探地雷达法检测路面板脱空病害的研究

黄建国

(华东勘测设计院(福建)有限公司， 福州 350003)

对于水泥混凝土路面而言，板底脱空使混凝土路面板成为悬臂板，没有下部水稳层的受力支撑，极易造成板角断裂导致局部的路面塌陷，同时还会对行车的安全性和舒适性带来影响。对于沥青路面而言，板底脱空开始会出现局部的下沉，当上部荷载过大时会出现瞬间的塌陷，给行车安全带来极大威胁，甚至出现伤亡事故。所以，在实际道路交通工程中，需要一种快速、准确、轻便、操作便捷的检测方法来找到路面板下的脱空位置，并能初步判断路面板出现脱空的大概规模，为相关部门进行注浆或者开挖回填处治提供科学依据。

目前关于路面板脱空检测方法主要有贝克曼梁弯沉法、FWD 截距法、FWD 斜率检测方法、地震波法和声振检测法[1-4]等。这些方法各有其特点，但都存在检测过程复杂、施工受场地、交通干扰影响和不同路面结构方法适用性受限等不足。尤其是当路面为旧路改造，路面板为水泥路面板后采用加铺沥青面层(俗称“白加黑”)的方式进行，就导致“白加黑”刚性体与黏弹性体两种不同性状的路面结构组合在一起，其受力模式与单独的水泥面板和沥青面板相比已发生了改变，单一路面板的脱空检测评价方法已不适用，需要进行复杂的修正和补偿来综合判断是否存在板底脱空，给高速发展的城市路面板底脱空检测带来很大的困扰。传统的钻探技术用于快速调查城市路面板脱空表现得更加吃力，有损和效率低下就决定了其适用范围的局限性。因此，越来越多研究者开始探索探地雷达检测方法判断路面脱空等工程问题[5-8]。

1 探地雷达法检测路面脱空的原理分析

探地雷达是利用高频电磁波探测目标体的一种地球物理勘探方法，其工作原理是发射天线向地下发射高频电磁波，在电磁波向前方传播的过程中，当遇到介电参数差异的目标体时，电磁波会发生反射，由接收天线接收并记录，再根据接收的雷达波形、电磁场强度、振幅、频谱特征和双程走时等参数来推断路面板下方的地质情况。探地雷达检测原理如图1所示。

h为异常体的深度，x为两天线之间的距离。图1 探地雷达检测原理图

根据电磁波在介质中传播的双程走时t可得出目标体埋深h，公式为

(1)

(2)

(3)

式中：V为电磁波在介质中的传播速度，由近似计算；C为电磁波在真空中的传播速度(0.3 m/ns)；εr为介质的相对介电常数，通过查参考规范值得出。

在实际仪器设备生产中，发射和接收天线离得很近，相对于地下探测深度可以忽略其大小近似计算目标体埋深h，也就是依据式(3)求出目标体深度。

2 室内路面板脱空正演模拟试验

2.1 道路模型的建立

路面板脱空病害是目前城市道路常见的问题，在《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》(JGJ/T 437—2018)中,风险等级划分为第Ⅳ级，是风险较高的，一经发现道路路面板下方存在规模较大的脱空时，应立即警示并及时处理。因此，如何对路面板下的脱空病害进行准确判别是理论研究的关键所在。为了进一步了解路面板脱空病害的探地雷达(GPR)图谱响应特征，利用GprMax结合MATLAB软件进行编程实现对不同类型路面板下的脱空病害进行正演数值模拟[9-13]。

如图2所示，设计了3层道路结构，从上往下分别为面层、基层和路基，设定道路结构模型长为3 000 mm、宽为1 000 mm，总厚度1 000 mm,上部为厚度100 mm 的面层，中间为厚度350 mm 的基层，下部为厚度550 mm 的路基。

