地质雷达技术在汉宜高速公路路面检测中的应用_RAMAC地质雷达技术会议

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1、地质雷达在汉宜高速公路路面检测中的应用黄正发刘玉山杨银湖王云安湖北省交通规划设计院摘要：对地质雷达技术在路面检测方面的原理进行了介绍，重点对野外数据采集时的天线选择、参数选择及室内数据处理、资料解释等方面进行了研究，将研究成果应用于汉宜高速公路路面检测中，效果较好。关键词：地质雷达；路面检测；资料解释中图分类号：P319.12作者简介：黄正发(1971—)，男，高级工程师，1994年毕业于中国地质大学应用地球物理系，在湖北省交通规划设计院从事岩土工程勘察及研究工作，现就读于中国地质大学(武汉)研究生院，攻读地球探测与信息技术博士学位.Email：hzf@hb

2、cpdi.com.cn1工程概况汉宜高速公路武汉～荆州段于1995年建成通车，属沪蓉国道主干线的重要组成部分，呈东西向横穿整个江汉平原[1]。由于该路段大部分通过软土地区，且运营时间长，通行车辆超载严重等原因，导致该路段路面出现了裂缝、断板、破损或唧泥等现象(图1)，如不有针对性地及时进行检测与维修保养，公路正常使用及行车安全将难以保障。笔者应用地质雷达技术对汉宜高速公路武汉～荆州段(K82+148～K122+000)路面质量进行了有益的检测和研究。(a)路面破损(b)路面唧泥图1路面病害现象2地质雷达路面检测原理地质雷达方法是一种用于确定地下介质的广谱(1

3、MHz—1GHz)电磁技术[2]。该技术利用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及空间形态而变化，因此，根据接收到电磁波的旅行时间、幅度与波形资料，可推断介质的性质及空间形态。检测和研究路段的路面结构型式如下：面层为厚25cm的水泥混凝土，上基层采用厚度20cm的水泥稳定石屑，下基层为20cm厚的水泥石灰稳定土(如图2-a)。由于空气、面层、上基层、下基层的介电常数不同，电磁波在介质内部及不同介质界面上将会产生直达波、反射波及透射波(图2-b)。其中，图中T1

4、为电磁波在空气中的直达波，R1为面层与上基层界面之间的反射波，R2为面层的透射波在上基层与下基层界面上的反射波，R3为上基层的透射波在下基层与路基界面上的反射波。各个界面或缺陷位置的深度利用公式1即可求出，其中既可通过理论公式(公式2)及表1计算确定，亦可通过孔取芯标定来确定，直接从雷达时间剖面上依据同相轴的连续性判读。(a)路面结构及电磁波传播路径(b)实测路面电磁波波形图2路面电磁波示意图(公式1)为界面或缺陷位置的深度(m)，为介质的平均电磁波速度(m/ns)，为界面反射波双程旅行时(ns)，为发射天线与接收天线间距(m)(公式2)为真空中电磁波传播速

5、度，取值0.3m/ns，为介质的相对介电常数(见表1)表1高速公路中常见介质的相对介电常数与对应电磁波速度介质相对介电常数速度(m/ns)空气10.3混凝土6.40.12土壤(含水20%)10(4-40)0.095(0.05-0.15)土壤(干)4(3-5)0.15(0.13-0.18)沥青3-50.13-0.18水810.0333野外工作方法及技术参数的确定检测和研究的的路面总厚度60～70cm左右，在开展大范围的检测前，笔者在一已知场地使用瑞典产RAMCA地质雷达（配置500MHz及1GHz两种屏蔽天线）进行试验，以确定检测用的天线及采集参数等。图3为1

6、GHz天线和500MHz天线在同一测线进行的对比试验，从两个时间剖面图上的5ns左右均可见面层与上基层界面的反射波同相轴，但1GHz天线效果更好，且1GHz天线时间剖面图上可清晰地分辨出基层与路基界面的反射波同相轴及测线上7米左右的路基缺陷，但在500MHz天线时间剖面图上难以分辨出这些现象。经过试验分析并结合工作要求，最后确定使用1GHz屏蔽天线进行路面检测，采集参数为时窗23ns，采样点数450，采样频率19817MHz，1次叠加。左右幅主行车道各布置一条测线，点距为0.05m(以测距轮进行控制)，天线距固定为0.1m。采集天线挂在汽车尾部(图4)，并以

7、时速15Km/h匀速行驶进行剖面法(即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式)检测。(a)1GHz天线试验剖面(b)500MHz天线试验剖面图3不同主频天线的地质雷达时间剖面图预处理振幅恢复道间能量均衡频率滤波反褶积修饰处理图形输出频谱分析图4数据采集现场图5检测数据处理流程图4数据处理在检测过程中，为了保留更多的有用电磁波信号，数据采集时一般为宽频采集，但是，在记录到各种有效波的同时，原始数据里面也记录到了随机的或规则的干扰波，为了能将各个界面及缺陷清晰准确地在雷达图像时间剖面上反映出来，就必须进行雷达数据的数字处理。工作中采用下述流程图

8、(图5)对采集的原始数据进行处理。图6为地质雷达检测