宋文文，李新舉

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 2710000)

0 引言

目前，我國(guó)的道路工程質(zhì)量驗(yàn)收傳統(tǒng)檢測(cè)方法(灌砂法，鉆孔取心法等)常因各種因素的影響導(dǎo)致道路工程驗(yàn)收程序比較復(fù)雜，一般以設(shè)計(jì)質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)為指標(biāo)，在不同道路進(jìn)行隨機(jī)選點(diǎn)，鉆孔取樣，進(jìn)行后期分析處理，得到厚度、深度、強(qiáng)度、壓實(shí)度等工程參數(shù)。這種方法直觀、可靠，能夠直接反映地下物質(zhì)的某些特性，但也存在著局限性。首先由于隨機(jī)取樣，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的隨機(jī)性較大，難以全面系統(tǒng)的反映道路工程的實(shí)際質(zhì)量情況，還會(huì)導(dǎo)致道路質(zhì)量的總體分布不均；其次，由于檢測(cè)深度有限，難以發(fā)現(xiàn)道路基礎(chǔ)內(nèi)部的隱患；最后，由于鉆心效率低，需要耗費(fèi)大量的人力物力以及時(shí)間成本，其精度與安全性較差[1]。這些方法對(duì)道路有一定程度的毀壞作用，影響道路的正常使用，已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)道路建設(shè)高速發(fā)展的要求。因此，道路質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是利用高頻脈沖電磁波的反射回波快速、無(wú)損的探測(cè)介質(zhì)表面下目標(biāo)體的特征并生成波形圖像的電磁波技術(shù)[2]。雷達(dá)波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、波場(chǎng)強(qiáng)度、波形將隨所通過(guò)的介質(zhì)的電磁特性和幾何形態(tài)而發(fā)生變化，根據(jù)收到的電磁波特征，可推斷目標(biāo)體的空間位置和結(jié)構(gòu)特征[3-4]。

楊天春[5-6]等采用各種反射波識(shí)別方法和振幅補(bǔ)償法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土路面面層厚度的反演，并表明采用路面雷達(dá)能滿足目前道路無(wú)損檢測(cè)的高精度需要。中國(guó)電波傳播研究所的LTD系列探路雷達(dá)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于高等級(jí)公路的檢測(cè)，而且LTD-2000型探地雷達(dá)的某些技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到或者超過(guò)了國(guó)外同類儀器水平，研究所也配備了專門應(yīng)用于公路的數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析處理軟件[7-8]。

當(dāng)前，探地雷達(dá)主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)層厚度、道路缺陷與結(jié)構(gòu)層病害檢測(cè)之中[9-10]，例如在建設(shè)期，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)層的厚度以及密實(shí)性等的檢測(cè)，來(lái)及時(shí)掌握施工質(zhì)量，提高施工期的質(zhì)量；在道路運(yùn)行期間，利用探地雷達(dá)可以定期對(duì)路面與路基進(jìn)行檢查，幫助管理部門掌握路面或路基松散或者脫空等病害以及病害的發(fā)展趨勢(shì)，從而制定針對(duì)性的方案，采取有效補(bǔ)救措施；在維修期，可以用來(lái)檢測(cè)裂縫、脫空、松散等病害，為維修提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考[11-14]。但是應(yīng)用范圍主要涉及城市道路與高級(jí)公路等設(shè)施，近年伴隨政府對(duì)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施的重視，新農(nóng)村建設(shè)的快速發(fā)展[15]，為了滿足生產(chǎn)與生活的需要，農(nóng)村公路越來(lái)越多，與此同時(shí)農(nóng)村公路質(zhì)量問(wèn)題也暴露出來(lái)，農(nóng)村道路施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣影響著道路使用壽命，更會(huì)影響村民生產(chǎn)與出行，制約農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而農(nóng)村道路的驗(yàn)收工作與質(zhì)量評(píng)價(jià)還在受傳統(tǒng)方法的制約，僅僅依靠道路邊緣心樣來(lái)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，低效、局限，無(wú)法全面掌握施工質(zhì)量。因此，開(kāi)展探地雷達(dá)對(duì)農(nóng)村道路的質(zhì)量檢測(cè)也十分必要。

該文結(jié)合具體土地治理工程實(shí)例，通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)項(xiàng)目區(qū)混凝土路面道路工程驗(yàn)收進(jìn)行厚度結(jié)構(gòu)探測(cè)，結(jié)合不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過(guò)圖像解譯后利用探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其道路工程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，為道路工程驗(yàn)收工作提供幫助。

