探地雷达在沥青路面隐性病害检测中的应用研究

胡德雄

(莆田市高速公路建设有限公司，莆田 351100)

沥青路面养护过程中，对路表各类病害产生原因进行精准分析，对路面结构层内部各类隐性病害进行准确识别，是科学、合理制定养护方案的重要依据之一。通常，路面结构层内的松散、开裂、脱空等隐性病害，需根据路面表观病害类型及特征进行现场取芯，并对芯样的完整性和损坏状态进行评估。取芯法能够直接反映路面结构内部的病害类型和深度，但同时存在检测不连续、效率低、检测深度有限、随机性较大、对路面结构造成损伤等不足。因此，路面结构内部的隐性病害，往往发展至道路表面时才能被发现。

探地雷达(ground penetrating radar，GPR)能够实现对路面结构内部隐性病害的连续、快速、无损识别，且通过变换雷达天线频率，可实现不同深度隐性病害的检测。因此，探地雷达在道路工程的质量评定、病害检测、养护设计等领域广受关注。Pitoňák等[1]采用频率为2 GHz的天线，评估了某道路结构层厚度对设计厚度的符合度。Liuzzo等[2]通过对比GPR检测和取芯法的结构厚度数据，验证了GPR检测路面结构层厚度的有效性。20世纪80年代以来，我国逐步开展了GPR研究及其在道路工程中的应用。赵华阁等[3]研究表明，GPR可以应用于道路的检测、质监、养护过程。刘恒[4]和陶向华[5]将GPR应用于道路面层和基层的病害检测，取得了良好效果。曹雪山等[6]系统介绍了GPR在路面结构厚度、介电常数、路基和路面病害与缺陷发育、养护决策制定等方面的应用原理和方法。

国内外研究表明，GPR对结构层厚度、结构层内部开裂、松散、脱空、黏结不良等病害能够有效识别和快速检测，在道路养护方案设计中应用广泛。但GPR作为一种专业检测设备，对检测人员的操作熟练程度、工程经验、病害识别与分析具有较高的要求。制定典型病害图谱，能够有效指导检测人员的操作作业，对病害的判断起到辅助和参考作用。

本文在已有研究成果的基础上，将GPR应用于G205国道路面结构层的病害检测。通过对结构层内部开裂、脱空、黏结不良等病害的发展层位、桩号等信息进行检测，为后续的养护方案设计提供指导。并结合典型病害的检测结果，对结构层内部开裂、黏结不良、土基不密实等典型病害的图谱和特征进行总结，有助于指导工程人员采用GPR对路面结构层内病害进行准确识别和评判。

1 探地雷达工作原理

探地雷达利用发射天线，将高频电磁波发射到地面，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界面发生反射，可根据接收到反射波的波形、振幅强度和传播时间推断地下介质的分布情况[7]。

2 探地雷达参数设置

2.1 天线中心频率

信号经过傅里叶变换后，在频域占用的频带范围为带宽W，它是信号的最高频率和最低频率的差值[8]，在该范围内，天线阻抗值最小的频率即为中心频率fc，天线中心频率根据式(1)计算可得[9]。

(1)

式中，fc为中心频率，MHz；x为空间分辨率，m；εr为介质的相对介电常数。

常见路用材料的相对介电常数和电磁波传播速度[10-12]如表1所示。

表1 常见路用材料的相对介电常数和电磁波传播速度

在实际道路检测中，土基中空洞的探测，选择中低频天线(80～200 MHz)；路面结构层内缺陷的检查，选择中频天线(500～1 000 MHz)；桥面铺装层内缺陷或沥青路面各结构层厚度的检测，选择高频天线(>2 000 MHz)，并采用地面耦合型雷达贴地检测[13]。

2.2 探测时窗

探测时窗是指GPR接收信号从开始到结束的时间长度，时窗长度的设置主要受检测深度和介质的相对介电常数影响[14-15]，计算公式见(2)。

(2)

式中，D为探测时窗，ns；H为最大探测深度，m；v为电磁波在介质中的传播速度，m/ns。

3 探地雷达数据处理

雷达数据滤波处理步骤如图1所示。重采样可提高图像纵向可视精度，静校正可移除浅部无效信息(去除空气部分的雷达波)，增益可以放大深部信号，背景去除可以去除图像中整体存在的水平干扰成分，巴特沃斯带通滤波可有效去除信号中无用的高频和低频部分，滑动平均可以使图像更加平滑，进一步去除图像中存在的毛刺噪声。

图1 雷达数据滤波处理步骤

滤波效果对比如图2所示。根据图2(b)中雷达波形态的不同，可对路面结构层状况和路面内部病害进行分析，如是否存在基层开裂、松散、层间黏结不良等病害。

(a) 原始雷达灰度

4 工程应用分析

本次雷达检测路段为G205国道K1120+500～K1121+350双向行车道。检测当天天气良好，现场路面无积水等不良状况。

4.1 雷达检测参数设置

探地雷达检测参数设置如表2所示，其中，测距方式为测距轮。

表2 探地雷达检测参数设置

4.2 雷达检测图像分析

4.2.1 上行方向K1120+550段行车道

该路段沥青面层已进行铣刨，铣刨后基层表面未发现明显裂缝、松散等情况。根据雷达灰度图分析，未发现基层开裂等病害。上行方向K1120+550段轮迹带雷达检测图像如图3所示。

