摘要：在瀝青加鋪混凝土路面的各項(xiàng)指標(biāo)中，路面厚度是最難符合要求的。路面厚度對(duì)路面的性能影響很大，如果厚度不能滿足要求，會(huì)導(dǎo)致承載能力不足、使用年限下降。因此無(wú)論在道路施工過(guò)程中還是在交竣工驗(yàn)收檢測(cè)中，進(jìn)行厚度檢測(cè)都是非常必要的。本文討論了探地雷達(dá)的基本原理, 并以實(shí)例分析探地雷達(dá)在瀝青加鋪混凝土路面面層測(cè)厚的應(yīng)用,供道路工程人員參考。

　　關(guān)鍵詞：山東工業(yè)技術(shù),探地雷達(dá),瀝青混凝土,路面,測(cè)厚,應(yīng)用研究

　　道路中使用的探地雷達(dá)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(shù)據(jù)采集的速度, 往往低于20km/h。這類系統(tǒng)在過(guò)去的30年里一直應(yīng)用在底基層異常的探測(cè)上。此類系統(tǒng)所產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)需要大量的預(yù)處理, 并且對(duì)波形信號(hào)的解釋也必須通過(guò)專家才能完成。到20世紀(jì)80年代中期, 空氣驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)得到廣泛應(yīng)用, 這一系統(tǒng)中天線被懸在路面上400--600mm的位置, 數(shù)據(jù)采集的速度可以達(dá)到高速公路上汽車行駛的速度。該系統(tǒng)最大的進(jìn)步是數(shù)據(jù)波形非常清晰, 而且不需要太多的預(yù)處理。

　　一、關(guān)于探地雷達(dá)的基本原理

　　1.空氣驅(qū)動(dòng)的探地雷達(dá)原理如圖1所示。雷達(dá)系統(tǒng)將離散脈沖波發(fā)射到路面中, 同時(shí)收集從路面各層界面所反射回來(lái)的信號(hào)。此類GPR 能夠在80km/ h的行駛速度下每秒發(fā)射和接收50個(gè)脈沖, 并且信號(hào)能穿透路表面以下600mm。圖1是一個(gè)典型的雷達(dá)脈沖,縱坐標(biāo)是電壓, 表示接受到的界面反射能大小, 橫坐標(biāo)表示接收到信號(hào)時(shí)所用的時(shí)間。

　　2.A1是路表面的反射信號(hào), A2是基層頂面的反射信號(hào), A3則是底基層(或土基)頂面的反射信號(hào)。這些反射信號(hào)都是正值, 表明波所穿過(guò)介質(zhì)是由低介電常數(shù)到高介電常數(shù)的材料組成的。介電常數(shù)是材料的一項(xiàng)基本電學(xué)性質(zhì), 它和材料的密度以及含水量有密切關(guān)系。含水量增加, 材料的介電常數(shù)增大;孔隙率增加, 材料的介電常數(shù)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(shí)間來(lái)計(jì)算路面層厚和介電常數(shù)。大多數(shù)路面材料都有典型的介電常數(shù), 如熱拌瀝青混合料( HMA)的介電常數(shù)在4.5-6.5, 具體數(shù)值取決于骨料的類型。如果測(cè)得的介電常數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)范圍就說(shuō)明該層含水量過(guò)高;如果測(cè)量值過(guò)低說(shuō)明該混合料的密實(shí)度有問(wèn)題, 或者是采用了密度較小的骨料。常見路面工程性質(zhì)的變化對(duì)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(shí)間會(huì)增加。第二如果基層過(guò)濕, 那么從基層頂面反射回來(lái)的A2的振幅會(huì)增加。第三如果路面表層有明顯破損, 在A1和A2之間會(huì)出現(xiàn)額外的反射波。第四表層反射波A1出現(xiàn)巨大變化, 說(shuō)明該層在密度或者含水量上有變化。

　　圖1 雷達(dá)工作基本原理

　　二、關(guān)于工程應(yīng)用實(shí)例分析與研究

　　1.我國(guó)道路面層絕大部分為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，其厚度直接影響到道路的整體質(zhì)量，因此，瀝青路面的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)是路面設(shè)計(jì)的核心。合理的厚度設(shè)計(jì)，可以使路面在特定的環(huán)境條件下承受預(yù)期的交通荷載，既不發(fā)生過(guò)早的結(jié)構(gòu)損壞，又可以節(jié)省原材料。隨著道路等級(jí)和車速的提高、交通量的增長(zhǎng)、軸載的加重，路面的負(fù)荷越來(lái)越大，因此，對(duì)于瀝青面層的厚度要求就越來(lái)越嚴(yán)格。為保證道路長(zhǎng)期使用而不過(guò)早地?fù)p壞，瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度一定要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但由于瀝青施工占整個(gè)工程造價(jià)的很大一部分，有些施工單位為賺取最大利潤(rùn)而減小瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度，這就使得瀝青路面厚度的檢測(cè)顯得尤為重要。

