地质雷达检测道路结构的理论及应用探究

颜鲁春

（甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在我国社会经济稳步发展中，公路建设属于城市建设发展关注的焦点，实际质量检验也成为相关部门关注的焦点。根据我国实践发展提出的道路建设规范要求，公路建设质量检验最常见的操作方法有两种，一种是指常规土工实验方法，另一种是指钻探取芯的实验方法。结合实践应用角度来看，这两种方法都会造成路面或多或少的破损。而地质雷达检测技术作为一项拥有极强功能的浅层地球物理探测仪器，不仅能准确计算速度，还可以全面掌握道路结构和电磁波的反射特征。因此，本文研究提出了全新的波束计算方法，以便在道路无损检测中获取更为有效的数据依据。

1 原理分析

地质雷达也被称作地质勘探雷达系统，主要是向所检测的地面下方发射高频电磁波束，并接收源自地下介质层面反射波，由此了解地下介质分布的地球物理探测设备。从实践角度来看，这类设备在实践操作中可以实时呈现图像变化，整体系统操作灵活便捷，更可以从中得到准确定位和极高的分辨率[1]。现如今，这一技术理论已被广泛运用到生态环境检测、工程质量的无损检验、矿产资源的深入探究等多个领域，并且在实践推广中获取了更多的经济社会效益。地质雷达检测属于一种运用高频电磁波探测地下介质分布情况的非破坏性检测仪器，会利用剖面扫描的方式获取地下剖面的图像信息。

雷达在利用地面移动的发射天线向地下发射高频的电磁波，而相应电磁波在介质中传播，实际强度和波形将会跟随介质的几何状态和电性质进行转变。根据接收波的旅行时间、波形资料、幅度变化都可以准确判断介质的结构信息。一般情况下，雷达图像经常利用脉冲反射波的形式进行记录，波形的正负峰要利用黑白两种方式来表示。这样可以在相同数轴上利用等射线何等灰度来呈现地下的反射面。下图1为波形的记录信息，在实践探究中利用简单的地质模型得到波形记录信息，可以在图形中利用侧线的铅垂方向记录图形变化，由此得到雷达时间的剖面，而对这一图像进行解读判断可以掌握地下介质或地质体的空间位置和结构[2]。

图1 雷达波形记录的示意图

2 道路结构与电磁波的特征

结合下图2所示分析可知，道路结构通常分为三层，按照所选材质和道路等级进行划分，相应的结构层次厚度也会发生改变。一般来讲，面层厚度控制在8到30厘米之间，基层厚度要控制在20到40厘米之间，路基层的厚度变化更大。假设各层的电性存在较大差异，那么将会在界面中得到直观呈现，换句话说就会产生反射。

图2 结构层次及地质雷达扫描波形

在上述图形中，△t1和△t2代表雷达脉冲经过面层和基层的双程旅行，反射脉冲信号的强度和介面的波反射系数、穿透介质的衰减系数有直接关系，主要会受周边介质和反射体的电导率、介电常数所影响[3]。

在计算衰减系数的过程中，实际波的吸收水平和衰减系数有直接关系，可以利用以位移电流为核心的煤质进行计算分析，由此可以得到衰减系数的近似数值为：

在公式1中，β代表衰减系数，单位为Np/m，σ代表介质的电导率，单位为s/m，μ0代表真空状态下的磁导率，ε代表介电常数，εt代表地下介质相对介电常数。

在计算研究反射系数的过程中，不管是道路检测经常运用的频率范围，还是接收天线和发射天线之间的距离，地质雷达波形变化都可以看作是法向入射，根据斯奈尔定律分析可知，反射系数R12可以简化成：

在公式2中，ε1代表第一层的相对介电常数，ε2代表第二层的相对介电常数，R12代表反射系数。

在计算分析结构参数的过程中，要从以下三点入手：

第一，要结合经验和之前研究的波束计算方法，准确研究各个层次的波束变化，再根据电磁波传播的双程旅行计算公式得到不同层次的厚度，具体公式如下所示：

在公式3中，H代表反射点的埋深，单位为m；v代表电磁波在介质之中的传播速度，单位为m/ns；t代表电磁波传播的双程旅行的时间；x代表发射天线与接收天线之间的距离。

第二，从理论角度分析，电磁波的传播速度v和介质之间的相对介电常数εr具备一定的关联性，由此入手研究介电常数和介质的水分体积分数ψ，可以得到彼此之间的近似关系如下所示：

在公式4中，εt代表地下介质相对介电常数，ψ代表介电常数和介质的水分体积分数。

同时，还要运用地球物理测井零中最常见的梯级模型估计分析混凝土中所包含的水分体积分数。假设道路结构的某一层次选用了固体填料、水、空气进行填充，那么在混合介质包含水的情况下，最小水分体积分数的计算公式如下所示：

