探地雷達技術在公路質量檢測中的應用
2012-01-31 來源：中國百科網(wǎng)
隨著我國高速公路的快速發(fā)展,無損檢測技術的作用也日益明顯。新建公路質量的檢測任務日益加重,公路的后期維護過程中,路況質量評價的工作量也會急劇增大,在不影響車輛正常行駛及不破壞路面原有結構的前提下,為準確控制公路工程的建設質量和評價公路的運營使用情況,采用高科技的無損檢測技術是必然要求。
一、探地雷達的公路質量檢測技術基本原理
公路探地雷達的基本原理，是將一個寬頻譜，脈寬為亞毫微秒量級的無載波脈沖加寬到寬帶色散時域保形發(fā)射天線上，并有效的輻射到地下，當脈沖波在地下傳播過程中遇到介質面，目標或其他局域介質不均勻體時，一部分脈沖波能量反射回地面，由寬度非色散時域保形接收天線將探測到的地下的反射回波接收并傳輸?shù)綍r域寬帶接收機，然后再轉化為數(shù)字信息來進行數(shù)字信號的處理探地雷達應用技術從事探地雷達生產、服務的廠商日益增多,目前市場推出的探地雷達主要有：①美國地球物理探測設備公司（GSSI）的SIR系列；②加拿大探頭及軟件公司（SSI）的PulseEKKO系列；③日本應用地質株式會社（OYO公司）的GEORADAR系列；④瑞典地質公司（SGAB）的RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)；⑤意大利IDS公司的RIS系列；⑥加拿大路用雷達有限公司的（RRI）路用雷達等。
二、模型檢測
在對探地雷達原理及相關技術進行研究的基礎上,對實際路面進行了檢測,以此來檢驗方法技術的有效性,使用的儀器配置為LTD-2000系列探地雷達,500M及900M屏蔽天線。
為了更準確地評估探地雷達的探測性能,設計了一系列模型,模擬了公路結構中存在的脫空、剝落、空穴等病害,通過對這些模型的檢測,對探地雷達探測性能做出定性或半定量的評價。
1．并列鋼筋檢測
設計此項實驗是為了分析探地雷達對于地下點狀或“類點狀”目標的探測性能（桿狀、線狀物體與GPR測線垂自時,相當于點狀目標）。金屬是良導體,當入射的電磁波到達其表面時就會產生電磁感應,進而發(fā)生強烈的反射作用,通常稱為“全反射”,其反射系數(shù)約為－1,即入射電磁波能量幾乎都被反射。
2．PVC管檢測
PVC管介電性質與空氣近似,可用來模擬公路結構中的空穴,首先將一根直徑25mm的鋼筋和兩根直徑50mm的PVC管水平排列進行檢測。反射界面上下介質的介電常數(shù)差異越大,則反射系數(shù)越大,反射回波幅值就越強,所得圖像就越清晰。金屬對雷達波幾乎是“全反射”,反射系數(shù)為－1,而空氣相對介電常數(shù)為1,干沙介電常數(shù)為～6,因為空穴與圍巖交界面反射系數(shù)明顯小于金屬反射系數(shù),因此其反射回波能量較弱,所得圖像較模糊。
3．變埋深鋼筋檢測
由于信號哀減及散射,來自地下深處的目標體反射信號遠不如淺部目標體響應強烈,該試樣用來檢驗雷達系統(tǒng)探測深度,鋼筋被安放在沙土表面以下12cm及28cm的深度。深度較大時由于信號哀減,回波幅值減弱,但其雙曲線形態(tài)卻更顯著。另外,適當提高天線移動速度也有助于得到平滑的圖像。
三、公路工程基本要求
路基和路面是公路上程的主要結構物,共同承擔車輛的荷載作用。路基的強度和穩(wěn)定性是保證路面平整度、強度和穩(wěn)定性的重要條件之一,路面質量對車輛的行駛速度、載荷能力、燃料消耗、機械磨損、行車舒適,以及交通安全都有極大影響,所以為保證公路的正常使用性能,必須對路基、路面進行經常性的、預防性的、科學合理的養(yǎng)護,使其經常保持良好的服務
水平,并有計劃地對原有路面進行改善、提高,以適應交通發(fā)展的需要。
