探地雷达法在公路隐性病害检测中的应用

陈裕权

（广州诚安路桥检测有限公司，广东 广州 510420）

近年来，随着道路交通事故的频发，使得人们提高了对公路养护的重视程度。尤其是一些运营年限较长的公路，经过长时间的运营，其路面不仅出现了多种病害，且内部结构也存在很多隐性病害，已无法满足人们安全行车的要求。但由于公路病害具有较高隐蔽性的特点，如：内部结构松散、裂缝，地基比较软，这些病害相对比较隐蔽，采用传统的检测技术很难检测出其结构内部所存在的隐性病害，且容易给路面带来极大的破坏性，检测结果存在较大误差，检测分辨率低，很难将公路结构内部的隐性病害反映出来，只能任由隐性病害不断发展，这也给公路的安全运营带来严重的安全隐患。为了能够有效提升道路交通安全，降低公路交通事故发生率，亟需一种操作简单、精准度高、效率高、对公路不存在破坏性的检测技术。为此，探地雷达无损检测技术应运而生。其因操作方便、检测精度高、效率高、实时成像，不会对路面产生破坏而在公路检测中得到了广泛应用。通过将其应用到公路日常检测中，能够有效检测出公路结构中所存在的隐性病害，使公路管理维护人员能够及时修复公路病害，确保公路安全运营。

1 探地雷达系统构成与工作原理

1.1 系统构成

探地雷达法作为众多无损检测技术之一，其主要由主机、收发机、收发天线所组成，且分为两个系统，一个是主控系统，另外一个是收发系统。主控系统负责采集信号、信息储存；收发系统则负责发射电磁波、A/D转化、接收电磁波等工作，具体见图1所示：

图1 探地雷达法系统构成图

1.2 工作原理

探地雷达是一种利用高频电磁波信号在界面上的反射来检测公路结构隐性病害的方法。其在检测过程中，通过向发射机和接收机发送一系列控制命令。发射机根据命令向地下发射电磁波，接收机则根据命令对地下介质界面反射波进行数据采集。经过采样和A/D转换后，接收的反射信号转换成数字信号被显示和保存。由于发射天线和接收天线紧靠地面，发射机发射出来的短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地，电磁波在地下传播过程中，当遇到介质的分界面后便会被反射或折射回来，而被反射回地面并被接收到的电磁波便是回波。工作人员可以根据回波讯号、传播时间以及实时图像来推断地下介质分布、病害情况，从而判断出公路内部存在哪些隐性病害。

2 公路隐性病害识别

2.1 底部土质松散

公路结构内土质松散一般是由于公路在施工过程中，因为施工材料没有压实，或是材料之间不黏结，使得土体中存在很多空隙。长期受行驶车辆荷载和降雨的影响，公路内部的结构便会出现不稳定、承载力下降的现象。通过探地雷达法检测图像可以看出公路结构不同程度土质松散病害的分布，如：施工材料没有压实或土体不黏结的部位，电磁波传播速度快，频率增强，波长变短，介电常数小，图像中会出现很多不密实的黑白点，说明其松散程度较为严重；而经过压实的部位，其频率变小，波长变长，图像中黑白点相对比较少，振幅介电常数也比较高，如图2~图3所示：

图2 探地雷达法工作原理图

图3 公路底部土质松散病害数据图

2.2 内部裂缝较多

高速公路的路面出现沉降、开裂等情况，主要是因为结构层隐藏裂缝所致。一般裂缝会分为很多种，有水平裂缝、倾斜裂缝，还有垂直裂缝，但结构内出现的裂缝大多是垂直裂缝居多。通过雷地探测单一结构层中垂直波时，能够看到垂直裂缝其顶部和底部的两条粗线的雷达波比较明显，断面的线段则会出现很多小段，且小段后面都会有一个小点，并逐渐形成一条曲线波（见图4所示）；对多层结构层垂直裂缝进行检测，可以看到这些结构层的表面出现开裂，则能够发现结构层所存在的裂缝，并透过检测图像，能清楚确定垂直裂缝不同位置裂缝的深度。但若其表面没有裂缝，底层或基层却早已开裂，如若不及时检测，则难以发现结构层中的隐藏的裂缝。为此，通过探地雷达无损检测技术能够及时发现结构内部底层所存在的裂缝，以便能够及时对其进行修复，避免其不断发展。

