摘要：在瀝青加鋪混凝土路面的各項指標中，路面厚度是最難符合要求的。路面厚度對路面的性能影響很大，如果厚度不能滿足要求，會導致承載能力不足、使用年限下降。因此無論在道路施工過程中還是在交竣工驗收檢測中，進行厚度檢測都是非常必要的。本文討論了探地雷達的基本原理, 并以實例分析探地雷達在瀝青加鋪混凝土路面面層測厚的應用,供道路工程人員參考。

　　關鍵詞：山東工業(yè)技術,探地雷達,瀝青混凝土,路面,測厚,應用研究

　　道路中使用的探地雷達分為兩類。一類是傳統(tǒng)的類型, 其天線必須與媒介相連, 這就限制了數據采集的速度, 往往低于20km/h。這類系統(tǒng)在過去的30年里一直應用在底基層異常的探測上。此類系統(tǒng)所產生的雷達信號需要大量的預處理, 并且對波形信號的解釋也必須通過專家才能完成。到20世紀80年代中期, 空氣驅動的雷達得到廣泛應用, 這一系統(tǒng)中天線被懸在路面上400--600mm的位置, 數據采集的速度可以達到高速公路上汽車行駛的速度。該系統(tǒng)最大的進步是數據波形非常清晰, 而且不需要太多的預處理。

　　一、關于探地雷達的基本原理

　　1.空氣驅動的探地雷達原理如圖1所示。雷達系統(tǒng)將離散脈沖波發(fā)射到路面中, 同時收集從路面各層界面所反射回來的信號。此類GPR 能夠在80km/ h的行駛速度下每秒發(fā)射和接收50個脈沖, 并且信號能穿透路表面以下600mm。圖1是一個典型的雷達脈沖,縱坐標是電壓, 表示接受到的界面反射能大小, 橫坐標表示接收到信號時所用的時間。

　　2.A1是路表面的反射信號, A2是基層頂面的反射信號, A3則是底基層(或土基)頂面的反射信號。這些反射信號都是正值, 表明波所穿過介質是由低介電常數到高介電常數的材料組成的。介電常數是材料的一項基本電學性質, 它和材料的密度以及含水量有密切關系。含水量增加, 材料的介電常數增大;孔隙率增加, 材料的介電常數減小。本文將在下節(jié)介紹如何利用反射波的幅度以及反射延遲時間來計算路面層厚和介電常數。大多數路面材料都有典型的介電常數, 如熱拌瀝青混合料( HMA)的介電常數在4.5-6.5, 具體數值取決于骨料的類型。如果測得的介電常數值遠遠大于這個范圍就說明該層含水量過高;如果測量值過低說明該混合料的密實度有問題, 或者是采用了密度較小的骨料。常見路面工程性質的變化對GPR 波形的影響情況有:第一如果路面表層的厚度增加, 那么A1和A2之間的間隔時間會增加。第二如果基層過濕, 那么從基層頂面反射回來的A2的振幅會增加。第三如果路面表層有明顯破損, 在A1和A2之間會出現額外的反射波。第四表層反射波A1出現巨大變化, 說明該層在密度或者含水量上有變化。

　　圖1 雷達工作基本原理

　　二、關于工程應用實例分析與研究

　　1.我國道路面層絕大部分為瀝青混凝土結構，其厚度直接影響到道路的整體質量，因此，瀝青路面的結構厚度設計是路面設計的核心。合理的厚度設計，可以使路面在特定的環(huán)境條件下承受預期的交通荷載，既不發(fā)生過早的結構損壞，又可以節(jié)省原材料。隨著道路等級和車速的提高、交通量的增長、軸載的加重，路面的負荷越來越大，因此，對于瀝青面層的厚度要求就越來越嚴格。為保證道路長期使用而不過早地損壞，瀝青結構層的厚度一定要達到設計要求。但由于瀝青施工占整個工程造價的很大一部分，有些施工單位為賺取最大利潤而減小瀝青結構層的厚度，這就使得瀝青路面厚度的檢測顯得尤為重要。

