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探地雷达技术在检测路面内部质量中的应用研究

(2019-11-16 15:48:02)
标签:

检测

探地雷达

内部结构质量

高速公路

探地雷达技术在检测路面内部质量中的应用研究

摘要:在中国公路建设快速发展的同时,也逐步呈现出一些不合理现象,如公路部门用于公路新建、扩建的投资比重较大,相应地用于公路养护方面的投资较少;对于公路质量状况的实时检评力度不够,尤其在公路路面结构内部质量状况检测方面缺少有效的方法和手段,路面一般到大面积破损出现时,才提出大修改造措施以恢复路面结构质量。而探地雷达技术恰恰就是在路面尚未达到大修时就能检测出路面结构的内部缺陷,做到提前预知病害并及时有效地加以处理,相对工程大修而言,探地雷达不但技术可行,而且能节约工程造价。

 

关键词:高速公路;内部结构质量;探地雷达;检测

 

传统养护方式一般以人为主,通过日常路面巡视等方式,人为判断路面的病害状况,如沥青路面的裂缝、龟裂、沉陷、波浪拥包等病害,水泥路面的断板、碎裂、脱空等病害,道路表面的病害易于被发现,而隐藏在路面内部的缺陷常不易被发现,这些病害直接反映到路面需要一定的时间,一旦路面产生了严重的病害,就到了大修的阶段,处理费用大增。传统钻孔取芯检测方法通过科学选点、现场钻芯及室内试验等手段获取路面结构层质量参数。取芯法在现场选点时由于具有一定的随机性和偶然性致使检测结果未必能真实反映现场路段的实际情况;取芯机因机械钻取深度有限等技术原因很难发现路面结构层已经存在的病害,因此出现了路面病害直接影响到路面外观质量或车辆行驶舒适性时才引起道路养护部门的重视;作为传统的取芯法,其特点可归纳为:效率低、代表性差,在正常交通车辆运营状况下存在相当大的安全隐患,且路段沿线均为取芯孔洞,不仅影响路面外观,而且对道路实体有一定的破坏作用。由于路面病害只有到了一定严重破坏程度才能引起足够关注而不能提前预知,对以科学合理监控和评估路面质量状况并有针对性地制定处理措施为目的的养护单位而言,该检测方法的合理有效性和应用推广性显得尤为不足。探地雷达作为一种新的检测方法,采用向路面结构层下发射脉冲高频电磁波,通过不同结构层介质不一的电性特征和电磁波的反射原理,获取来自路面以下结构层不同电介质的反射波振幅、频谱、相位等物理参数特征,分析路面结构物电介质物理特征,查找路面结构层存在的各类病害,真正为养护单位采取快速连续、准确无误的养护决策提供技术依据,该项目采用美国GSSISIR-20路面探测雷达,主机可适配16MHz2.2GHz高中低频的各类雷达天线。

 

测试原理

 

探地雷达方法是一种地球物理检测方法,是20世纪70年代发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法,依据电磁脉冲在地下传播的原理进行工作,电磁波由地面的发射天线在向地下传播的过程中,当遇到存在电性差异的地下目标,如管线、空洞、水、分界面等时,电磁波发生反射,由地面的接收天线接收,通过对接收到的雷达波进行处理和分析,形成波的双程走时与检测深度的平面图形,分析图形可推断地下目标体的空间位置、结构、电质特性和几何形态,从而完成对隐蔽目标物的探测工作。

 

探地雷达启动时,发射端向路面结构层下介质层发射一定高频电磁波,经地下病害反射后返回被接收端接收。脉冲波行程时间为:

 

当路面结构层下介质波速已知时,可根据实测行程时间,由上述公式求得病害深度。电磁波往返行程耗时由反射波对发射波的延长耗时确定。反射波形由重复发射的电磁波按等间距叠加波形合成。当路面发射端和接收端沿检测范围以等距离工作时,可在以往返行程时间为纵坐标、测试距离为横坐标的探地雷达检测屏幕上,实时测绘出由病害反射波深度确定的时距波形图。此外,探地雷达还可以实时记录以数字形式采集的各断面波形数据。

 

探地雷达图谱说明

 

对于探地雷达图像的解释,就是通过标志层反射波的双程走时,进行路面结构层厚度的计算,对所发现的异常雷达图像定性地给予路面结构层内可能存在缺陷属性的定性解释。

 

实例验证

 

结合京沪扩建项目开展了一段试验段检查,应用探地雷达谱图分析得出的结论,与现场实地开挖情况对比,验证以探地雷达技术探测的路面板内部缺陷的可行性和正确性。对京沪高速公路KXXX+150~KXXX+800段路面病害进行评估。在现场检测工作开始之前,对该检测路段进行现场实地踏勘,完整收集有关公路设计和施工资料,全面了解沿线道路整体质量分布状况,对现有的路况检测资料进行分类、整理和分析。以下对测得的不同病害分别加以分析说明。

 

脱空

 

脱空主要分为充气脱空和充水脱空。雷达图像上脱空区域内的反射信号比较强。

 

不密实

 

底基层不密实区域内的反射信号比较强。

 

富水区

 

雷达波形可以比较清楚地识别层间富水,层间富水区域内的反射信号比较强。

 

基层损坏(疏松)

 

根据探地雷达反射波波幅的差异状况和波形变化程度,将路面下基层内发现的疏松状况划分为以下3种类型:I类———轻微疏松,即路面下基层存在轻微的疏松;II类———中等疏松,路面下基层的疏松较为严重,但尚未导致局部空洞的产生;III类———严重疏松,路面下基层出现严重疏松,局部已产生较大面积的空洞。

 

破碎、离析

 

从雷达波形可以比较清楚地识别层内破损和面层离析,反射信号也比较强。

 

结语

 

根据探地雷达在实际工程中的检测结果和大量相关研究,利用探地雷达测试特点和优势,提出了异常雷达图像定性图谱所对应的路面结构层内可能存在缺陷属性判定标准,并结合京沪扩建项目开展了一段试验段检查,应用探地雷达谱图分析得出的结论,与现场实地开挖情况对比,比较吻合,验证探地雷达技术探测路面板内部缺陷的可行性和正确性。通过对测试结果分析,利用提出的标准很好地反映出路面结构内部存在的如脱空、不密实、富水、基层损坏、面层离析等各类病害,对高速公路或其他等级公路日常预防性养护和施工改造前病害预测提供了方便快捷、准确判定的方法和标准。

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