图4 垂直裂缝波形成图

2.3 内部结构脱空

公路内部结构存在脱空或空洞隐性病害时，主要是因为结构内部面层、基层或底层之间的材料部黏结，在长期受到车辆来回荷载影响下，容易造成结构内部各个层与层之间离析，从而出现脱空现象。此时，如果还得不到及时修复，任由其不断发展，久而久之，这些脱空的结构层的土体便会慢慢变得松散，在行车和降雨的作用下，结构层内松散的材料会随着雨水流失，从而逐渐形成空洞。为此，通过对公路内部结构进行钻心取样对比时，能够准确掌握存在脱空或空洞病害的具体位置与病害深度，并透过检测图像可以清楚看到不存在病害的结构层，其电磁波频率小；而存在脱空或空洞的结构层，其电磁波频率一般在17 000~18 000 Mv之间，且图像中能够清楚看到存在脱空或空洞部位的结构层周边存在明显的横直条纹，由此可以确定该部位存在脱空或空洞病害，如图5所示：

图5 脱空/空洞病害结构层的雷达图像

3 应用实例

3.1 工程概况

文章以某高速公路为例，主线全长13.88 km，该段高速路设计车速80~120 km/h，设计车流量6万次/日，双向六车道，至今已运行了二十多年。在此运营期间内，由于每日行驶车流量多，据统计，高峰时每日车流量高达10万次/日，且大多都是重载车辆，使得该高速公路一直处于超负荷运营状态。久而久之，K0+420m-K2+850m多个主车道路面存在不同程度的受损现象，K1+300m-K2+600m路段的路面还存在严重的龟裂、坑槽、沉陷情况（见图6所示），还要个别合同段路肩出现下沉，已严重影响到高速公路的行车安全。由此可见，该路段结构内部存在严重的松散、裂缝等隐性病害，亟需对该高速公路进行病害检测，以提高公路路面承载能力，确保公路安全运营。

图6 某高速公路路面病害图

3.2 探地雷达隐性病害检测

针对该高速公路相关路段所存在的病害，如若采用传统的检测方法，不仅检测范围小，检测效率低，同时，还会对路面造成二次伤害。尤其是一些表层完好路面，传统的检测技术很难检测出其内部结构层所存在的隐性病害。为了能全面查清K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段内部结构所存在的隐性病害，故采用探地雷无损检测对这些路段路面的结构进行检测分析。

（1）现场测线布置。考虑到K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m这些路段车流量比较多，为了保障检测人员人身安全，故选择在K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段左右轮迹带进行测线布置，以便能够准确定位出隐性病害的具体位置。（2）检测设备。本次采用脉冲探地雷达进行病害检测。该雷达具有检测范围广、精准度高、使用简单、数据采集速度快、质量高、性价比高等特点，将其应用到该高速公路内部结构隐性病害检测中，能够满足其检测要求。

3.3 检测结果分析

通过对K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600 m路段进行现场开挖取芯，并根据雷达图像所显示的病害区域公路内部结构进行验证，见图7所示：

图7 公路内部病害图

根据雷达检测结果可以看出，K0+420m-K2+850m路段主车道图像显示结构内存在土质松散，不密实的病害时，其雷达波会出现上部轻下部重的杂乱波线；而K1+300m-K2+600m路段主车道结构内部土体含水量相对比较高，且局部存在脱空现象，此时雷达图像上的同相轴会出现连续、平滑波形，这主要是因为结构层间脱空。而该高速公路的K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段结构内之所以存在土质松散、不密实、含水量高、脱节空洞等隐性病害，主要还是因为该路段在施工时因为没有压实，使得土体内部存在空隙。加上该路段每日行车量比较大，久而久之，在行车的作用下该段路面便会出现裂缝或沉降病害；若不及时进行修补，在遇到雨季时，雨水会顺着裂缝渗入表层内，若不及时将雨水排出，雨水便会慢慢渗入结构底层，导致结构内部土体含水量高、松散等隐性病害，严重的还会造成土体结构内出现脱节、空洞等病害，严重降低公路承载力。

4 总结

根据对某高速公路雷达检测实践可以看出，作为创新技术的雷达无损检测法，其具有使用方便、高精准度、高效率、无损坏、检测范围广、检测结果比较准的特点，将其应用到高速公路隐性检测中，能够检测出公路在运营期间所存在的病害具体位置、类型、大小以及原因，为高速公路管理养护单位提供解决病害的依据。