在我國(guó),高速公路的發(fā)展速度隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的快速提升而較為迅速,評(píng)價(jià)公路后期維護(hù)的路況質(zhì)量以及檢測(cè)新建公路質(zhì)量的工作量也日益攀升。公路建設(shè)越來(lái)越快,對(duì)檢測(cè)手段的要求也越來(lái)越高,顯然以往的技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足需求。而探地雷達(dá)雖出現(xiàn)得較晚,但是在探測(cè)淺層地下目標(biāo)上其技術(shù)較為新興,與需求相符。
1概述
我國(guó)的公路網(wǎng)隨著近年來(lái)快速的公路建設(shè)而初具規(guī)模。但是,對(duì)公路的路面維護(hù)質(zhì)量決定了公路的使用壽命。而路面維護(hù)需要系統(tǒng)的路面狀況數(shù)據(jù)支撐,因此,對(duì)公路狀況進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)便顯得尤為重要。以往的檢測(cè)方式不僅會(huì)在不同程度上損壞路面,而且無(wú)代表性、效率低下。探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射電磁波采用無(wú)載波的毫微秒脈沖,瞬時(shí)掃頻是其顯著特點(diǎn),在不同土壤頻率范圍內(nèi),它的頻譜具備全穿透以及全覆蓋的能力,可以更好地探測(cè)地下目標(biāo);探測(cè)回波在寬頻譜的作用下使得目標(biāo)電測(cè)特性較為完整且不會(huì)丟失,從而做到有效識(shí)別目標(biāo)。
與以往的檢測(cè)方法相比,探測(cè)雷達(dá)的作用顯著,包括靈活方便的操作、較高的分辨率、連續(xù)的探測(cè)進(jìn)程、較低的探測(cè)費(fèi)用以及較快的探測(cè)速度等。探地雷達(dá)(GPR)這種新型的檢測(cè)方式便應(yīng)運(yùn)而生。此種檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)如今應(yīng)用較為廣泛,其精確度高且高效、無(wú)損。上海市政曾引進(jìn)一臺(tái)探地雷達(dá),但是該設(shè)備與一般的檢測(cè)儀大不相同,其專業(yè)技術(shù)較強(qiáng)且用戶的開(kāi)放性不高。因此,對(duì)于探地雷達(dá)的應(yīng)用較為有限,未將該設(shè)備的作用發(fā)揮到極致,工程人員還未能很好地解釋圖像并處理數(shù)據(jù)。如果將探地雷達(dá)充分應(yīng)用在道路工程上,那么以下大量的工作便可快速開(kāi)展:改造與評(píng)定舊路、勘察與收集設(shè)計(jì)資料、切實(shí)把控施工質(zhì)量、探測(cè)病害隱患、研究檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用技術(shù)、監(jiān)察與仲裁工程質(zhì)量的事故原因以及對(duì)路面的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究等。
2利用探地雷達(dá)技術(shù)來(lái)檢測(cè)識(shí)別異常的公路
2.1 探地雷達(dá)工作原理
雷達(dá)檢測(cè)車以一定速度在路面上行駛,路面探測(cè)雷達(dá)發(fā)射電磁脈沖并在短時(shí)間內(nèi)穿過(guò)路面,脈沖反射波被無(wú)線接收機(jī)接收,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄返回時(shí)間和路面結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)電介質(zhì)常數(shù)的突變情況。路面各結(jié)構(gòu)層材料的電介質(zhì)常數(shù)明顯不同,因此電介質(zhì)常數(shù)突變處也就是兩結(jié)構(gòu)層的界面。根據(jù)測(cè)知的各種路面材料的電介質(zhì)常數(shù)及波速,可計(jì)算路面各結(jié)構(gòu)層的厚度或給出含水量、損壞位置等資料。圖1為SIR-20地質(zhì)雷達(dá)主機(jī),圖2為地質(zhì)雷達(dá)工作原理。
2.2 探地雷達(dá)無(wú)損測(cè)試技術(shù)
首先需要對(duì)正常的雷達(dá)圖像進(jìn)行仔細(xì)探討之后再分析問(wèn)題路面的雷達(dá)圖像。層次分析是路面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn),而層與層之間的建筑材料也不盡相同。從測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),正常的路面層中信號(hào)強(qiáng)度大致相同,在圖像中差別不大;雷達(dá)異常圖像中會(huì)以水平線形來(lái)展示色譜圖或者是波相同相軸,這是對(duì)正常路面基層探地雷達(dá)檢測(cè)圖像的判別標(biāo)志。其中近水平的、平緩、負(fù)峰的色譜線條特點(diǎn)與路面基層的上下界面一一對(duì)應(yīng),色譜也均勻分布在其內(nèi)對(duì)應(yīng)的剖面上。路面基層除了上述特征外,部分近水平、斷續(xù)的、平緩、微弱、平峰的色譜線或同相軸會(huì)呈現(xiàn)在分層鋪筑的界面處,項(xiàng)目的質(zhì)量會(huì)隨著圖像越弱越窄而越優(yōu)秀。若圖像寬且強(qiáng)則代表了界面中有夾層或是太過(guò)松散。
3在公路檢測(cè)中探地雷達(dá)的應(yīng)用
3.1 調(diào)查公路裂縫
雨水通常會(huì)隨著公路裂縫而滲透到公路中,從而使公路路基以及路面受到損毀,影響道路的正常使用。在調(diào)查公路裂縫時(shí),探地雷達(dá)主要分析探討的是反射波同相軸。在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行公路裂縫檢測(cè)時(shí)應(yīng)將天線中心頻率設(shè)置在大約1000Hz。為了確保得到精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果,需要在相同的速度下對(duì)路面規(guī)模以及寬度相對(duì)一致且較為穩(wěn)定的天線頻率下進(jìn)行持續(xù)測(cè)試。