1 雷達(dá)探測(cè)道路結(jié)構(gòu)的原理與方法

1.1 探測(cè)道路厚度原理

在均勻的介質(zhì)中，電磁波以一定速度傳播，當(dāng)遇到有電性差異的地層時(shí)，如不同材料的交界面、斷層、破碎帶、溶洞和含水層等，電磁波便會(huì)發(fā)生反射，返回到地面或探測(cè)點(diǎn)，被接收天線R接收并記錄，得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回接收天線的雙程走時(shí)t。當(dāng)介質(zhì)的波速已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到t值，并結(jié)合對(duì)反射電磁波的頻率和振幅等進(jìn)行處理和分析，便可得到目標(biāo)的位置、深度和幾何形態(tài)[16]。工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)檢測(cè)道路工程時(shí)的工作原理

圖2 探地雷達(dá)反射波示意圖

完整的電磁波傳播過(guò)程如圖2所示。厚度檢測(cè)的關(guān)鍵是檢測(cè)電磁波在地下介質(zhì)中的傳播時(shí)間，通過(guò)發(fā)射天線向地面發(fā)射脈沖信號(hào)，脈沖在地下介質(zhì)的傳播過(guò)程中遇到具備不同介電特性的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射[17-18]。首先波的一部分在空氣與路面界面產(chǎn)生反射，另一部分向下穿透，由于空氣與路面材料介電常數(shù)的差異，波在穿透過(guò)程中產(chǎn)生折射，當(dāng)折射波碰到第二界面(面層與基層界面)時(shí)，一部分波在界面處反射，并穿過(guò)面層由接收天線接收反射回來(lái)的信號(hào)；另一部分波則繼續(xù)向下，穿透基層并在與底基層的界面處發(fā)生反射和折射。有地質(zhì)雷達(dá)記錄的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差ΔT，和電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V，便可計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)層的厚度H：

(1)

式中：V—電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

1.2 電磁波速度求取方法

1.2.1 介電常數(shù)法

若介質(zhì)為非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，可以用(2)式求取：

(2)

式中：C—電磁波在大氣中的傳播速度，理論值為30cm/ns;εr—面層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，取決于構(gòu)成面層的所有介質(zhì)的介電常數(shù)。

求出不同結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，可得到電磁波在各結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。速度V乘以電磁波在結(jié)構(gòu)層的往返時(shí)間的一半即得到各結(jié)構(gòu)層厚度[19]。但介電常數(shù)法應(yīng)用范圍具有局限性，常受到多種因素的影響，因此計(jì)算出的波速可作為參考。

1.2.2 已知目標(biāo)深度法

已知目標(biāo)深度法[20]是在道路工程測(cè)量中常用的一種方法，當(dāng)天線固定于地表不動(dòng)時(shí)，探地雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線之間的距離很小可以忽略不計(jì)，此時(shí)：

(3)

利用剖面法使用探地雷達(dá)記錄電磁波的雙程走時(shí)t，只要目標(biāo)埋深h已知，就可以計(jì)算波速。

實(shí)際工作中，可以采用預(yù)先設(shè)置埋設(shè)物或鉆孔取心來(lái)獲取地層或目標(biāo)體的深度。

2 工程應(yīng)用實(shí)例研究

2.1 項(xiàng)目區(qū)簡(jiǎn)介

研究區(qū)位于泰安市岱岳區(qū)祝陽(yáng)鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)與泰安市新泰市谷里鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)，以項(xiàng)目區(qū)道路為研究對(duì)象，依據(jù)在泰安市土地治理項(xiàng)目的道路驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，使用了探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)項(xiàng)目區(qū)的道路工程質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，運(yùn)用pulse EKKO PRO 1000型探地雷達(dá)采用剖面法對(duì)道路工程混凝土路面進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取心進(jìn)行電磁波速度修正，獲得不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的道路工程面層的厚度結(jié)構(gòu)與路面的均勻度情況。

2.2 探測(cè)參數(shù)選擇

室外數(shù)據(jù)采集時(shí)的參數(shù)設(shè)置關(guān)系到道路工程質(zhì)量的探測(cè)效果。使用加拿大pulse EKKO PRO 1000型探地雷達(dá)，時(shí)窗設(shè)置為36ns，雷達(dá)天線為250MHz，初始電磁波速度設(shè)置為v1=0.1m/ns。

2.3 儀器設(shè)備

該次道路探測(cè)工作主要使用到的雷達(dá)設(shè)備為加拿大Sensors&Software公司的首發(fā)分離式雷達(dá)：pulse EKKO PRO 1000型探地雷達(dá)，及配備250MHz空氣耦合天線。

2.4 工程實(shí)地探測(cè)

2.4.1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

分別對(duì)泰安市岱岳區(qū)祝陽(yáng)鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)與泰安市新泰市谷里鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)的道路工程進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，主要測(cè)試道路面層、基層的厚度等技術(shù)參數(shù)，以及均勻度，檢驗(yàn)其是否達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 介電常數(shù)標(biāo)定

