淺析雷達(dá)測試技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用
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摘要：為了進(jìn)一步明確雷達(dá)測試在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從雷達(dá)測試技術(shù)的用途入手，對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，從而為后續(xù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明，雷達(dá)測試技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于公路工程的材料指標(biāo)檢測、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試、病害無損診斷等方面，但都處于起步階段，各方面的研究還需要不斷完善。運(yùn)用雷達(dá)測試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損檢測，且可方便進(jìn)行多指標(biāo)的間接評價(jià)，在公路工程中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)測試技術(shù)；公路工程；路面材料；路面性能
在公路工程中，運(yùn)用雷達(dá)測試技術(shù)的常見設(shè)備即探地雷達(dá)，它是依據(jù)電磁波對地表材料的穿透性能，從路面向下反射某些模式的電磁波，通過接收、分析在地下介質(zhì)中反射回的電磁波的時(shí)延、形狀和頻譜等參數(shù)，應(yīng)用數(shù)字圖像的恢復(fù)與重建技術(shù)，對面層以下的目標(biāo)進(jìn)行成像處理，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)的再現(xiàn)。在道路工程中，如果應(yīng)用雷達(dá)波技術(shù)監(jiān)測路面性能，可以提供全方位的信息，包括材料的厚度、壓實(shí)度、含水率和瀝青混凝土的離析情況等。為了實(shí)現(xiàn)對道路不同鋪裝層的快速、高效、無損、持續(xù)監(jiān)測，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和管理提供可靠的技術(shù)支持，需要調(diào)查雷達(dá)檢測的相關(guān)情況。
1路面材料和結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測
中國地質(zhì)大學(xué)朱培民、郭士禮等人針對瀝青混合料材料復(fù)雜、空間分布隨機(jī)的特性和淺層近場問題進(jìn)行了研究，結(jié)合實(shí)體工程建立了公路工程材料的隨機(jī)介質(zhì)模型，研究了隨機(jī)介質(zhì)模型參數(shù)及其與之相關(guān)的探地雷達(dá)波場變化規(guī)律。研究認(rèn)為，雙相離散隨機(jī)介質(zhì)模型不但能較好地模擬瀝青混凝土的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，估算等效介電常數(shù)，還能借助電磁波的傳播特征精確測量相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，從而為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測提供理論依據(jù)。此外，相關(guān)人員借助理論分析、數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)等手段，研究了在地下隱蔽工程中垂直裂縫寬度不斷擴(kuò)展的情況下，裂縫頂部散射波振幅的變化規(guī)律。研究認(rèn)為：①當(dāng)裂縫寬度小于第一菲涅爾帶直徑時(shí)，用探地雷達(dá)圖像無法直接確定裂縫寬度。但是，裂縫頂部散射波振幅會隨著裂縫寬度的變大而增強(qiáng)，特別是當(dāng)裂縫寬度小于1/2第一菲涅爾帶直徑時(shí)，裂縫寬度與裂縫頂部散射波振幅成近似線性關(guān)系。②當(dāng)裂縫寬度約等于第一菲涅爾帶直徑時(shí)，振幅達(dá)到極大值。③當(dāng)裂縫寬度超過第一菲涅爾帶直徑后，振幅逐漸衰減，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí)，從探地雷達(dá)圖像中可以直接識別裂縫寬度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚憶秋、陳鳳晨等人研究了雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)在道路工程中的適用性，分析了路面雷達(dá)監(jiān)測路面厚度的準(zhǔn)確性。依據(jù)鉆芯取樣標(biāo)定了道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測過程中的精度，并提出了控制誤差水平的取芯方法。通過檢測實(shí)體工程，提出了道路結(jié)構(gòu)病害識別方法，并驗(yàn)證了其可靠性。研究結(jié)果標(biāo)明，高頻天線探測的深度比較淺，精度比較高，而低頻天線則相反。鄭州大學(xué)王復(fù)明等人研究了材料的復(fù)合介電特性及其三相體積比的關(guān)系，提出了壓實(shí)度、空隙率、含水量和瀝青含量等技術(shù)指標(biāo)的檢測和評價(jià)思路，并探索了快速檢測瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的情況，推導(dǎo)了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的計(jì)算方法，編制了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度反演的程序SIDTHK。應(yīng)用該程序檢測實(shí)際路面的厚度，可以有效提高工程檢測的精度。在此過程中，推導(dǎo)了含水率、壓實(shí)度的反算公式。含水率的反算公式為：.rwGrwwssssssb8011（1）壓實(shí)度的反算公式為：.0.011wwd（2）式（1）（2）中：εb、εs為現(xiàn)場測試的基層、基層固體顆粒的介電常數(shù)；ws為基層材料密度；Gs為骨料比重；rs常取25.9kN/m3；w為試樣的含水率。由此可以看出，對于新鋪瀝青面層，假定沿路線方向?yàn)r青含量不變，且瀝青混合料中不含水，則瀝青混合料的介電常數(shù)影響因素主要由固（骨料）、液（瀝青）、氣（空氣）三相比例決定。當(dāng)瀝青混合料被壓實(shí)時(shí)，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加。瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系如圖1所示。至此，確定了瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系為：VV＝Ae-Bε.
