地质雷达在道路质量与病害检测中的应用研究

地质雷达在道路质量与病害检测中的应用研究

胡静轩

武汉路源工程质量检测有限公司  湖北省 武汉市 430000

摘要：目前，传统的路面检测方法主要涉及填砂、钻芯取样、挖坑等，但这些方法存在诸多不足。在使用填砂、岩心钻孔取样、挖坑等检测方法的过程中，会对道路造成局部损伤，而检测后，如果损坏部分不进行修复，或者存在修复不全的情况，则损坏部分就会成为道路病害。

关键词：地质雷达；道路质量；病害检测；应用

一、地质雷达无损检测技术概述

1.地质雷达探测原理

探地雷达(ground Penetratingradar，简称GPR)，又称探地雷达，是一种高频电磁波探测技术，其主频率为几十至几千兆赫兹的电磁波，通过宽屏短脉冲的形式，由地面利用发射天线(T)向地下发射，遇到地下目标或地下接口;电磁波被反射回地面，被地面接收天线(R)接收。通过调零、增益、零偏校准和数字滤波等方法对数据进行分析，推断出地下介质的空间位置、结构、形态和埋深。在不同的介质中，电磁波由于介电常数的不同，反射也不同，反射系数一般用相应的数值符号来描述入射波与反射波的关系。测量过程中，雷达界面上若显示入射波与反射波的相位一致，那么反射系数是正的，反之，反射系数为负。地质检测雷达的分辨率指的是地质雷达在实际检测过程中，可以对异常体进行分辨的能力，其中涉及水平分析与垂直分析。垂直分辨率是两个异常物体在一个垂直方向的最小间隔距离，其能够通过公式进行表示，即深度分辨率，分辨率是两个异常物体在某一方向的最小间隔距离。

2.地质雷达检测的特点

地质雷达探测技术作为一种新的无损检测方法，与传统道路探测方法相比具有以下特点:一是频率范围宽，工作频率范围可达50MHz ~ 2GMHz，探测深度可达50m，并配合高性能的数据分析处理软件，可获得高分辨率波形图像。通过结合波形图像来定义被检测对象的大小。二是无损检测，与常规钻孔岩心检测相比，地质雷达探测技术采用向地下发射电磁波的方式进行探测，不会损坏路面;三是抗干扰能力强，地质雷达能更好地适应不同的地形环境。在受到干扰的情况下，雷达天线可以接收到反射的电磁波，通过数据处理提取目标波形，更直观地解读疾病。此外，对于繁忙的交通路段，全屏蔽地质雷达可以在不阻塞交通的情况下进行正常的探测工作。大大提高了检测效率。

3.地质雷达无损检测使用的前提条件

凭借地质雷达电磁波探测原理能够科学检测道路质量及下方存在的隐患问题。但在实际运用过程中，对异常体进行准确辨别时，往往需结合目标物和周围均匀介质存在的介电常数差异，所以探测时道路需满足相应的地球物理条件，为道路基层与上介质层与下介质层之间，介电常数的较大差异，介电系数受到材料的影响不能过于明显，因现在道路缺陷等异常体相对于道路周边介质，往往孔隙率会变大，相对应的含水率也明显变大，会使介电常数与周边环境产生很大的差异，这为地质雷达进行道路检测提供了良好的地球物理条件基础。

二、地质雷达检测技术的应用

1.道路病害的原因

目前，道路病害存在的问题包括路面结构层空化、裂缝、孔洞、松体、富水等沥青剥落、道路塌陷隐患等。这些病害的形成往往是复杂的，如公路质量差、自然入侵过多、人为因素等综合因素都会造成道路病害的发生。道路路面结构层问题可能会因为路面含水量偏高、整体承载能力不强、混凝土或沥青路面内外温差过大、压实度不够等因素引起，道路塌陷隐患可能会因为地质条件、地下水活动及长期降雨等自然因素和地下管线铺设、车流量急剧增大等因素造成。如若不及时探明这些隐患问题，长期发展下去甚至会引起滑坍的状况。

