祝爭艷 蔡文龍 張浩浩

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211112； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211086)

近年來，隨著交通量的不斷增大，在交通荷載、環(huán)境等因素的反復作用下，高速公路路面裂縫病害逐漸增多，使用年限較長的高速公路，其裂縫病害呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。裂縫病害不僅會影響高速公路的路用性能和行車舒適度，而且隨著路表積水沿裂縫下浸，半剛性基層會被侵蝕，使基層喪失承載力與穩(wěn)定性，進而引發(fā)卿漿、脫空等次生病害；同時在車輛荷載和溫度應力影響下，會使裂縫向四周擴散，縮短路面使用壽命[1]。因此，高速公路路面裂縫病害的探測與防范治理工作已經(jīng)刻不容緩。探地雷達作為一種無損的探測技術(shù)，具有較高的探測精度和分辨率，對道路裂縫的探測具有較好的效果，能夠為裂縫處治方案提供必要的資料，防范裂縫引發(fā)更嚴重的次生病害，延長路面使用壽命。三維探地雷達相比于二維探地雷達，具有覆蓋面積廣，裂縫形態(tài)判斷準確等優(yōu)點，在道路裂縫精細化檢測中三維探地雷達能夠取得較好的效果。

1 探地雷達工作原理及特點

探地雷達(Ground Penetrating Randa,GPR)是一種使用高頻無線電磁波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的探測方法。探地雷達不同的天線具有不同的頻率范圍，頻率范圍決定天線的探測深度和分辨率。探地雷達采用較低頻率和較窄帶寬電磁波天線進行探測時，其探測深度較大，分辨率較低；反之，探地雷達采用較高頻率和帶寬頻率范圍電磁波天線進行探測，其探測深度淺，但分辨率較高[2-4]。

探地雷達向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播的過程中，當遇到存在電性差異的地下介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生反射，反射回上方的電磁波被接收天線所接收，通過對接收的雷達回波信號進行分析處理，分析其特征，可以得到路面各層的厚度、密實度及缺陷等[3,4]，如圖1所示。

探地雷達方法在道路裂縫病害檢測方面具有快速、無損、高精度、連續(xù)、高分辨率等特點。在探地雷達的檢測中，相對介電常數(shù)是反映地下介質(zhì)電性的重要參數(shù)，不同介電常數(shù)的兩種介質(zhì)交界面會引起電磁波的反射。道路中的工程介質(zhì)是具有一定電阻率的電介質(zhì)，大多是介電常數(shù)小、電阻率大的介質(zhì)，探地雷達在此類介質(zhì)中進行探測時的效果較為理想。在對高速公路進行檢測時，車載式雷達能夠在不封閉交通的情況下以80 km/s的速度對道路進行檢測，檢測過程中的雷達數(shù)據(jù)剖面實時傳輸，能夠直觀地顯示道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況，保證了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可靠性。而且探地雷達的抗干擾能力較強，不受機械振動干擾的影響，對于工業(yè)電的電磁信號抗干擾能力較好。

2 三維探地雷達技術(shù)

三維探地雷達是一種新型的無損探測設(shè)備，其工作原理是通過發(fā)射天線向路面結(jié)構(gòu)發(fā)射穿透性的高頻電磁波，由配對的接收天線進行定向發(fā)射信號接收，再通過雷達主機的數(shù)據(jù)處理與分析，最后在電腦中重建三維性質(zhì)的路面結(jié)構(gòu)檢測信息。相比于二維探地雷達，三維探地雷達陣列天線能夠采集海量無縫拼接的雷達數(shù)據(jù)，不會造成地下信息的缺失，而且在采集過程中，能夠使用GPS進行高精度定位，為后期的數(shù)據(jù)解釋提供位置信息。三維陣列天線實現(xiàn)了真三維采集，使得地下目標體成像清晰、準確，可對地下目標體進行任意深度水平切片展示[5,6]。

在數(shù)據(jù)采集方面，三維探地雷達天線系統(tǒng)采用發(fā)射天線和接收天線獨立分開，等距離交錯排列的方式，一個接收天線接收相鄰兩個發(fā)射天線發(fā)射的電磁波(如圖2所示)，實現(xiàn)了剖面間距接近電磁波主頻1/4波長的理想狀態(tài)。相比于將多個獨立的二維天線并在一起工作，得到多個合成的二維雷達剖面的多通道雷達系統(tǒng)，三維雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)體的無縫鏈接，成果為一個完整的三維數(shù)據(jù)體，可對任意深度的水平切片進行展示。