图2 道路结构设计平面图

2.2 不同类型路面板下的脱空病害模型的建立及数值模拟

分别设计了单一沥青路面板、混凝土路面板和“白加黑”3种类型的路面板结构，路面板的厚度均为100 mm，并在路面板下方设计了一个长为500 mm，宽为200 mm的长方形脱空，其顶面埋深均为105 mm，如图3所示。其中，沥青路面板介电常数εr=2，电导率σ=0.01 S/m，混凝土路面板介电常数εr=5，电导率σ=0.015 S/m，“白加黑”路面板为上下组合型，脱空内部均填充空气，空气的相对介电常数εr=1，电导率σ=0 S/m，基层相对介电常数εr=9，电导率σ=0.04 S/m，存在明显的电性差异，为探地雷达法检测脱空异常的前提条件，路基相对介电常数εr=12，电导率σ=0.1 S/m。从图4室内正演模拟结果可以看出，利用结构激励源为500 MHz的ricker子波模拟路面板下方存在脱空异常正演图像，异常区顶部反射信号能量明显增强，多次波发育，表现为似平板状反射波波组特征，且在不同类型路面板下的3种脱空病害波组特征响应基本一致。

图3 3种类型路面板下的脱空病害模型

图4 3种类型路面板脱空病害正演模拟结果

3 室外工程应用实例

3.1 路面板脱空病害探地雷达检测系统

探地雷达检测系统组成如图5所示，包括探地雷达天线、测距编码轮和显示终端。探地雷达天线内部有蝶形偶极子天线、主机和屏蔽材料。其中蝶形偶极子天线用于发射和接收高频脉冲信号，蝶形偶极子天线均是成对的，即一个发射另一个接收信号；主机主要包含信号控制单元和处理单元两个模块，信号控制单元与编码器和蝶形偶极子天线连接，当驱动编码器轮工作时，信号控制单元蝶形偶极子发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，另一个蝶形偶极子接收天线接收反射回来的波组信号，处理单元用于处理接收得到的反射信号，包括数模转换处理、数据读取处理、数据存储和删除处理、采集示波处理等；屏蔽材料是在雷达天线周围一圈，除蝶形偶极子天线正下方外均布置的特殊材料，用于屏蔽外界铁磁性、电性干扰，保证信号发射和接收数据的准确性。

图5 探地雷达检测系统组成

3.2 路面板脱空病害探地雷达图像波组特征

要准确判读室外雷达探测成果数据图像，需明确路面板脱空病害的雷达图像特征，包括掌握路面板脱空病害体的探地雷达图谱上的波组形态、振幅、相位和频率特征，结合室内脱空病害正演模拟理论基础，初步得到路面板脱空病害的探地雷达图像特征。路面板脱空病害的探地雷达图像波组特征见表1。

表1 路面板脱空病害的探地雷达图像特征

3.3 室外路面板脱空病害案例1

该案例位于湖南省长沙市望城区某市政道路，对包括机动车道、辅路和人行道等路段范围内存在的路面板脱空病害进行全面探测。根据现场踏勘资料，探测路段上部为沥青面层，下部为混凝土道路，为“白加黑”路面。由于该路段正在进行全面的提质改造，在施工过程中发现局部路段存在一定数量裂缝、沉陷，所以，需要一种快速、便捷、高精度的探测方法来快速调查整个路段路面板下方存在的脱空病害情况。

综合分析了贝克曼梁弯沉法、FWD 法和地震波勘探方法，均存在施工效率低，探测结果不够直观、准确的缺点，因此，最终选择了探地雷达方法。该方法仪器设备轻便，操作简单，不受路面结构的限制，可快速、直观、准确、无损探测出路面板下方是否存在脱空等病害。应用目前最先进的高动态探地雷达技术，一方面利用其实时采样高动态技术，只需发射一次雷达脉冲信号，就可以采集完整各波形的所有样点，采集速度和信号样本是常规探地雷达的几百倍；另一方面利用其超带宽主频天线技术，其噪声水平低，主频信号能量更强，采集信号信噪比更高，可直接指导路面板脱空现场施工，对该市政道路工程中的“白加黑”板底脱空情况进行判断，并采用钻探法或者局部开挖进行验证，结果如图6所示。

图6 探地雷达检测图像和验证结果(案例1)