1．對路基的基本要求
路基是公路的主體,它貫穿公路全線,并與沿線的橋梁、隧道和涵洞等相連接,路基又是路面的基礎,它與路面共同承擔汽車載荷的作用,路面靠路基來支撐,沒有穩(wěn)固的路基就沒有穩(wěn)固的路面。常見的路基形式有路堤、路塹、填挖結合三種。
路基的強度和穩(wěn)定性是保證路面強度和穩(wěn)定性的先決條件,提高路基的強度和穩(wěn)定性,可以適當減薄路面的結構層厚度,從而達到降低上程造價的目的。因此除要求路基斷面的尺寸符合設計外,路基應滿足下列基本要求：具有足夠的整體穩(wěn)定性；具有足夠的強度和剛度；具有足夠的水溫穩(wěn)定性。
2．路面的損壞模式
由于荷載、環(huán)境、材料組成、結構組合、施上和養(yǎng)護等條件的差異,路面損壞的形式是多種多樣。大致有三種類型,裂縫類（如縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、塊狀裂縫等）變形類（如凹陷、隆起、車轍、搓板、推擠、擁包等）和表面缺損類（如露骨、松散、剝落、坑槽等）。瀝青路面常見的損壞模式分為以下幾種：沉陷、車轍、推移、開裂、低溫縮裂和反射裂縫、松散和坑槽。
這些病害的產生必然導致路面結構的變化,從而改變原有路面結構各層的界面,或者產生新的異常界面,在探地雷達檢測剖面中均能得到體現(xiàn),通過與正常路段的對比,很容易在探地雷達檢測剖面中識別這些異常,達到路基、路面質量檢測的目的。
四、探地雷達在公路工程中的應用
路用探地雷達具有無損、快速、連續(xù)、高精度、高分辨率、實時成像探測等特點,它在精確檢測路面層厚度的基礎上,可以成功地探測公路結構層病害,有利于公路的維護與保養(yǎng),為交通部門提供了一種高效先進的無損檢測手段。路用探地雷達以其獨特的優(yōu)越性,己經滲透到公路施上及后期檢測養(yǎng)護的全過程,在公路建設前期可利用探地雷達對地質基礎進行勘查探測,確定地質結構,劃分不良地質體；在施上過程中,利用探地雷達可以全面準確地檢測出路面結構層厚度,從而保證施上質量；在公路運營階段,運用GPR進行公路日常檢測,及時發(fā)現(xiàn)各種隱患,對于指導公路養(yǎng)護維修,延長公路使用壽命具有重要意義。
探地雷達在公路上程中的應用最初是作為測量路面層厚的上具而出現(xiàn)的,隨著探地雷達應用技術的發(fā)展成熟,GPR在公路質量控制及病害檢測方面都取得了一定成效。雷達波的穿透深度主要取決于地下介質的電性和波的頻率。導電率越高,穿透深度越?。侯l率越高,穿透深度越小,反之亦然。對于公路檢測而言,水泥混凝土面層的導電率高于瀝青混凝土面層的導電率,因此相同頻率的雷達波在瀝青混凝土面層中的穿透能力大于大水泥混凝土面層中的穿透能力。在實際檢測上作中,探測瀝青混凝土面層應使用頻率大于1200MHz的天線,而對于水泥混凝土面層2500MHz天線一般難以穿透,只能使用900～1000MHz的天線；探測基層可使用頻率為800～1000MHz的天線,探測路基可使用頻率為300～900MHz的天線。
五、結束語
公路探地雷達檢測技術作為高新技術在公路建設與養(yǎng)護中的應用，突出了高效、無損、快速、連續(xù)等一系列超強特點，它的使用大大提高了公路建設過程中的檢測效率和檢測精度，為道路建設過程中質量的提高提供了有力的監(jiān)督保障手段，而且對檢測數(shù)據(jù)的整理分析后形成道路建設質量檢測數(shù)據(jù)庫，明確劃分出各檢測路段中存在的問題及需要注意的薄弱路段，指導道路工程后期的養(yǎng)護與管理，作到有的放矢，這對于節(jié)約養(yǎng)護經費、保證養(yǎng)護質量是十分有利的。