但是，由于形成的原因很多，这些隐患往往会出现相对随机的情况，如果用传统的岩心钻孔法和其他方法进行检测，不仅要耗费大量的人力物力，而且无法达到调查的目的，而且岩心钻孔法作为一种无损检测方法，也不利于道路的恢复。地质雷达作为一种无损的新技术，可以快速检测道路所有位置的病害隐患问题，且能够根据隐患问题范围及周边含水率的变化初步判定隐患的原因，方便后期对相同病害隐患问题进行处理。

2.正常路面基层标准图像

在路面上，结构层呈分层分布，每层铺装材料的介电常数差别很大。对于正常路面和凹凸不平的路基，路面地质雷达反射的信号色谱是一种近水平线对齐的形式，每一层的信号强度都保持在一个相对稳定的状态，可以在信号屏幕上显示出来，这样图像就不会有明显的变化。正常路面基层标准图像一般作为现场标定的图像，以正常路面基层标准图像为背景来提取出异常图像。对于沥青和混凝土路面质量的检测工作，可根据检测精度和深度的需求，选择高频(1～2GHz)地质雷达进行检测，对较深的路面空洞隐患问题，则选择100～500MHz的天线进行检测。

3.密实程度不均匀疏松图像

路面密度度问题体现在路基离析、压实程度、干湿程度等方面，容易导致路面介电常数发生明显变化。这也会引起雷达电磁波的反射行为，地面可以接收到雷达探测后的反馈剖面图像。不均匀问题表现在雷达图像上为异常幅度会逐渐增大，形成具有连续性特点的反射波，轴向上出现弯曲，抑或是信号中断的状况，波长越长，其在幅度方面的表现就越显著，波轴也会出现较为明显的变化。

4.路面脱空图像

路面脱空出现在基层与平面层结合较为密实的相关区域，如果路面结构有积水的情况，但没有及时处理，那么地表水会逐渐下沉，并让基层与面层变得十分松散，引起脱空的情况。对于此种状态而言，路面结构层中的空洞、脱空与周围介质有着明显不同的介电特性，空洞如果保存完好且未被地下水充盈，表现为高电阻率特性，反之则表现为低电阻率特性。根据波体传播性质以及雷达波发射界面，无论是否冲水，都会在整个反射方面表现显著，波体传播速度也会发生很大变化。若因空洞路面路基出现塌陷等问题，路面上基层以及下基层形成的电磁波反射会逐渐消失，且上基层与面层会增加透镜状反射，凭借研究与分析产生相位，让整个反射过程更加充分，这样才能够顺利判断出路面下方是否存在脱空。

5.路面裂缝图像

路面裂缝问题也是路基病害的常见问题，其介电常数的变化规律与空洞类似，无论裂缝中是否存在大量水资源，都会引起裂缝与周边的介质的介电常数差异很明显，在运用地质雷达开展检测工作时，电磁波发射边界位置会出现绕射波以及反射波。在检测裂缝缝隙的过程中，雷达图像表现为幅值的降低，有的会在路面涉及裂缝的位置出现线性异常图像，同时此图像会表现出低频率与大幅度等相关特点，边界位置两侧也会出现正常层同相轴信号中断的表现。

结束语

地质雷达作为一种高效、快速的无损检测工具，可以很好地用于道路质量和安全隐患的检测。它不仅可以检测现有道路的离析、裂缝、坍塌、空化等隐藏缺陷，还可以用于新工程的验收质量，如路面结构的厚度检测调查。然而，探地雷达在道路探测方面也存在一些不足，比如雷达发射的是高频脉冲电磁波含水量高的地层之中会迅速衰减，导致下层信号弱，探测不到下层的目标体。另外，地质雷达作为一种地球物理检测方法，目前无法对目标体实现定量精确分析，仅仅只能实现定性分析，对于较小的塌陷或空洞区域无法探明。怎样有效地提取地质雷达异常信号和提高信噪比，是未来对地质雷达在道路上应用的研究重点。

参考文献

［1］郭杨．地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用［J］．交通世界，2022，29(12):80－81．

［2］胡振兴．基于地质雷达的公路隧道无损检测与养护管理［J］．黑龙江交通科技，2021，44(9):153－154．

［3］廖振华，余江．地质雷达在公路路面检测中的应用［J］．交通世界，2021，28(23):68－69．