结合上述分析还可以得到最小水分质量分数，具体计算公式如下所示：

在公式5和公式6中，ψwmin代表最小水分体积分数，ε代表混合介质的静电场数，εs代表固体填料的介电常数，εw代表水的介电常数，Wwmin代表，d代表固体填料的密度。假设这一数值的取值范围控制在最大干容重，那么所得到的最小水分质量分数和实际结果相接近。

第三，在明确水分质量分数w之后，要利用近似公式研究压实度K，具体公式如下所示：

在公式7中，K代表压实度，dmax代表检测区域内的最大干容重，w代表水质量分数。

3 道路结构中的地质雷达检测应用

当前，城市建设发展所构建的高速公路大都存在压实度不达标、含水量过高等问题，从而导致路基在应用期间出现过量沉陷，最终形成空洞等问题。道路结构中的面层在自然风化和行车载荷的影响下，必然会出现路面受损。针对这一现象，如何在道路运输管理中，准确掌握出现病害的主要原因，成为当前相关部门和科研学者关注的焦点。以往选用的检测方式不仅操作过程繁琐，而且对路面会造成一定的影响，最终也无法准确掌握道路内部的隐藏病害。在不影响道路车辆正常运行的情况下，也不会破坏路面结构，科研学者提出优先选用无损检测技术，这也是当前道路结构监测管理发展的必然方向。需要注意的是，公路无损检测方法的应用要满足三项条件，首先要准确判断道路缺陷的大小、形状、深度等基础信息，其次要对路面进行无损检测操作，最后可以在大范围内实时检测操作，且不会受周边环境的影响[4]。

3.1 识别反射波

这项操作涉及到对道路结构各个层面的反射波幅值变化和位置判断。其中，地表的反射波变化非常明显，原因在于其相应的幅值变化是最大的，所以很容易进行人工识别。而扫描波形中存在多种反射波，所以计算机很难自动识别不同反射波的源头，此时要对各类反射波进行深入探讨，并辅助计算机平台进行判断分析。常见的判断，依据分为两种，一种是指时间特征，另一种是指幅值变化。不同层次所发射的波形幅值都具有局部极大值的特征。假设在面呈和基层只进行一次反射，那么地表反射波之后的第一个波幅极大值通常就是基层的反射波。在检测道路之前，工作人员要完善了解道路结构设计的厚度变化，并及早估算反射层的旅行时间特征，并由此为计算机设计自动识别的初始数值，以此提升数据解释的有效性[5]。

3.2 明确波速

反演波束的精确度直接影响着道路结构参数的反演结果。因为当前道路结构检测厚度的精确度要求非常高，通常要换算成毫米，所以根据常规的速度计算方法很难达到实践检测要求，因此本文在研究中提出了准确度更高的应用方法，也就是振幅补偿法。这种方法在实践应用中会将实际观测到的雷达波曲线及其在金属板检测所获取的标准雷达波反射曲线进行对比分析，而后明确雷达波在面层和基层的传播速度[6]。

结合上文分析可知，在平面雷达波垂直进入电性分析界面的情况下，介质所包含的雷达波速度公式为：

在公式8中，v代表雷达波速度，εr代表电性分析界面的介质，m/ns是单位。

从道路结构的层次分析角度来看，通常情况下下部分雷达波的速度要比上半部分高，具体公式如下所示：

在公式9中，R12代表反射系数，v2代表传播速度，v1代表空气中雷达波传播速度，为0.3m/ns。

在明确道路结构层雷达波传播速度的过程中，先假设v1代表空气中雷达波传播的速度，Ap代表路面反射波的振幅变化，Am代表金属板表层反射波的振幅变化，通过对实际检测到的振幅变化进行补偿，那么就可以得到如下所示的公式：

在公式10中，R12代表反射系数，Am代表标定金属板表层反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅。

整合上述公式分析，可以计算出雷达波在道路面层中的传播速度，具体公式如下所示：

在公式11中，Am代表标定金属板表层反射波的振幅，Ap代表路面反射波的振幅，v2代表传播速度。

上述计算方法可以明确雷达波在路面介质中的传播速度，而后利用钻孔标定法对实际建筑施工所面临的地质雷达检测问题提供依据，控制数据处理期间存在的误差，既能明确检测所运用的反射波及其波速，又可以全面掌握道路结构特征。

4 结语

综上所述，地质雷达检测技术依据自身具备的高精度和高效性在道路结构研究中展现出了积极作用，并在实践应用中取得了优异成绩。但从整体角度来看，由于所处地形和工程任务各有差异，选用地质雷达检测技术要涉及不同的雷达参数和频率天线，所以在科学技术和社会经济不断发展中，科研学者需要在持续开发探索雷达技术的基础上，扩大地质雷达检测技术的应用范围，并充分展现其所表现出的技术优势。