影響探地雷達(dá)探測(cè)混凝土面層結(jié)構(gòu)厚度的因素主要在波速的標(biāo)定上，但由于兩個(gè)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)的施工單位采取的施工材料的差異以及混凝土面層道路的含水量、孔隙率等因素的存在，使得混凝土材料的介電常數(shù)存在一定程度上的不確定性。

現(xiàn)場(chǎng)分別取得了祝陽(yáng)鎮(zhèn)18cm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土路面道路的8個(gè)心樣，與谷里鎮(zhèn)15cm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土路面道路的3個(gè)心樣和12cm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土路面道路的3個(gè)心樣，共計(jì)14個(gè)混凝土路面道路的心樣。結(jié)合雷達(dá)探測(cè)的雙程走時(shí)，通過(guò)公式(2)和(3)，分別對(duì)道路面層的電磁波速度進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出14個(gè)混凝土面層的介電常數(shù)，取有效介電常數(shù)的平均值作為該面層的介電常數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 介電常數(shù)標(biāo)定(祝陽(yáng)項(xiàng)目區(qū))

表2 介電常數(shù)標(biāo)定(谷里項(xiàng)目區(qū))

由(2)式計(jì)算可得，標(biāo)定祝陽(yáng)鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為18cm混凝土路面道路介電常數(shù)為6.39。根據(jù)實(shí)測(cè)心樣的厚度，通過(guò)(3)式，計(jì)算得各面層介質(zhì)的電磁波傳播速度，將均值作為速度標(biāo)定值，標(biāo)定為11.89cm/ns。同理，由表2可得，谷里鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)面層為15cm道路的介電常數(shù)標(biāo)定為7.38，面層為12cm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土路面道路的介電常數(shù)標(biāo)定為8.21，進(jìn)而面層介質(zhì)的電磁波速度分別標(biāo)定為11.12cm/ns與10.53cm/ns。

3 探測(cè)結(jié)果處理

3.1 雷達(dá)探測(cè)混凝土路面道路厚度結(jié)構(gòu)

由于研究項(xiàng)目性質(zhì)為治理項(xiàng)目，旨在建設(shè)鄉(xiāng)村的道路以及基礎(chǔ)設(shè)施，改善村民的交通條件，提升村落之間的道路通達(dá)度，不涉及道路墊層的設(shè)計(jì)，基層材料就地取材，為整平后的碎石與素土，因此基層為素土路基。面層根據(jù)不同項(xiàng)目區(qū)，介質(zhì)材料設(shè)計(jì)為不同配比的混凝土。其中，岱岳區(qū)祝陽(yáng)鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)的道路工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為面層至少為18cm，新泰市谷里鎮(zhèn)土地治理項(xiàng)目區(qū)的道路工程根據(jù)主干道與所走車輛的不同，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別為混凝土面層達(dá)到15cm與12cm。

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、增益、背景去噪、反褶積等多項(xiàng)預(yù)處理，有效抑制圖像噪聲，提高圖像分辨力，最后根據(jù)相應(yīng)的電磁波傳播速度修正值完成厚度分析工作。兩個(gè)項(xiàng)目區(qū)道路實(shí)測(cè)厚度結(jié)構(gòu)圖像如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)18cm混凝土路面道路厚度結(jié)構(gòu)

圖4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)15cm混凝土路面道路厚度結(jié)構(gòu)

圖5 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)12cm混凝土路面道路厚度結(jié)構(gòu)

以上檢測(cè)結(jié)果以m為單位，橫向?yàn)闇y(cè)線長(zhǎng)，縱向?yàn)楹穸戎?，綜合圖3、圖4、圖5，對(duì)面層與基層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以看出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為18cm項(xiàng)目區(qū)道路面層厚度總體分布在20～21cm之間，面層厚度起伏不大，基層厚度變化幅度也不大；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)15cm項(xiàng)目區(qū)道路面層厚度總體分布在14～16cm之間，面層厚度分布總體較為均勻，起伏不大，基層厚度分布相對(duì)均勻，局部變化幅度較大，可見(jiàn)，施工過(guò)程中可能存在素土基層壓實(shí)不充分出現(xiàn)不均勻沉降，基層未達(dá)到平整要求；設(shè)計(jì)保準(zhǔn)12cm項(xiàng)目區(qū)道路面層厚度總體分布在12～14cm之間，面層厚度分布較為均勻，起伏不大，基層厚度變化幅度也不大，較為平整。所以，除個(gè)別基層壓實(shí)不到位以外，項(xiàng)目區(qū)道路工程總體達(dá)到質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 探測(cè)道路厚度結(jié)果

