浅析探地雷达在路面面层厚度检测中的应用

韩志斌

摘要：本文在了解探地雷达组成及基本原理的基础上，结合具体案例，对探地雷达在路面面层厚度检测中的应用进行了分析与探讨。

关键词：探地雷達;面层厚度检测;基本原理

一、探地雷达的组成及基本原理

（一）系统组成

作为一种无损检测技术，在道路工程中，探地雷达技术多用于道路结构层厚度或病害检测，其系统组成主要包括吗，收发天线、脉冲产生器等。

（二）基本原理

探地雷达是基于高频电磁波在介质传播的一种探测方法。在道路检测中，探地雷达技术不会对其使用性能及运营功能造成不利影响，主要是通过对结构内部的高频电磁回波信号进行分析而检测路面的结构层厚度及运营健康状况。于路面使用性能、检测的可行性来讲意义重大。探地雷达发射机将会生成一种正弦电磁脉冲，按照一定角度通过发射天线发射到被测介质，此时被测介质的介电常数将会发生改变，并产生电磁波反射现象，雷达系统可及时处理电磁波反射的信号，从而获取路面结构异常特征。

二、介电常数标定方法

路面结构层中的介质是探地雷达检测的对象，介质物理学当中，介电常数、电导率等决定介质的介电特性，在路面材料当中多数为非磁性材料，因此，在具体计算中，常以1为磁导率，于电磁波传播特性而言，电导率的影响已涵盖于介电常数的虚部内。由此可见，路面材料介电性能当中介电常数才是最关键的参数。

一般情况下，可采用钻芯取样法、反射系数法、共点中心法等获取路面材料介电常数。其中，最常用的两种为钻芯取样法和反射系数法，具体如下：

（一）钻芯取样法

钻芯取样法是指探地雷达测线上随机选择一个测点进行取芯样，从而对其实际厚度进行准确测定。主要应用的参数为双程走时、实际厚度。通过上述2个参数，即可对此标定层内探地雷达波的介电常数进行测定。按照相关规范要求，可按下式进行分析。

其中，剖面上此点的双程走时可由△t表示;

空气中电磁波的传播速度可由c表示;

此点实测厚度可由H表示。

（二）反射系数法

反射系数法主要是基于反射系数和反射波之间的关系，将上一结构层中电磁波的传播速度与空气中电磁波的传播速度设为定值，通过此定值将其在下一结构层内的传播速度推导出来。在实际应用中，反射系数法需要将一块金属板放置在路面上，从而获取全反射振幅，作为全反射体，金属板内存有反射系数。在金属板去除后，路面将会接收到反射振幅，随后，按照分界面反射系数和此介面的反射波幅关系等，获取各层波速。

其中，全反身月辰幅由Am表示;

反射系数由Rm表示，为1;

接收到的反射振幅由A1;

第一层波速由V1表示;

以下各层波速由Vn表示，为（n=2，3，…）电常数。理论上来看，反射系数法可获取所有测点的介电常数，但在实际操作中，往往存在许多影响因素，如表面散射、界面不均匀等等，这种情况下难免会产生误差，但基于此方法理论相对较为成熟，且可做到无损检测，因此，在实际应用中较多，且效果良好。

三、工程概况

为验证探地雷达在路面面层厚度检测中的应用效果，本文选取3路段进行分析研究。（1）沥青混凝土路面：运营时间达7年左右，检测样本共取5个;（2）“自+黑”改造路面：施工验收后，取检测样本6个，主要对沥青加铺层厚度进行检测。（3）水泥混凝土路面：该路面已产生病害，主要为裂缝、断板等。取检测样本6个，检测水泥混凝土路面厚度。

（一）试验分析

为保证结果数据的准确性，本文基于钻芯取样法和反射系数法两种方式在探地雷达检测路面面层厚度中的应用进行比对分析。

（1）钻芯取样法。在路面面层厚度检测中，采用Φ100（mm）的芯样，确保钻孔深度达到规定要求，随后沿圆周对称的十字方向通过钢板取4处进行测量，主要测量表面到上、下层界面的高度，取平均值（精确到0.1cm）。

