基于探地雷达和高速弯沉仪的结构内部状态评价

1 结构内部状态检测设备及基本原理

1.1 探地雷达检测设备及基本原理

探地雷达是用高频无线电波确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法，它通过发射天线将宽带电磁波以脉冲形式辐射到地下，探测地表之下或不可视物体的内部结构。由于电磁波在介质中传播时因地下不同物体或介质的差异会对电磁波进行反射，接收波的双程走时、幅度、相位等波形特征形成连续的雷达剖面图像，对该图像进行分析可得到结构层厚度、目标的深度和地下介质的构造等信息(见图1)。

利用探地雷达，通过选择不同频率的天线可实现从面层、基层到路基不同深度的探测，探测过程连续，探测生成的数据包括灰度图及振幅、走时等原始数据，可采用直观判识和数据分析两个途径对结果进行分析。

图1 雷达检测示意图

该文采用高动态探地雷达，其检测速度达80 km/h，可实现快速检测。它基于最新的实时采样技术，只需发射一次雷达脉冲信号，即可采集完整波形。天线频率取为750 MHz，检测车道及位置为车道右轮迹。

1.2 高速弯沉仪检测设备及基本原理

激光式高速弯沉测定仪是以正常车流速度利用多普勒激光传感器测量由标准载货汽车行驶所致的路面变形速度，通过预设在不同位置上的传感器采集路面变形速度反演出动态荷载作用下路面弯沉盆的一种路面结构强度测量仪器(设备、系统)。

路面在重载车轮碾压下产生沉降，其中沉降速度反映路面结构强度。高速弯沉仪采用4～7个传感器测量路表变形速度，其中3～6个传感器位于弯沉盆内部，1个传感器在弯沉盆外部(作为参考值)。采用角速度传感器测量运动状态，然后通过不同位置变形速度反演得出测点弯沉值。

该文采用丹麦Greenwood公司研发的高速激光弯沉仪TSD，其检测速度可达90 km/h，测量精度0.001 mm，数据输出间隔1～10 m。

2 结构内部状态评价指标

结构内部状态评价包含结构完整性评价和结构强度评价，其中结构完整性评价由探地雷达判定，结构强度评价由激光动态弯沉判定。

2.1 结构完整性评价

路面结构内部病害分为不密实、层间不良、松散三大类，其中松散可细分为层间局部松散和结构层松散。不同隐性病害的雷达灰度图具有显著差异：

(1) 完好处。如图2(a)所示，路面结构内部并未出现明显振幅加强的信号，且信号较均匀，层间同相轴由材料介电常数的差异造成，属于正常反射信号，判断该处路面内部完好。

(2) 不密实。如图2(b)所示，上基层底部点状反射信号加强，判断上基层孔隙较多，不密实。

(3) 层间不良。如图2(c)所示，基层与基层之间有明显的信号加强，判断基层与基层分离。

(4) 松散。如图2(d)所示，下基层内部反射信号较强烈，且同相轴较杂乱，判断下基层内部出现松散。

(a) 完好

(b) 不密实

(d) 松散

图2 不同结构完整状态下的雷达图像

高速公路沥青路面结构完整性能指标可借鉴路面状况指数PCI评价方法，采用路面内部破损状况指数IPCI进行评价。考虑到IPCI评价多个层位，而PCI仅评价路表单一层位，将评价模型参数适当降低，调整后的计算公式如下：

IPCI=100-13×IDR0.352

(1)

(2)

式中：IDR为路面内部破损率，为各种路面内部损坏面积之和与路面调查面积之比(%)；Wi为第i类路面结构内部病害的权重；Ai为第i类路面内部病害的长度(m)；A为调查的路面长度(m)。

不同类型隐性病害对结构强度的影响存在较大差异，其中不密实类隐性病害对结构强度的影响较小，而松散病害对结构强度的影响较大。根据这种影响关系，结合现场工程经验，确定各类隐性病害的权重，不密实、层间不良、层间局部松散、结构层松散的权重分别为0.01、0.3、0.8、1。

2.2 结构强度评价

根据JT/T 1170-2017《激光式高速弯沉测定仪》对高速激光弯沉仪进行标定，结果表明，高速激光弯沉值与贝克曼梁弯沉值具有显著的线性相关性，高速激光弯沉值可转化为贝克曼梁值。

巩建等选择6段不同弯沉水平的试验路段进行贝克曼梁弯沉与激光动态单点弯沉检测，通过回归分析得到二者的转换关系式[见式(3)]，相关系数R=0.929 4。

lB=1.43lJ-0.53

(3)

式中：lB为贝克曼梁单点弯沉值(0.01 mm)；lJ为激光动态单点弯沉值(0.01 mm)。

根据JTG H20-2007《公路技术状况评定标准》，高速公路沥青路面承载能力采用路面结构强度指数PSSI评价。根据JTJ 073.2-2001《公路沥青路面养护技术规范》，高速公路沥青路面强度采用强度指数PSSI评价。

3 结构内部状态评价标准

根据PSSI和IPCI评价结果，可将路况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级，图3为路况分级决策树。考虑到养护处治措施应偏于安全，取结构完整性IPCI和结构强度PSSI评分中较小者作为判别依据。

(1) 路况为Ⅰ级时，路面整体结构内部状态良好，不需进行处理。

图3 路况分级决策树

(2) 路况为Ⅱ级时，路面结构内部状态出现一定程度衰减，需重点关注。

(3) 路况为Ⅲ级时，路面结构内部状态存在一定缺陷，需进行养护维修处理，甚至是结构补强。

(4) 路况为Ⅳ级时，路面结构内部状态已有明显缺陷，需针对薄弱位置进行补强处理，提高路面的整体结构性能，延长路面使用寿命。

4 实例分析

在江苏选取A、B、C 3条高速公路进行分析，其中A采取了较多预防性养护措施，C已通车15年。分别进行探地雷达和高速激光弯沉仪检测，计算各评价单元的结构完整性IPCI和结构强度PSSI，确定各评价单元的路况等级，其中评价单元长度取为1 km。各高速公路的不同路况占比见图4。

图4 各高速公路的不同路况占比

从图4可看出：A高速公路大部分路段为Ⅰ、Ⅱ级，没有Ⅳ级路段；C高速公路大部分路段为Ⅲ、Ⅳ级路段，没有Ⅰ级路段。路况为Ⅲ、Ⅳ级时，路面结构内部状态较差，应采取必要的维修措施。对于A、B、C高速公路，需维修路段占比分别为11.5%、54.7%和99.2%。

5 结论

该文建立路面结构内部状态评价方法，包含结构完整性和结构强度两方面，分别采用探地雷达和高速激光弯沉仪进行检测，实现路面结构内部状态的快速、连续、无损评价。主要结论如下：

(1) 在结构完整性方面，探地雷达实测表明，路面存在不密实、层间接触不良、松散等3种隐性病害时，借鉴路面状况指数PCI评价方法，可采用路面内部破损状况指数IPCI进行评价。

(2) 在结构强度方面，高速激光弯沉仪检测结果可线性转化为贝克曼梁值，采用结构强度指数PSSI进行评价。

(3) 基于IPCI和PSSI联合评价结构内部状态，可将路面内部状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级。若路面养护及时，路面结构内部状态较好，则需维修的路段较少。