3.2 雷達(dá)對(duì)地層空洞的探測(cè)
與以往的公路施工相比,現(xiàn)階段的施工更為復(fù)雜,道路的總體質(zhì)量與路面的施工品質(zhì)息息相關(guān)。路面因尚存的不同干擾因素而問(wèn)題不斷,例如面層破損以及基層縫隙等。路面結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著問(wèn)題的出現(xiàn)而發(fā)生改變,最終改變結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的布局情況。以此為背景,當(dāng)對(duì)比正常區(qū)域的路面與雷達(dá)所釋放的電磁波時(shí),問(wèn)題便很容易顯示在剖面圖之上,如圖3所示。
4在公路檢測(cè)上應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)
雷達(dá)無(wú)損測(cè)試不會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生不良的影響且擁有極快的檢測(cè)速度。此類檢測(cè)方式以及裝置不僅可以有效降低工作人員的工作量以及工作強(qiáng)度等,而且在結(jié)果的獲知上也較為便捷與直觀,從某種程度上促進(jìn)了管理工作向新時(shí)期發(fā)展,意義顯著。對(duì)橋梁路面開(kāi)展評(píng)價(jià)與無(wú)損檢測(cè)的研究,將在對(duì)道路改造方案的優(yōu)化上、對(duì)路面長(zhǎng)期使用性能的深入認(rèn)識(shí)上、對(duì)路網(wǎng)維護(hù)水平的提升上、對(duì)路面設(shè)計(jì)的改造上以及對(duì)道橋施工質(zhì)量的把控上意義較為深遠(yuǎn)。道路的施工品質(zhì)因此技術(shù)的存在而獲得顯著提升,道路的使用期限也獲得了延長(zhǎng)。在道路檢測(cè)活動(dòng)中將其合理運(yùn)用,項(xiàng)目的潛在問(wèn)題便可以在第一時(shí)間獲知,道路也因此免于過(guò)早受到損壞。
4.1 探地雷達(dá)無(wú)損測(cè)試的定位和勘查
聲波脈沖在傳感器的作用下可以快速穿過(guò)道路的結(jié)構(gòu)層面?zhèn)鞑コ鲂盘?hào),與此同時(shí)設(shè)備會(huì)獲知材料表層的發(fā)射信號(hào),這是其原理。此類信號(hào)的介點(diǎn)數(shù)值不盡相同,數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式便是持續(xù)截面。與其他方法相比較,它的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低,電磁脈沖會(huì)在使用期間釋放出來(lái),然后通過(guò)天線傳遞。而在傳遞的進(jìn)程一旦遇到界面,沖擊波會(huì)出現(xiàn)折射現(xiàn)象且保存在設(shè)備之中。此時(shí),頻率較高的電磁波在天線發(fā)射裝置的作用下會(huì)傳遞到介質(zhì)中,設(shè)備在通過(guò)差別明顯的介質(zhì)時(shí)會(huì)接受部分被反射的電磁能,其他的電磁能會(huì)接著傳遞。表面和反射面的距離可通過(guò)對(duì)反射波的傳播速度以及時(shí)間的分析來(lái)獲知,介質(zhì)的屬性也可依據(jù)反射波的波形以及振幅來(lái)獲得。此方法擁有較高的安全指數(shù)、較為廣泛的應(yīng)用區(qū)間以及較快的測(cè)試速度等。正因如此,在眾多條件不好的區(qū)域也可以發(fā)現(xiàn)它的身影。
4.2 測(cè)試路面的密實(shí)度以及厚度
電磁脈沖由雷達(dá)發(fā)生,在穿透道路表面時(shí)速度較快,無(wú)線接收機(jī)在完成接收脈沖反射波后,出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)電介質(zhì)常數(shù)以及返回的時(shí)間等便會(huì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。路面的結(jié)構(gòu)層眾多且結(jié)構(gòu)層之間的用料也不盡相同,電解質(zhì)的數(shù)值也會(huì)隨之發(fā)生改變。在兩個(gè)結(jié)構(gòu)層的接觸面電解質(zhì)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生突變,路面的厚度以及結(jié)構(gòu)層的含水量也可因獲取的電解質(zhì)速率以及數(shù)值等信息而獲知。一般來(lái)講,路面采樣的頻率和雷達(dá)測(cè)試速率息息相關(guān),由實(shí)踐可知在測(cè)試含水率以及厚度時(shí)路面雷達(dá)的存在意義重大。在地下介質(zhì)中釋放合乎強(qiáng)度規(guī)定的電磁脈沖,然后對(duì)采集的地域波值進(jìn)行詳細(xì)論述,例如傳遞的幅度等,可將介質(zhì)的方位以及構(gòu)造等分析出來(lái),雷達(dá)的幅度以及剖面相位會(huì)在大量積水處以及密度較低的介質(zhì)處發(fā)生變化。
5結(jié)語(yǔ)
探地雷達(dá)將發(fā)射天線送入地下的形式是寬頻帶短脈沖和高頻電磁脈沖波,在傳播時(shí)脈沖遇到的介質(zhì)面不盡相同,那么天線便會(huì)接收部分雷達(dá)波釋放的能量。相信此項(xiàng)檢測(cè)工作在未來(lái)會(huì)隨著科技的不斷進(jìn)步而開(kāi)展得更加到位,從而得到廣泛的應(yīng)用。總而言之,雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展道路上定會(huì)更上一層樓,而無(wú)損檢測(cè)裝置的發(fā)展也將更加安全。
撰稿:王曉鵬,上海市建筑科學(xué)研究院有限公司工程師,研究方向:公路/市政道路檢測(cè)。
【轉(zhuǎn)自《中國(guó)高新科技》雜志2020年第14期】
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