(a) 右侧轮迹带

由图3可知，右侧轮迹带除局部存在上下基层黏结不良外，未见反射裂缝、松散等病害，基层整体状况良好，未见明显结构性病害。土基与下基层之间出现多次强烈反射，判断存在局部脱空、层间富水等病害。左侧轮迹带的上下基层存在局部黏结不良问题，土基部位雷达波分界面出现起伏，初步判断存在土基不均匀沉降现象。

4.2.2 上行方向K1120+970段行车道

该路段沥青路面表面未见明显病害。上行方向K1120+970段行车道雷达检测图像如图4所示。

图4 上行方向K1120+970段行车道雷达检测图像

由图4可知，该路段基层整体情况良好，上下基层间存在局部黏结不良问题。土基层与下基层的分界面存在起伏，判断存在轻微的不均匀沉降现象，造成局部脱空。此外，在检测区段发现两条自下基层至上基层顶面的贯穿裂缝，在雷达图像中该路段面层与基层间同相轴连续、无杂波，裂缝位置同相轴不连续、波形上凸，初步判断为半刚性基层开裂导致的反射裂缝。上行方向K1120+970段反射裂缝如图5所示。

(a) K1120+990段

4.2.3 上行方向K1121+150段超车道

该路段超车道可见多条横向裂缝，局部伴随坑槽和唧浆现象。上行方向K1121+150段雷达检测图像如图6所示。

图6 上行方向K1121+150段雷达检测图像

由图6可知，该路段基层与面层之间的黏结状况不良，上下基层之间存在分离状况。基层局部存在轻微松散状况，在雷达图像中该位置同相轴不连续、波形杂乱且不规则，裂缝主要产生于沥青面层，预计为疲劳裂缝。上行方向K1121+150段局部病害如图7所示。

(a) 面层裂缝

下基层与土基间存在脱空状况，推测为土基不均匀沉降造成，上行方向K1121+150段土基病害如图8所示。

(a) 雷达灰度

4.2.4 上行方向K1121+250段行车道

上行方向K1121+250段雷达检测图像如图9所示。

图9 上行方向K1121+250段雷达检测图像

由图9可知，该路段的基层与面层存在局部黏结不良、土基不均匀沉降等问题，在雷达图像中该处同相轴弯曲且下凹，部分段落脱空较严重。

4.2.5 下行方向K1121+200段超车道

下行方向K1121+200段基层病害雷达检测图像如图10所示。该路段存在密集横向裂缝，轮迹带位置出现纵向裂缝，伴随唧浆现象。

(a) K1121+244处土基沉陷

由图10可知，该路段基层与土基层间同相轴弯曲下凹，判断土基出现不均匀沉降现象。K1121+244段和K1121+320段超车道，上下基层间同向轴不连续、波形杂乱且不规则、严重区域高亮显示，判断基层出现松散病害。K1121+356段沥青面层与基层间同相轴连续，下基层裂缝呈抛物线上凸至上基层处，未贯穿至上基层顶面，判断为自基层至面层的反射裂缝。K1121+220段出现基层碎裂。

4.3 探地雷达检测典型病害图谱

4.3.1 黏结不良

层间脱空雷达灰度图如图11所示。黏结不良或脱空通常出现在面层与基层、上下基层间，在雷达图像中主要表现为：①同相轴连续，但反射强度大于层间黏结较好位置处的反射强度。图11方框指示区域表现为雷达图像中该层位处显著区别于周围的高亮区域。②层间黏结处振幅增大。图11椭圆指示区域表现的脱空层位处的雷达波振幅幅值为该道雷达波中振幅最大值。

图11 层间脱空雷达灰度图

4.3.2 土基不均匀沉降

土基不均匀沉降雷达灰度图如图12所示。土基不均匀沉降识别特征为：①从路基至上基层顶部均会出现同相轴错段、波形杂乱，如图12方框标识位置所示，基层与土基间分界线不平整；②从路基延伸至基层顶部均有强反射振幅，如图12椭圆指示区域雷达波的振幅，即表示由基层顶部向下均振幅强烈。

图12 土基不均匀沉降雷达灰度图

4.3.3 裂缝

裂缝雷达灰度图如图13所示。裂缝的识别特征为：路表同相轴连续，无杂波，上下基层间同相轴不连续，裂缝位置波形上凸，图13凸型曲线指示位置为基层反射裂缝，椭圆指示区域表现为裂缝处雷达波振幅变大。

图13 裂缝雷达灰度图

4.3.4 土基不密实

土基不密实雷达灰度图如图14所示。土基不密实识别特征为：①界面反射信号强，信号为强反射信号。②同相轴不连续，错断。③一般区域化分布，如图14方框指示。

图14 土基不密实雷达灰度图

5 结论

本文采用探地雷达对G205国道沥青路面结构内部隐性病害进行了检测，从检测结果看，探地雷达能够对路面结构内部的开裂、松散、脱空、黏结不良等隐性病害进行有效识别和检测，且该法具有无损、高效、交通干扰小等优势。

(1) 本检测路段行车道基层状况良好，局部存在少量松散和反射裂缝等问题。检测路段中，除下行方向K1121+200～K1121+370段基层破损较严重外，其余路段基层完整性良好。

(2) 土基的不均匀沉降对路面结构影响主要体现为下基层与土基间的脱空，部分严重路段可造成贯穿型反射裂缝。

(3) 本检测路段路表横向裂缝主要类型为反射裂缝和疲劳裂缝，纵向裂缝多为车道间的施工缝，下基层一般伴随松散病害。

(4) 本文提供了开裂、层间黏结不良、土基不密实等典型路基路面隐性病害雷达图谱，结合雷达灰度图，介绍了病害的识别要素，为其他同类病害检测提供了参考。