一、前言
成都市三環(huán)路始建于 2002 年，全長51 公里，是中心城區(qū)與外界相連的重要路段。三環(huán)路初建之時，只是一條城市環(huán)形快速通道，路邊沿線都還是郊區(qū)，近幾年城市建設(shè)大力推進(jìn)，中心城區(qū)逐漸擴(kuò)張到郊區(qū)地帶，三環(huán)路也被林立的高樓包圍，成為現(xiàn)在的模樣。三環(huán)路建成至今，日均車流量足足翻了三倍，對道路的損壞也與日俱增，加之年久失修，三環(huán)路目前的實際狀況令人堪憂。針對三環(huán)路已嚴(yán)重?fù)p壞，成都市建委發(fā)布消息稱，三環(huán)路綜合改造方案正在制定中，年底將完成，預(yù)計將列入2011 年的城市改造計劃。目前三環(huán)路正處于全線檢測評估階段，歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司受邀進(jìn)行路面厚度探地雷達(dá)測試試驗。
二、方法原理簡介
探地雷達(dá)探測是近年來在巖土工程領(lǐng)域逐步引進(jìn)推廣的一種技術(shù)，探地雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)。
探地雷達(dá)探測利用一個天線發(fā)射高頻（106～109Hz）寬頻帶脈沖電磁波，另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，當(dāng)?shù)貙觾A角不大時，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，因此根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
探地雷達(dá)工作時，由主機(jī)控制、通過發(fā)射天線（T）向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波在向介質(zhì)傳播過程中，在不同介質(zhì)的界面上，部分電子波被反射返回被另一接收天線（R）所接收。反射回的電磁信號經(jīng)采樣及數(shù)模處理，組合成雷達(dá)圖像，經(jīng)工程師綜合解釋我們就可以很方便的發(fā)現(xiàn)被探測對象的異常（缺陷）位置、異常（缺陷）的相對強(qiáng)度及大小、形狀。
圖 1 為探地雷達(dá)工作原理圖：圖中Tx 表示發(fā)射天線，Rx 表示接受天線，AIR 表示空氣，SOIL 表示地層，Target 表示探測的目的物。
圖1 探地雷達(dá)工作原理圖
探地雷達(dá)檢測公路面層厚度屬于反射波探測法，其基本原理與大家所熟悉的探空雷達(dá)相似，即向地下發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖波，電磁波在地下傳播的過程中遇到不同電性物質(zhì)分界面時，就會產(chǎn)生反射波，探地雷達(dá)接收并記錄這些反射信息。電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波的時間差ΔT，即可據(jù)下式算出該界面的埋藏深度H：
H =V ? ΔT／2
對于公路面層檢測而言，H即為面層厚度，式中V是電磁波在地下介質(zhì)(面層)中的傳播速度，相對于雷達(dá)所用的高頻電磁波(900～ 2500MHz)而言，公路面層所用的材料都是低損耗介質(zhì)，其速度由下式表示：
V = C／√ ε
式中C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為每秒30萬公里；ε為面層的相對有效介電常數(shù)，它取決于構(gòu)成面層的
物質(zhì)的介電常數(shù)。
反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)可表示為：
式中：ε1、ε2分別為上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對公路檢測而言，ε1為面層的相對介電常數(shù)，ε2為基層的相對介電常數(shù)。由式③可知，反射信號的強(qiáng)度主要取決于上、下介質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號越強(qiáng)。對瀝青混凝土面層而言，面層與基層(穩(wěn)定層)存在明顯的電性差，可以預(yù)期面層底部會有強(qiáng)反射出現(xiàn)。不同面層(上、中、下)之間所用材料也存在細(xì)微差別，因此也可以得到較弱的反射信息。
雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和波的頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越??；頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。對于公路檢測而言，混凝土面層的導(dǎo)電率高于瀝青面層的導(dǎo)電率，因此相同頻率的雷達(dá)波在瀝青面層中的穿透能力大于在混凝土面層中的穿透能力。在實際檢測工作中，對瀝青面層一般采用2000MHz高頻天線測量，而對于混凝土面層高頻天線一般難以穿透，常采用900~1000Mhz天線測量。
三、設(shè)備簡介
圖 2 Seeker SPR 探地雷達(dá)