不同的探地雷達采用的信號是多種多樣的，道路工程一般采用寬頻信號源來進行探地雷達檢測。頻率域中的寬頻信號在時間域中表現(xiàn)為脈沖形狀的窄波。這樣做的目的是為了在不同的層界面得到清晰的反射脈沖，從而獲得反射的時間點，以便計算層間距離。而要產(chǎn)生寬頻信號有兩種方法，一種是在時間域中直接發(fā)射脈沖波，另一種是在頻率域中發(fā)射步進式頻率信號[7]。本文采用的三維探地雷達系統(tǒng)是由挪威3D-Radar公司生產(chǎn)的21通道地面耦合式探地雷達系統(tǒng)，其主要由GEOSCOPETMMK IV雷達主機、DXG1820地面耦合天線組成。GEOSCOPETMMK IV雷達主機采用頻率步進技術(shù)，其工作頻率以階梯方式步進，工作頻率范圍可達50 MHz～3 050 MHz，其頻率步進脈沖見圖3。由于采用頻率步進技術(shù)，雷達掃描可實現(xiàn)低頻率與高頻率同時進行掃描檢測的功能，對于淺層目標可實現(xiàn)高分辨率的雷達圖像成圖，對于深層目標可實現(xiàn)準確探測，一次檢測即可獲取全頻率數(shù)據(jù)。同時頻率步進技術(shù)可以根據(jù)檢測目的不同，可選擇不同范圍的頻率從而實現(xiàn)更高速的檢測。在后期數(shù)據(jù)處理與重現(xiàn)過程中，可使用不同頻率的加權(quán)對數(shù)據(jù)重新處理，以便突出感興趣的特征。由于頻率步進信號是低峰值功率信號，能有效減少其他無線電波對其的干擾。

3 裂縫形態(tài)檢測

圖4為潤揚大橋高速所測裂縫，路表裂縫為三車道貫穿，硬路肩未出現(xiàn)裂縫；3D雷達深度切片圖像中，面層的裂縫僅發(fā)展在第三車道，硬路肩未出現(xiàn)，這與路表裂縫貫穿程度一致，上基層裂縫貫穿三車道的左半側(cè)，而三車道右側(cè)在三維探地雷達切片中無法看到裂縫的圖像，而在下基層處，可看到裂縫貫穿了三車道及硬路肩。在三車道左輪跡帶取芯的芯樣中可以看到，裂縫貫穿了面層與基層，而在三車道中間取得芯樣中，裂縫僅在未完全貫穿面層。三維探地雷達檢測結(jié)果與取芯結(jié)果一致。

圖5為寧杭高速所測裂縫，路表裂縫為三車道貫穿，但硬路肩未出現(xiàn)裂縫；三維探地雷達深度切片圖像中面層的裂縫僅發(fā)展在第三車道，硬路肩未出現(xiàn)，這與路表裂縫貫穿程度一致；上、下基層均存在裂縫，且已貫穿第三車道及硬路肩。而在取芯圖中可以看出，芯樣在面層和基層均出現(xiàn)裂縫，在基層中裂縫由上向下其寬度變大，且芯樣在下基層底部出現(xiàn)松散病害，三維探地雷達檢測結(jié)果與取芯結(jié)果一致。

4 裂縫寬度定量化識別

垂直裂縫的反射波在雷達圖像同相軸上呈現(xiàn)拋物線的圖像特征，由此可判斷裂縫的空間位置，但無法依此判斷裂縫的寬度。探地雷達是根據(jù)地下介質(zhì)的電性差異進行探測的，在介電常數(shù)不同的介質(zhì)中，電磁波的振幅會發(fā)生變化，因此可以根據(jù)探地雷達回波信號的振幅差異來對裂縫的寬度進行判斷。本節(jié)針對裂縫病害，建立不同寬度裂縫的數(shù)學模型，采用時域有限差分法對裂縫寬度進行數(shù)值模擬，對雷達回波信號進行分析，建立裂縫寬度與雷達振幅之間的關(guān)系，為裂縫寬度的定量化識別進行研究。

4.1 數(shù)值模擬

路面結(jié)構(gòu)組成采用面層與半剛性基層的組合結(jié)構(gòu)，上、中、下面層考慮到材料接近因此設(shè)置為單層18 cm，基層厚度設(shè)置為18 cm；天線頻率選擇為1 000 MHz。各層材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)一覽表