　　2.2010年，對(duì)長(zhǎng)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(dá)進(jìn)行改造層厚度檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。工程技術(shù)人員對(duì)主干道進(jìn)行了道路路面瀝青結(jié)構(gòu)層厚度的檢測(cè)，使用的是意大利RIS雷達(dá)，通常道路結(jié)構(gòu)分為路基、基層、面層，每個(gè)層面所用的材料不同，雷達(dá)在不同介質(zhì)傳輸?shù)乃俣纫膊煌�，所以，在雷達(dá)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(cè)的部位為瀝青層，因此，所使用的雷達(dá)只需顯示出瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度，而使用1600MHz 的雷達(dá)天線能夠高精度、高分辨率地檢測(cè)出0.5 m 深度范圍內(nèi)的目標(biāo)。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，通常將探地雷達(dá)測(cè)得值與鉆芯取樣測(cè)得值做對(duì)比，從而求出雷達(dá)探測(cè)波在道路中的實(shí)際波速，在雷達(dá)分析軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)輸入此雷達(dá)波速，就可得到各測(cè)點(diǎn)的雷達(dá)檢測(cè)厚度。

　　三、關(guān)于國(guó)外研究進(jìn)展

　　歐美國(guó)家曾做了大量采用GPR 進(jìn)行高等級(jí)公路路面厚度、路基空洞與缺損等研究工作，并廣泛應(yīng)用于路網(wǎng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

　　1.Scullion 等人通過(guò)將實(shí)際路面結(jié)構(gòu)厚度輸入FWD反算軟件中來(lái)計(jì)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(cè)得路面厚度，采用落錘式彎沉儀(FWD)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，確定路面結(jié)構(gòu)層變化的分界點(diǎn)，然后

　　判定結(jié)構(gòu)層內(nèi)可能的損壞，特別是水損害。德克薩斯交通學(xué)院應(yīng)用GPR對(duì)幾條瀝青路面剝落情況進(jìn)行分析，表明1GZ空氣耦合式喇叭天線對(duì)剝落的識(shí)別效果較好，瀝青路面剝落時(shí)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(shí)GPR 測(cè)試的回波圖盡在路表、瀝青面層與基層界面出現(xiàn)波峰。ernando 通過(guò)將GPR 厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)直接輸入路面管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于進(jìn)行路面等級(jí)調(diào)查。

　　2.但從美國(guó)密蘇里州交通部的實(shí)例也指出，進(jìn)行GPR的測(cè)厚精度，還需要討論其他幾個(gè)影響因素。當(dāng)路面層的材料均勻，層間有明顯的界面時(shí)，GPR 可以接收到清晰的信號(hào)，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(cè)量精度為2.8%。但是對(duì)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(shù)值要有顯著差異。應(yīng)用空氣耦合天線GPR 處理加鋪瀝青面層混凝土舊路時(shí)，尤其是一些經(jīng)過(guò)加寬或者是已經(jīng)有過(guò)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(jié)構(gòu)層厚度值。亦難于測(cè)量新建水泥混凝土板的厚度。研究結(jié)果表明在30d齡期內(nèi)的路面板中，GPR信號(hào)衰減很大。而且，在空隙的探測(cè)方面也幾乎沒有成功經(jīng)驗(yàn)。只有大于15mm 的空隙才會(huì)顯著影響GPR信號(hào)，研究也發(fā)現(xiàn)GPR信號(hào)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(cè)采用傳統(tǒng)的檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)方法，不僅效率低、代表性差、精度不高，且對(duì)路面有損，因而急需發(fā)展快速、簡(jiǎn)便、高精度、高效率的檢測(cè)技術(shù)。探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)作為無(wú)損檢測(cè)設(shè)備中非常重要的一種，已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外道路工程師們的普遍關(guān)注。采用探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究，將在控制道路施工質(zhì)量、深入認(rèn)識(shí)路面長(zhǎng)期使用性能、改善路面設(shè)計(jì)、優(yōu)化道路改造方案及提高路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)水平等方面具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]馬磊，韋佑坡，王磊，等. Domix 改性瀝青及混合料的路用性能研究[J]. 公路工程，2010， 35(4) : 84-88.

　　[2]黃冰，顏可珍，林峰. 瀝青低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度分析[J]. 公路工程，2010， 35(2) : 19-22.

　　[3]葛折圣，黃曉明，許國(guó)光. 用彎曲應(yīng)變能方法評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2002，32(4) : 653 - 655.

　　[4]王德斌，黃質(zhì)宏.地質(zhì)雷達(dá)在道路厚度結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].貴州科學(xué)，20012(4).

　　[5]劉新兵.淺談公路路面厚度檢測(cè)試驗(yàn)方法[J].科技風(fēng)，2010.