通過(guò)對(duì)厚度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與綜合分析，進(jìn)行道路厚度綜合評(píng)定，由表3與表4可以看出，探地雷達(dá)對(duì)祝陽(yáng)項(xiàng)目區(qū)道路混凝土面層厚度相對(duì)誤差為1.39%，均值為21.025cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.66；對(duì)谷里鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為15cm的混凝土面層厚度相對(duì)誤差達(dá)-1.43%，均值為15.4cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.65；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為12cm的混凝土面層厚度相對(duì)誤差為0.34%，均值為12.07cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.082。由此可見(jiàn)，鉆心法對(duì)于測(cè)定道路厚度的誤差相對(duì)較小，準(zhǔn)確性是相對(duì)較高的。3種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的厚度均值都大于其設(shè)計(jì)厚度標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明除了個(gè)別情況下基層夯實(shí)不到位，導(dǎo)致分布不均，祝陽(yáng)項(xiàng)目區(qū)與谷里項(xiàng)目區(qū)的道路施工總體達(dá)到驗(yàn)收要求。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)結(jié)合兩個(gè)實(shí)際土地治理工程項(xiàng)目對(duì)項(xiàng)目區(qū)的道路進(jìn)行了質(zhì)量探測(cè)，使用GPR技術(shù)在道路驗(yàn)收上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并通過(guò)解譯與數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了其可行性。在現(xiàn)場(chǎng)鉆心測(cè)定電磁波速度，使得農(nóng)村道路質(zhì)量驗(yàn)收工作更為科學(xué)。由于探地雷達(dá)具有無(wú)損性與高效性，對(duì)道路厚度結(jié)構(gòu)質(zhì)量探測(cè)準(zhǔn)確性超越了傳統(tǒng)方法，根據(jù)該文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，其在厚度檢測(cè)上誤差較小，相對(duì)誤差最大不超過(guò)1.43%，標(biāo)準(zhǔn)差位于0.08～0.66之間，可見(jiàn)其精度可靠。

表3 祝陽(yáng)項(xiàng)目區(qū)道路面層厚度檢測(cè)結(jié)果表(鉆孔取心法)

表4 谷里項(xiàng)目區(qū)道路面層厚度檢測(cè)結(jié)果表(鉆孔取心法)

(2)相比鉆孔取心法的隨機(jī)性與不連續(xù)性，探地雷達(dá)可以做到對(duì)道路層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體掌握，測(cè)量結(jié)果也更為客觀。結(jié)合圖像解譯，使用探地雷達(dá)對(duì)施工均勻性的探測(cè)也更為全面，這也方便于后續(xù)施工全過(guò)程質(zhì)量控制和道路的維修與養(yǎng)護(hù)相關(guān)情況的研究，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮其積極作用。

(3)GPR技術(shù)的在道路工程質(zhì)量檢測(cè)開(kāi)展有利于質(zhì)量的整體評(píng)價(jià)，探地雷達(dá)對(duì)一定深度范圍內(nèi)目標(biāo)物的存在控制可滿足要求,但對(duì)其細(xì)微的識(shí)別需要較高質(zhì)量的采集信號(hào)和后處理軟件，現(xiàn)在已有的國(guó)產(chǎn)探地雷達(dá)的后處理軟件功能較強(qiáng),可以彌補(bǔ)一定的儀器性能缺陷,因此可利用后處理軟件，減少信號(hào)采集及傳輸過(guò)程中的抗干擾帶來(lái)的影響，但采集的信號(hào)質(zhì)量是成功解譯的根本，也啟發(fā)我們國(guó)產(chǎn)探地雷達(dá)應(yīng)當(dāng)提升信號(hào)采集與傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，減少后期處理的工作。

4.2 討論

(1)現(xiàn)場(chǎng)人工操作與雙程走時(shí)的測(cè)定都會(huì)存在一定程度上的誤差，也會(huì)影響波速驗(yàn)證的精度，因此需要積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范操作的同時(shí)減小誤差的產(chǎn)生。

(2)利用探地雷達(dá)圖像厚度檢測(cè)，地下介質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致反射波能量弱，加上儀器內(nèi)部水平干擾、反射信號(hào)的多次疊加使得反射相位的識(shí)別變得較為困難，從而影響圖像解譯效果。因此要進(jìn)行濾波處理，通過(guò)Hilbert變換將信息轉(zhuǎn)化為時(shí)間域上的瞬時(shí)振幅，瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，可以較好地解決反射相位識(shí)別困難的問(wèn)題，提升圖像分辨率。

(3)由于不同項(xiàng)目區(qū)施工單位的差異，對(duì)混凝土材料的選擇與配比不盡相同，會(huì)影響介電常數(shù)的標(biāo)定與電磁波速度的確定，對(duì)檢測(cè)的厚度的準(zhǔn)確性也會(huì)存在一定程度的影響。因此，需要實(shí)時(shí)布點(diǎn)進(jìn)行心樣樣品多次采集，利用鉆心取樣結(jié)果完成介電常數(shù)與電磁波速度的標(biāo)定，最大程度提升道路厚度分析的準(zhǔn)確性。

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