2無損檢測
湖南大學(xué)涂文戈、鄒銀生等人針對雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播特性和衰減特性，建立了雷達(dá)信號在混凝土介質(zhì)中傳播和衰減的數(shù)學(xué)模型?；谔降乩走_(dá)的工作機(jī)理，他們提出了針對被接收的雷達(dá)反射波信號衰減的補(bǔ)償方法，并且給出了相應(yīng)的衰減補(bǔ)償公式，即：E＝wnEn.（3）wn＝1/γn.（4）.xiTni）（）（ii1nexp（5）式（5）中：αi為傳播介質(zhì)中的衰減因子；T（i）為透射系數(shù)。研究標(biāo)明，采用這種方法對有裂縫、孔洞和混凝土不密實(shí)區(qū)域的混凝土構(gòu)件進(jìn)行雷達(dá)無損檢測，掃描圖像可以較為清晰地顯示混凝土構(gòu)件深部的病害和缺陷
3路基壓實(shí)質(zhì)量和病害監(jiān)測
鄭州大學(xué)張蓓、王海濤等人針對路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)中存在的不足，開展了路基土的介電特性試驗(yàn)研究。從微觀極化機(jī)理分析了土介質(zhì)電磁特性的基本規(guī)律，闡述了土介質(zhì)極化模型的分類和介質(zhì)介電特性測量方法，從宏觀和微觀角度研究了路基土的組成成分對路基土介電特性的影響規(guī)律。同時(shí)，還明確了路基材料干密度、含水量和模量等性能指標(biāo)與介電特性的關(guān)系。研究認(rèn)為，在28d齡期內(nèi)，土質(zhì)試件的介電常數(shù)逐漸下降，前期降低速度比較快，7d齡期后衰減趨于平緩，介電常數(shù)值開始趨于穩(wěn)定。同時(shí)，路基土的介電特性與壓實(shí)指標(biāo)之間有較好的相關(guān)關(guān)系，路基土介電常數(shù)和含水量回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2都在0.9以上，介電常數(shù)和壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)R2都在0.86以上，且回歸方程的極值對應(yīng)值都在最佳含水量附近。在山西省吉河高速公路建設(shè)期內(nèi)，山西省交通科學(xué)研究院董立山采用地質(zhì)雷達(dá)分析了路面結(jié)構(gòu)的整體特性。研究人員認(rèn)為，地質(zhì)雷達(dá)可間接、定性評價(jià)路基的壓實(shí)程度和路基中的空洞病害。
4結(jié)束語
目前，在公路工程中，雷達(dá)技術(shù)已被應(yīng)用，但技術(shù)尚未成熟。現(xiàn)有研究主要從材料與性能測試、大體積結(jié)構(gòu)無損監(jiān)測、病害診斷3個(gè)方面開展，得出的結(jié)論是：①雷達(dá)測試波的特性、材料介電常數(shù)的變化規(guī)律可以間接表征路面材料的壓實(shí)度、空隙率、含水量等指標(biāo)，為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測提供理論依據(jù)；②在病害區(qū)域，可通過測試?yán)走_(dá)信號的衰減規(guī)律確定大體積結(jié)構(gòu)缺陷的所在位置，并直觀描述線性工程的地下空間分布情況。
參考文獻(xiàn)
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作者:劉志崗 劉志勝 單位:云南省交通科學(xué)研究院 山西省交通科學(xué)研究院