摘要：在沥青加铺混凝土路面的各项指标中，路面厚度是最难符合要求的。路面厚度对路面的性能影响很大，如果厚度不能满足要求，会导致承载能力不足、使用年限下降。因此无论在道路施工过程中还是在交竣工验收检测中，进行厚度检测都是非常必要的。本文讨论了探地雷达的基本原理, 并以实例分析探地雷达在沥青加铺混凝土路面面层测厚的应用,供道路工程人员参考。
关键词：山东工业技术,探地雷达,沥青混凝土,路面,测厚,应用研究
道路中使用的探地雷达分为两类。一类是传统的类型, 其天线必须与媒介相连, 这就限制了数据采集的速度, 往往低于20km/h。这类系统在过去的30年里一直应用在底基层异常的探测上。此类系统所产生的雷达信号需要大量的预处理, 并且对波形信号的解释也必须通过专家才能完成。到20世纪80年代中期, 空气驱动的雷达得到广泛应用, 这一系统中天线被悬在路面上400--600mm的位置, 数据采集的速度可以达到高速公路上汽车行驶的速度。该系统最大的进步是数据波形非常清晰, 而且不需要太多的预处理。
一、关于探地雷达的基本原理
1.空气驱动的探地雷达原理如图1所示。雷达系统将离散脉冲波发射到路面中, 同时收集从路面各层界面所反射回来的信号。此类GPR 能够在80km/ h的行驶速度下每秒发射和接收50个脉冲, 并且信号能穿透路表面以下600mm。图1是一个典型的雷达脉冲,纵坐标是电压, 表示接受到的界面反射能大小, 横坐标表示接收到信号时所用的时间。
2.A1是路表面的反射信号, A2是基层顶面的反射信号, A3则是底基层(或土基)顶面的反射信号。这些反射信号都是正值, 表明波所穿过介质是由低介电常数到高介电常数的材料组成的。介电常数是材料的一项基本电学性质, 它和材料的密度以及含水量有密切关系。含水量增加, 材料的介电常数增大;孔隙率增加, 材料的介电常数减小。本文将在下节介绍如何利用反射波的幅度以及反射延迟时间来计算路面层厚和介电常数。大多数路面材料都有典型的介电常数, 如热拌沥青混合料( HMA)的介电常数在4.5-6.5, 具体数值取决于骨料的类型。如果测得的介电常数值远远大于这个范围就说明该层含水量过高;如果测量值过低说明该混合料的密实度有问题, 或者是采用了密度较小的骨料。常见路面工程性质的变化对GPR 波形的影响情况有:第一如果路面表层的厚度增加, 那么A1和A2之间的间隔时间会增加。第二如果基层过湿, 那么从基层顶面反射回来的A2的振幅会增加。第三如果路面表层有明显破损, 在A1和A2之间会出现额外的反射波。第四表层反射波A1出现巨大变化, 说明该层在密度或者含水量上有变化。
图1 雷达工作基本原理
二、关于工程应用实例分析与研究
1.我国道路面层绝大部分为沥青混凝土结构，其厚度直接影响到道路的整体质量，因此，沥青路面的结构厚度设计是路面设计的核心。合理的厚度设计，可以使路面在特定的环境条件下承受预期的交通荷载，既不发生过早的结构损坏，又可以节省原材料。随着道路等级和车速的提高、交通量的增长、轴载的加重，路面的负荷越来越大，因此，对于沥青面层的厚度要求就越来越严格。为保证道路长期使用而不过早地损坏，沥青结构层的厚度一定要达到设计要求。但由于沥青施工占整个工程造价的很大一部分，有些施工单位为赚取最大利润而减小沥青结构层的厚度，这就使得沥青路面厚度的检测显得尤为重要。
2.2010年，对长沙市岳麓大道大面积的“白改黑”改造，即在旧混凝土路面上加铺改性橡胶沥青混凝土，这就为探地雷达进行改造层厚度检测提供了基础。工程技术人员对主干道进行了道路路面沥青结构层厚度的检测，使用的是意大利RIS雷达，通常道路结构分为路基、基层、面层，每个层面所用的材料不同，雷达在不同介质传输的速度也不同，所以，在雷达显示屏上能很明显地区分出每层的分界线。由于所需要探测的部位为沥青层，因此，所使用的雷达只需显示出沥青结构层的厚度，而使用1600MHz 的雷达天线能够高精度、高分辨率地检测出0.5 m 深度范围内的目标。在实际的检测过程中，通常将探地雷达测得值与钻芯取样测得值做对比，从而求出雷达探测波在道路中的实际波速，在雷达分析软件处理数据时输入此雷达波速，就可得到各测点的雷达检测厚度。
三、关于国外研究进展
欧美国家曾做了大量采用GPR 进行高等级公路路面厚度、路基空洞与缺损等研究工作，并广泛应用于路网检测与评价。
1.Scullion 等人通过将实际路面结构厚度输入FWD反算软件中来计算每层的模量，提高落锤式弯沉仪FWD 的反算精度，研究思路采用GPR 测得路面厚度，采用落锤式弯沉仪(FWD)进行标定试验，确定路面结构层变化的分界点，然后
判定结构层内可能的损坏，特别是水损害。德克萨斯交通学院应用GPR对几条沥青路面剥落情况进行分析，表明1GZ空气耦合式喇叭天线对剥落的识别效果较好，沥青路面剥落时在路表反射与面层和基层截面反射间有1 波峰，而不存在剥落时GPR 测试的回波图尽在路表、沥青面层与基层界面出现波峰。ernando 通过将GPR 厚度检测数据直接输入路面管理系统数据库，用于进行路面等级调查。
2.但从美国密苏里州交通部的实例也指出，进行GPR的测厚精度，还需要讨论其他几个影响因素。当路面层的材料均匀，层间有明显的界面时，GPR 可以接收到清晰的信号，新建沥青混凝土路面厚度的精确度为1.7%，旧混凝土路面厚度的测量精度为2.8%。但是对于由多层沥青混合料组成的旧沥青路面，GPR的精度就降低到5%左右。要想得到精确的路面层厚度，各路面层间的介电常数值要有显著差异。应用空气耦合天线GPR 处理加铺沥青面层混凝土旧路时，尤其是一些经过加宽或者是已经有过部分维修的路面，如基层材料和土基可能交汇在一起就很难得到可靠的路面结构层厚度值。亦难于测量新建水泥混凝土板的厚度。研究结果表明在30d龄期内的路面板中，GPR信号衰减很大。而且，在空隙的探测方面也几乎没有成功经验。只有大于15mm 的空隙才会显著影响GPR信号，研究也发现GPR信号难以区分水填充的空隙和饱和(水)基层。
在城市地区，目前公路检测采用传统的检测和养护方法，不仅效率低、代表性差、精度不高，且对路面有损，因而急需发展快速、简便、高精度、高效率的检测技术。探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)作为无损检测设备中非常重要的一种，已经受到了国内外道路工程师们的普遍关注。采用探地雷达对沥青路面进行无损检测与评价技术研究，将在控制道路施工质量、深入认识路面长期使用性能、改善路面设计、优化道路改造方案及提高路网养护水平等方面具有重要意义。
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