地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用

地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用

张攀

(广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州， 510010)

摘 要：地质雷达检测技术具有无损、经济快速、高精度等优点，将地质雷达检测技术应用在公路工程检测中，能有效地提高检测结果的准确性、科学性。该文阐述了地质雷达检测技术在公路路面厚度的工作原理，对地质雷达检测产生误差的原因进行了分析，并结合实际工程检测，说明了地质雷达检测技术在公路路面厚度的应用是可行的、可靠的。

关键词：公路工程；地质雷达检测技术；路面厚度

地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPR)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。在公路建设过程中，常采用钻芯取样法对路面厚度指标进行控制。这种检测方法需要对公路路面进行不同程度的破坏，同时取芯法缺乏代表性，存在一定人为因素，影响检测结果的公正性。地质雷达检测技术具有采样快、精度高、分辨率高、经济性强、检测无损伤等特点[1-3]，能有效地弥补传统的检测方法中存在的不足之处，因此将地质雷达检测技术应用在公路工程检测中有十分重要的意义。

1 地质雷达检测技术的发展现状1.1 地质雷达技术的发展

地质雷达是一种地球物理探测方法，其主要利用超高频脉冲电磁波进行地下介质的探测。由于地下介质对电磁波具有较强的衰减性，同时地下介质的复杂性和多样性要远远大于地上的空气，所以，

电磁波在地下的传播要比在地上传播复杂得多。所以，在地质雷达应用的初期，它主要用于冰层或岩盐矿等介质中，因为此类介质的电磁波吸收较弱，在上世纪七十年代以后，随着高新技术的不断发展以及新材料的不断涌现，探地雷达技术也获得了迅速的发展，到目前为止，探地雷达已经广泛应用到了道路工程检测中。

2 地质雷达检测技术的工作原理分析

2.1 地质雷达的系统构成

一套完整的地质雷达设备包括多个子系统，具体有主机、发射机、接收机、天线、信号处理等。发射机用来发射雷达信号。首先由控制电路产生脉冲雷达信号，然后由天线将该信号辐射到路面；接收机用来收集反射信号；天线可以用来发射和接收信号，天线主要分为地面耦合型天线和空气耦合型天线两类；分离器主要用于将发射器和接收器不断地与天线进行联结和切断，这样可以防止接收机的输入元件被发射机的高能输出破坏；信号处理设备主要起到对接收的反射信号进行数据采集、存储、处理以及显示等作用。

2.2 地质雷达检测技术的检测原理

地质雷达检测技术的原理是通过向地下发射脉冲式高频电磁波，高频电磁波在向下传播过程中，遇到电性不同的目标，就会发生散射、反射等现象，反射回来的电磁波会被地面的接收天线接收，通过对反射波进行分析处理，根据反射波的强度、形状、双程旅行时间等参数判断出目标的结构、位置、电性。地质雷达检测技术是利用电磁波脉冲反射原理对公路工程相关结构层的划分、病害检测、预防隐患等工程进行检测，这是一种非接触式物理检测方法，能有效地解决多种公路工程的实际问题。

3 地质雷达检测路面结构厚度技术

地质雷达检测技术具有较高的工作效率以及准确性，将地质雷达检测技术应用在公路工程路面厚度检测中能够有效的进行路面厚度检测及控制，其对于公路工程施工质量的提升与控制十分重要^[-][][][]。

3.1 地质雷达检测路面厚度技术的检测依据

地质雷达检测技术是一种无损检测技术，一般情况下，常用于公路工程的浅部检测中，地质雷达检测技术的探测深度比较小，分辨率高，因此，被检测的路段和路段周围介质需要存在电性差，被检测路段和路段周围的电性差越小，则反射系数就越小，反射信号就越低，反之亦然。据统计，当公路表面层采用水泥混凝土材料修筑时，相对介电常数为3~5，当公路表面层采用改性沥青材料修筑时，相对介电常数为5~10，而公路基层的相对介电常数一般不小于8。公路各结构层的介电常数有明显的差异，这就为地质雷达检测技术的应用提供了有效的检测依据。