由图6(a)可知，“白加黑”路面板的总厚度约为420 mm，其中，沥青层约为100 mm，在路面板下方出现了明显的异常信号，异常处顶部探地雷达图谱反射信号能量明显增强，顶部波组相位与入射波相位同向，顶部形成连续的同向性反射波，多次反射波明显，异常中心似平板状形态明显。根据雷达剖面特征和正演模拟理论图像，判断该异常为路面板下部脱空病害，推断脱空范围为8 600 mm(东西方向)×2 000 mm(南北方向),且中心似平板状反射下方有规则的双曲线反射波出现，推断可能脱空下方存在管道。经现场复测并开挖验证，结果如图6(b)所示。该路面板脱空范围与探地雷达图像圈定的范围较为吻合，具体为8 200 mm(东西方向)×2 300 mm(南北方向),最大净深1 400 mm，顶部埋深420 mm，且脱空底部的确有一个混凝土管存在。

3.4 室外路面板脱空病害案例2

该案例位于长沙市望城区某市政道路支路，对双向两车道全路段范围内存在的路面板脱空病害进行探测。根据现场踏勘资料，探测路段为混凝土道路。由于该路段车流量较大，复杂、低效率的检测设备就会显得特别吃力，因此，采用快速、便捷、高精度的探地雷达方法来对该市政道路支路混凝土面板下的脱空情况进行探测，并采用钻探法进行验证，结果如图7所示。

图7 探地雷达检测图像和验证结果(案例2)

由图7(a)可知，混凝土路面板的总厚度约为300 mm，在路面板下方出现了明显的异常信号，异常处顶部探地雷达图谱反射信号能量明显增强，顶部形成连续的同向性反射波，表现为似平板状形态，多次反射波明显，根据雷达剖面特征和正演模拟理论图像，判断该异常为路面板下部脱空病害，推断脱空范围为3 000 mm(东西方向)×900 mm(南北方向)。经现场复测并钻探验证，结果如图7(b)所示。该路面板脱空范围与探地雷达图像圈定的范围较吻合，具体为2 700 mm(东西方向)×800 mm (南北方向),最大净深260 mm，顶部埋深300 mm。

3.5 室外路面板脱空病害案例3

该案例位于南通市崇州区某市政道路，对双向四车道全路段范围内存在的路面板脱空病害进行探测。根据现场踏勘资料，探测路段为单一沥青道路，该路段车流量较大，整体沥青路面表观较好。采用探地雷达方法快速对该市政道路沥青面板下的脱空情况进行探测排查，发现一处典型路面板脱空异常体存在，经复测并采用钻探法进行验证，结果如图8所示。

图8 探地雷达检测图像和验证结果(案例3)

由图8(a)可知，单一沥青路面板的总厚度约为80 mm，在路面板下方出现了明显的异常信号，异常处顶部探地雷达图谱反射信号能量明显增强，顶部波组相位与入射波相位同向，顶部形成连续的同向性反射波，表现为似平板状形态，多次反射波明显，根据雷达剖面特征和正演模拟理论图像，判断该异常为路面板下部脱空病害，推断脱空范围为2 500 mm(南边方向)×800 mm (东西方向)。经现场复测并钻探验证，结果如图8(b)所示。该路面板脱空范围与探地雷达图像圈定的范围较吻合，具体为2 300 mm(南边方向)×700 mm(东西方向),最大净深190 mm，顶部埋深80 mm。

4 结论

1)通过室内路面板脱空探地雷达正演模拟试验表明，不同类型的路面板脱空病害探地雷达检测结果是一致的，该方法适用于所有材料、结构路面板脱空病害探测，路面板脱空病害在探地雷达图上表现为似平板状异常，异常处顶部反射信号能量很强，多次反射波明显，探地雷达法对路面板脱空的识别效果较好。

2)实际工程案例与理论正演模拟得到的路面板脱空病害的波组形态、振幅、相位特征吻合较好，进一步表明室内理论正演模拟指导室外实际工程施工的有效性和必要性。随着探地雷达技术的不断发展和推广，该方法在实际工程检测领域的应用范围将越来越广泛。