损检测沥青路面厚度、压实度方面应用前景广阔。

［1］ 中华人民共和国交通部.《公路路基路面现场测试规程》（JTG E600-2008）［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 耿玉岭，贾学民.公路路面无损检测中的探地雷达技术研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］ 黎春林.探地雷达检测路面含水量、空隙率和压实度的应用研究［D］.郑州：郑州大学，2003.

Base On Reflection Coefficient Method Of GPR Rapid Nondestructive Testing Technology Research

ZHAO Zhi-qiang，JIANG Long-song
（JSTI GROUP，Nanjing，Jiangsu 211112，China）

The paper analyzes the advantages and disadvantages of different methods to obtain the dielectric constant of the material surface，the reflection coefficient based on GPR asphalt pavement thickness，degree of compaction method for rapid non-destructive testing.Entity engineering data indicate that the test results with high precision and accuracy.

non-destructive testing；GPR；reflection coefficient；thickness；degree of compaction

U415.5

C

1008-3383（2016）10-0166-03

2016-07-22

赵志强（1983-），男，辽宁绥中人，工程师，从事道路检测研发工作。