試驗所用探地雷達(dá)為美國US Radar/Subsurface Imaging Systems 公司生產(chǎn)的Seeker SPR系列探地雷達(dá)，該設(shè)備質(zhì)量符合ISO9000 標(biāo)準(zhǔn)，是無損檢測設(shè)備，具有連續(xù)采樣、自動生成圖像的功能，可探測出不同介電常數(shù)介質(zhì)的界面、空洞、鋼筋分布、混凝土內(nèi)部缺陷及混凝土厚度等，可按實際工程情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并繪制以時間或深度為縱軸的彩色雷達(dá)圖像，便于分析解釋。
高分辨率、高探測深度的Seeker SPR 探地雷達(dá)屏蔽天線，適合不同探測要求。規(guī)格如下：
1）雷達(dá)系統(tǒng)控制器計算機(jī)（工業(yè)一體式電腦，強(qiáng)抗震性能設(shè)計）：
● 處理器：Intel Celeron 400MHz或配置；
● 雷達(dá)界面卡：專用；
● 內(nèi)存：≥512MB；
● 硬盤（編程和存儲）：≥4G；
● 顯示器： 10.4英寸高亮度透反射日光下可讀彩色液晶顯示器；
● 電源：10.5～18 VDC@ 45W（室內(nèi)可交流電直接供電，室外可由充電電池提供電源）；
● 基于Windows XP操作系統(tǒng)的全屏幕菜單系統(tǒng)，內(nèi)置雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和處理控制軟件；
● 觸摸屏界面，可外接使用鍵盤和鼠標(biāo)；
● 提供以下輸入/輸出端口：雷達(dá)界面接口，兩個USB 接口，電源接口。
2）天線控制單元：
● 總體動態(tài)范圍：>130dB；
● 接收器動態(tài)范圍：>90dB；
● 最小時間范圍：6.3ns；
● 最大時間范圍：820ns；
●脈沖重復(fù)時間：1μs；
● 有效帶寬：3GHz。
3）可與100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz 和2000 MHz 屏蔽天線配合使用，以實現(xiàn)不同的探測深度要求。
本次探測儀器采用Seeker SPR HR 型推車式探地雷達(dá)采集系統(tǒng)。根據(jù)探測目的和要求采用中心頻率為1000MHz 的高頻天線。
圖3、Seeker SPR HR型推車式探地雷達(dá)
四、 資料分析解釋
本次探地雷達(dá)路面厚度測試試驗，主要是針對三環(huán)路混凝土路面厚度，判斷探地雷達(dá)能否作為檢測公路面層厚度的一種手段，為此我們專門做了這方面的試驗。現(xiàn)說明如下：
1、準(zhǔn)確性試驗
(1)、通過四個已有鉆孔連一條探地雷達(dá)剖面，剖面長度約46米（見附圖表一），用一個鉆孔的芯樣厚度及雷達(dá)波傳播時間標(biāo)定速度（表1），并根據(jù)雷達(dá)波傳播時間計算另外三個鉆孔的厚度。結(jié)果表明，另外三個孔位的計算厚度與芯樣實測厚度誤差分別為3mm、1mm和3mm（圖4、表2）。
表1、標(biāo)定速度計算表
表2、取芯厚度與雷達(dá)測定厚度對比表（單位：cm）
圖4、1號芯樣
(2)、通過一個個已有鉆孔的一條探地雷達(dá)剖面，剖面長度約42米（見附圖表二），用附圖表一的芯樣厚度及雷達(dá)波傳播時間標(biāo)定速度（表1），并根據(jù)雷達(dá)波傳播時間計算另外一個鉆孔的厚度。結(jié)果表明，另外一個孔位的計算厚度與芯樣實測厚度誤差為4mm（表3）。
表3、取芯厚度與雷達(dá)測定厚度對比表（單位：cm）
(3)、根據(jù)附圖表一的芯樣厚度及雷達(dá)波傳播時間標(biāo)定速度（表1），并計算各點厚度。然后在該剖面（見附圖表三）上選取一段相對起伏較大的部位，在高、低兩個點位鉆孔取芯驗證。結(jié)果表明，兩個點位的厚度誤差分別為-3mm和-1mm（表4）。
表4、取芯厚度與雷達(dá)測定厚度對比表（單位：cm）
2、雷達(dá)測試異常性確認(rèn)
在取芯前，通過雷達(dá)剖面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1號和3號鉆孔的混凝土下的水穩(wěn)層密實度不夠，5號鉆孔的混凝土里含有鋼筋，后通過取芯鉆孔逐一確認(rèn)（圖5、6和7）。
圖5、1號芯樣雷達(dá)異常剖面
圖6、3號芯樣雷達(dá)異常剖面
圖7、5號芯樣雷達(dá)異常剖面
五、 推斷成果
綜上所述，探地雷達(dá)對面層厚度的檢測結(jié)果在具體點位上是足夠的，對特定區(qū)段的評估是可的，完全可以取代現(xiàn)行的鉆孔取芯手段。
六、 結(jié)論和建議
探地雷達(dá)檢測公路路面厚度是一種無損連續(xù)檢測手段。其對具體點位的檢測誤差主要取決于換算速度。對于高等級公路而言，由于施工材料及工藝要求很嚴(yán)，其面層雷達(dá)波速度變化小，大量試驗及實際資料表明，檢測誤差一般都比較小。探地雷達(dá)檢測結(jié)果與取芯結(jié)果相當(dāng)一致，檢測結(jié)果不僅在具體點位上相當(dāng)準(zhǔn)，而且其對指定區(qū)段的總評也可信。不僅對同一路徑做多次檢測所得結(jié)果完全一致，而且對同一路段不同路徑做多次檢測所得結(jié)果也相當(dāng)一致。因此，探地雷達(dá)完全具備替代現(xiàn)行鉆孔取芯的條件。
傳統(tǒng)的鉆孔取芯法對面層具有一定的破壞性，因而其檢查頻度受到嚴(yán)格限制。模擬試驗表明，根據(jù)現(xiàn)行質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鉆孔取芯頻度所做的面層厚度評價具有很大的隨機(jī)性。為了客觀評價路面厚度，需引入一種可靠的、能夠密集采樣的無損檢測手段。探地雷達(dá)恰恰屬于這種。此外，探地雷達(dá)在面層厚度微觀評價以及施工管理中的特殊作用，是常規(guī)鉆孔取芯法根本無法提供的。
七、 附表及附圖