（2）反射系数法。根据工程实际情况，采用脉冲式探地雷达进行路面面层厚度检测，1GHz为频率。考虑到钻芯取样等情况，决定结构层介电常数的标定点采用第一个样本。

（二）结果探讨

通过三路段钻芯取样法和反射系数法的两次检测，可得检测结果如下：

（1）路段一：本路段共取5个检测样本，芯样号为1～5号，实测芯样厚度范围为9.9～11.5cm，其中芯样1号实测厚度为11.4cm，为钻芯取样法的标定点，相对误差为0.0%，1～5号芯样的相对误差范围为0.0～11.7%;反射系数法中，厚度范围为10.4～11.2cm，相对误差为1.8～9.6%。

（2）路段二：本路段共取6个检测样本，芯样号为6～11号，实测芯样厚度范围为10.0～10.9cm，其中芯样6号实测厚度为10.2cm，为钻芯取样法的标定点，相对误差为0.0%，6～11号芯样的相对误差范围为0.0～6.0%;反射系数法中，厚度范围为10.0～11.0cm，相对误差为0.9～5.8%。

（3）路段三：本路段共取6个检测样本，芯样号为12～17号，实测芯样厚度范围为18.6～27.2cm，其中芯样12号实测厚度为23.1cm，为钻芯取样法的标定点，相对误差为0.0%，1217号芯样的相对误差范围为0.0～21.5%;反射系数法中，厚度范围为22.3～29.6cm，相对误差为2.6%～19.9%。

由此可见，路段一内，沥青面层实测厚度约10cm，两种检测方法中，变异性较小。路段三内，水泥混凝土面层厚度在18.6～27.2cm之间，存在较大差异性。路段二属于“白+黑”改造路段的验收阶段，在钻芯取样法应用中，相比路段一、路段三，其面层厚度计算误差明显小很多，究其原因，此方法主要选择单点介电常数进行分析，对路段的均匀性具有较强依赖性。因此，当路段各层材料较为均匀的情况下，检测精度较高。若路段存有病害或路用性能下降，因为不同位置的同层材料性能不同，取样点的介电常数无法真卖反映其他点位的特性，这种情况下，将大大增加检测误差率，甚至误差在2仔外以上。而反射系数法的应用，在三个不同路段检测计算当中同样存在误差，其中误差最大的为路段三，基本达到20%左右。其根本原因在于采用此方法进行推定计算中，假设电磁波在层内传播时无能量损耗现象，也就是说。为道路材料电导率，但现实当中，道路材料根本达不到这一条件，因此，必须做进一步修正。

根据上述数据分析，并对17组数据点进行拟合绘制曲线图。通过与实测值进行对比分析，可知钻芯取样法和反射系数法均和实测值之间具有良好的相关性，其中钻芯取样法的相关系数R²为0.92，反射系数法的相关系数R为0.93。相比实测值，基于钻芯取样法和反射系数法的两种探地雷达方法计算值均具有更大趋势，为此，在后期研究中需采用更多有效样本对该趋势的正确性进行验证与评价。

（三）两种方法显著性分析

图1为基于钻芯取样法和反射系数法的两种探地雷达法计算所得面层厚度值拟合效果图。其中，0.94为相关系数R时，拟合程度更高，由此说明两种方法之间的相关性较好。

通过F对该拟合效果进行检验，按照四舍五入的原理，F值最终计算所得为103.90对于服从自由度为（1，12）的F分布，在给定的显著性水平0.01下，由表3可知，9.33为F（1，12）所得值，由此可见，F>F（1，12），说明两种检测方法之间存在显著的线性关系。为此，在路面面层厚度检测中，采用探地雷达法时，钻芯取样法可采用反射系数法代替，这样可以克服钻芯取样法破坏路面结构的缺陷，能够通过反射系数法真正卖现无损、便捷、高效地检测。

四、结束语

综上所述，公路工程质量检测中，结构层厚度测试是探地雷达检测的重点任务。每个结构层的厚度与公路整体强度息息相关，特别是面层厚度。路面结构层设计当中，无论是刚性路面，或半刚性路面，均要确定面层或基层等各个结构层次的厚度。一般来讲，路面厚度检测多采用钻芯法，但这种方法一定程度上会破坏路面结构，检测完后需做及时修补，加之检测结果随机性大、效率低等情况，无法有效评估公路路面厚度。基于反射系数法的探地雷达是一种无损检测技术，在道路结构层厚度及病害检测中应用较为广泛，其特点为无损、高效、迅速等，可有效提高检测精度。

参考文献：

[1]田磊.探地雷达在地下管线探测中的应用研究[J].测绘科学技术，2014，2（04）：56-60.