　　2.2010年，對長沙市岳麓大道大面積的“白改黑”改造，即在舊混凝土路面上加鋪改性橡膠瀝青混凝土，這就為探地雷達進行改造層厚度檢測提供了基礎。工程技術人員對主干道進行了道路路面瀝青結構層厚度的檢測，使用的是意大利RIS雷達，通常道路結構分為路基、基層、面層，每個層面所用的材料不同，雷達在不同介質傳輸的速度也不同，所以，在雷達顯示屏上能很明顯地區(qū)分出每層的分界線。由于所需要探測的部位為瀝青層，因此，所使用的雷達只需顯示出瀝青結構層的厚度，而使用1600MHz 的雷達天線能夠高精度、高分辨率地檢測出0.5 m 深度范圍內的目標。在實際的檢測過程中，通常將探地雷達測得值與鉆芯取樣測得值做對比，從而求出雷達探測波在道路中的實際波速，在雷達分析軟件處理數據時輸入此雷達波速，就可得到各測點的雷達檢測厚度。

　　三、關于國外研究進展

　　歐美國家曾做了大量采用GPR 進行高等級公路路面厚度、路基空洞與缺損等研究工作，并廣泛應用于路網檢測與評價。

　　1.Scullion 等人通過將實際路面結構厚度輸入FWD反算軟件中來計算每層的模量，提高落錘式彎沉儀FWD 的反算精度，研究思路采用GPR 測得路面厚度，采用落錘式彎沉儀(FWD)進行標定試驗，確定路面結構層變化的分界點，然后

　　判定結構層內可能的損壞，特別是水損害。德克薩斯交通學院應用GPR對幾條瀝青路面剝落情況進行分析，表明1GZ空氣耦合式喇叭天線對剝落的識別效果較好，瀝青路面剝落時在路表反射與面層和基層截面反射間有1 波峰，而不存在剝落時GPR 測試的回波圖盡在路表、瀝青面層與基層界面出現波峰。ernando 通過將GPR 厚度檢測數據直接輸入路面管理系統(tǒng)數據庫，用于進行路面等級調查。

　　2.但從美國密蘇里州交通部的實例也指出，進行GPR的測厚精度，還需要討論其他幾個影響因素。當路面層的材料均勻，層間有明顯的界面時，GPR 可以接收到清晰的信號，新建瀝青混凝土路面厚度的精確度為1.7%，舊混凝土路面厚度的測量精度為2.8%。但是對于由多層瀝青混合料組成的舊瀝青路面，GPR的精度就降低到5%左右。要想得到精確的路面層厚度，各路面層間的介電常數值要有顯著差異。應用空氣耦合天線GPR 處理加鋪瀝青面層混凝土舊路時，尤其是一些經過加寬或者是已經有過部分維修的路面，如基層材料和土基可能交匯在一起就很難得到可靠的路面結構層厚度值。亦難于測量新建水泥混凝土板的厚度。研究結果表明在30d齡期內的路面板中，GPR信號衰減很大。而且，在空隙的探測方面也幾乎沒有成功經驗。只有大于15mm 的空隙才會顯著影響GPR信號，研究也發(fā)現GPR信號難以區(qū)分水填充的空隙和飽和(水)基層。

　　在城市地區(qū)，目前公路檢測采用傳統(tǒng)的檢測和養(yǎng)護方法，不僅效率低、代表性差、精度不高，且對路面有損，因而急需發(fā)展快速、簡便、高精度、高效率的檢測技術。探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)作為無損檢測設備中非常重要的一種，已經受到了國內外道路工程師們的普遍關注。采用探地雷達對瀝青路面進行無損檢測與評價技術研究，將在控制道路施工質量、深入認識路面長期使用性能、改善路面設計、優(yōu)化道路改造方案及提高路網養(yǎng)護水平等方面具有重要意義。

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