表1中面層與基層介電常數(shù)為通過現(xiàn)場實際測量厚度反算得到的介電常數(shù)，裂縫處介電常數(shù)為空氣介電常數(shù)。

ε=(c/v)2。

v=2×(h/t)。

其中，c為光速，3×108m/s；v為波速，m/ns；h為芯樣厚度，面層芯樣為17.9 cm，基層芯樣為17.3 cm；t為測試時間，面層測試時間為2.3 ns，基層測試時間為4.5 ns。

通常情況下導體的相對磁導率均為1 H/m；由于面層與基層導電率極低，因此電導率設(shè)置為0.000 1 S/m，而空氣不導電因此為0 S/m。

為了正演不同寬度的裂縫雷達回波信號的特點，選擇了2 mm，5 mm，10 mm，20 mm，40 mm，50 mm，80 mm及150 mm的裂縫寬度，裂縫設(shè)置為貫穿面層與基層，垂直向下延伸一直到模擬的底部，裂縫內(nèi)部的充填介質(zhì)設(shè)置為空氣，見圖6。

通過圖7正演后的探地雷達響應圖可以看出：

1)通過原始路面結(jié)構(gòu)正演模型可知，面層與基層界面的時間深度為3 ns。

3)裂縫寬度在2 mm,5 mm,10 mm,20 mm,40 mm,50 mm 處探地雷達在面層與基層交界面無法識別裂縫的準確寬度，只有當裂縫寬度為80 mm,150 mm時，裂縫響應的開口寬度才能識別出裂縫的真實寬度。

4.2 模型理論分析

根據(jù)上述不同寬度裂縫的探地雷達正演模擬，對于寬度小于探地雷達理論分辨率寬度的裂縫，僅從圖像上無法準確辨別哪一處裂縫更加嚴重，但是由于裂縫寬度不同導致其周圍介電常數(shù)差異與正常道路結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)存在差異，因此電磁波在不同寬度裂縫中的界面反射波振幅存在明顯的差異，可以根據(jù)同一層位不同程度的振幅強度與該層位未出現(xiàn)裂縫的振幅強度進行對比，分析振幅差異，從而對裂縫寬度進行定量化識別。

其中，e為振幅差異；An為存在異常處振幅；A0為參考振幅。

探地雷達正演模擬結(jié)果見圖8。

通過裂縫寬度與振幅差異的相關(guān)性分析可以看出：

1)不同寬度裂縫與回波信號的振幅差異存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達到97.95%；

2)隨著裂縫寬度的不斷增加，回波信號的振幅差異增加速度逐漸變慢，因此裂縫寬度不斷增加后對于振幅差異的影響會逐漸減小；

3)在進行探地雷達裂縫寬度定量化識別研究中，可以通過振幅差異與裂縫寬度的關(guān)系進行深度分析，從而得到實際工程中基于振幅差異的定量化指標。

4.3 實測裂縫分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，裂縫寬度與振幅差異之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，即裂縫寬度越大，裂縫處振幅與正常無病害處振幅差異越大，通過對16個斷面的38個芯樣進行了現(xiàn)場檢測及取芯統(tǒng)計，見圖9。

通過裂縫寬度與振幅差異相關(guān)性分析可知：

1)裂縫寬度與振幅差異相關(guān)性較好，相關(guān)性為84.91%；

2)隨著裂縫寬度的增加，裂縫的寬度對振幅差異的影響逐漸減小，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

本文通過三維探地雷達在道路裂縫檢測中的應用，主要結(jié)論如下：

1)三維探地雷達在道路裂縫檢測中，具有定位準確，覆蓋面積廣，裂縫形態(tài)清晰等優(yōu)點，在道路裂縫探測中能夠取得較好的效果，實踐表明，三維雷達探測結(jié)果與取芯檢測結(jié)果基本一致，其無損檢測特點不會對道路結(jié)構(gòu)造成損害，不同深度的雷達剖面切片圖有利于對裂縫的形態(tài)及發(fā)展層位進行判斷，能夠為后期的養(yǎng)護決策方案提供依據(jù)。

2)本文通過建立不同寬度裂縫的模型進行正演模擬，提出了基于振幅差異的裂縫寬度定量化識別方法，數(shù)值模擬結(jié)果表明裂縫寬度與振幅差異之間存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達到97.95%，且隨著裂縫寬度的增加對于振幅差異的影響逐漸減小。

3)本文通過現(xiàn)場檢測及取芯取樣，驗證了振幅差異在實際工程中與裂縫寬度之間存在較好的相關(guān)性，相關(guān)性達到84.91%。因此本文提出的采樣振幅差異進行裂縫寬度的定量化識別具有較高的可行性，后期需要進一步收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)完善模型，提高識別精度。