3.2 地质雷达检测路面厚度技术的检测方法

地质雷达通过天线将发射器发射的雷达波传送到道路结构层，由于空气的介电常数与路基路面的介电常数具有很大的差异性（空气的介电常数为1，而路基路面远大于1），所以，雷达波的大部分能量都会被路面路基所吸收，同时波的折射角小于波的入射角。雷达波从入射到完成循环的整个过程数据都会由仪器进行记录，通过电磁波的旅行时间、行程和行进速度以后就可以推算出路面结构厚度。如图1。

空气ε₀

面层ε₁

基层ε₂

路基ε₃

图1 地质雷达路面检测示意图

雷达波在介质中的传播速度v与介质的相对介电常数ε存在以下关系：

（1）

式中：c-真空中的电磁波的传播速度，c=0.3m/ns；

ε-介电常数。

脉冲电磁波在空气界面射入，并到面层界面反射，该发射波由特别的雷达接收天线接收，所经历的时间t_i可通过时间脉冲记录器测知，则该电磁波在介质中所经历的距离为：

（2）

式中：h_i-两界面之间的垂直距离（m）；

α_i-电磁波在介质中与主法线的折射角。

（3）

由式（1）和式（2）得：

（4）

（5）

在式（5）中，ε₁由试验测得，α₀为脉冲电磁波的入射角，是在事先设定的，因而α₁可由式（5）求得，路面结构材料厚度可由下列公式计算：

（6）

（7）

（8）

从式（8）可以看出路面材料厚度测量主要由反射信号时间差和介电常数决定。因此要确保测量结果的精确性就要对反射信号时间差和介电常数这二个参数进行严格要求，而这二个参数也是产生误差的关键因素。

3.3 地质雷达检测路面厚度技术误差分析

地质雷达监测技术的误差来源主要分为两个方面，分别是反射信号产生的时间误差与公路结构介电常数标定过程中的误差。

3.3.1 反射信号时间差

要想准确地记录反射信号时间差，首要的问题是确定计算时间的起点。依据地质雷达的工作原理，可以把探地雷达的反射信号的触发点看作是物理时间的起点，但是这样也存在不少问题尚待解决：①强烈的直达波信号和地面反射信号的干扰，使记录整体面貌变坏，影响增益设置和自动增益的使用；②天线的位置随着路况的不同而起伏颤动，识别地面反射点的位置要花费大量的精力。

为了提高起始零点的标定精度，地质雷达一般备有自动调零设置，设计用自动软件将时间起点移到地面反射信号位置。

3.3.2 介电常数的标定

标定介电常数的传统方法主要有数学模型计算、利用钻芯厚度标定以及反射波波幅推导3种。

（1）数学模型计算。在探地雷达的应用中，检测人员常常凭借经验运用线性模型和均方差模型对被测介质的介电常数进行计算，进而进行时深换算，反推路面结构层的厚度。

（2）反射波波幅推导介电常数。通过电磁波反射系数估算公式得出介电常数和反射系数的关系，从而计算出介电常数。

（3）利用钻芯厚度标定介电常数。这种介电常数的标定方法在路面的厚度检测中被广泛应用。其原理是探地雷达检测路面厚度时，检测人员可以通过电磁波得到两界面的反射时间差，又辅以钻芯手段取得路面相同位置的厚度，进一步反推介质的介电常数。

3.4 地质雷达检测路面厚度技术的工程应用

某一级公路路面1标沥青路面厚度检测，采用1G空气耦合天线，采样间隔为1点/m。完成检测后，选择剖面长度70m的行车道上进行取芯验证。共取芯3个点，用第一个钻孔的芯样厚度及雷达波传播时间标定速度，并根据雷达波传播时间计算第二、三个孔位的厚度。结果表明，第二、三个孔位的计算厚度与芯样实测厚度误差分别为1.2mm和-1.6mm，说明地质雷达精度完全满足相关规范要求。如下图2、表1。

图2 地质雷达路面厚度检测图像

表1 取芯厚度与雷达测定厚度对比表（单位：cm）

Tab.2 Comparison of core thickness and radar thickness

因地质雷达具备较高的检测精度，完全可以通过地质雷达检测技术达到路面施工控制的目的。

4 结语

地质雷达技术检测公路路面结构具有检测面广、速度快、无损等特点，可以消除一孔之见，为工程质量评价提供更加丰富的科学依据，且精度较高。因此，作为公路工程施工质量监控，特别是高等级公路各结构层厚度施工的质量监控具有宽广的应用前景。

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