成都市三环路路面厚度探地雷达测试试验报告
发布时间:2012-07-24
一、前言
 
成都市三环路始建于 2002 年,全长51 公里,是中心城区与外界相连的重要路段。三环路初建之时,只是一条城市环形快速通道,路边沿线都还是郊区,近几年城市建设大力推进,中心城区逐渐扩张到郊区地带,三环路也被林立的高楼包围,成为现在的模样。三环路建成至今,日均车流量足足翻了三倍,对道路的损坏也与日俱增,加之年久失修,三环路目前的实际状况令人堪忧。针对三环路已严重损坏,成都市建委发布消息称,三环路综合改造方案正在制定中,年底将完成,预计将列入2011 年的城市改造计划。目前三环路正处于全线检测评估阶段,欧美大地仪器设备中国有限公司受邀进行路面厚度探地雷达测试试验。
 
二、方法原理简介
 
探地雷达探测是近年来在岩土工程领域逐步引进推广的一种先进技术,探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz~1GHz)电磁技术。
 
探地雷达探测利用一个天线发射高频(106~109Hz)宽频带脉冲电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,当地层倾角不大时,反射波的全部路径几乎是垂直地面的,其路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性及几何形态而变化,因此根据接收到波的旅行时间、幅度与波形资料可推断介质结构。
 
探地雷达工作时,由主机控制、通过发射天线(T)向地下发射高频脉冲电磁波,电磁波在向介质传播过程中,在不同介质的界面上,部分电子波被反射返回被另一接收天线(R)所接收。反射回的电磁信号经采样及数模处理,组合成雷达图像,经工程师综合解释我们就可以很方便的发现被探测对象的异常(缺陷)位置、异常(缺陷)的相对强度及大小、形状。
 
图 1 为探地雷达工作原理图:图中Tx 表示发射天线,Rx 表示接受天线,AIR 表示空气,SOIL 表示地层,Target 表示探测的目的物。
 
 

图1 探地雷达工作原理图
 
探地雷达检测公路面层厚度属于反射波探测法,其基本原理与大家所熟悉的探空雷达相似,即向地下发射一定强度的高频电磁脉冲波,电磁波在地下传播的过程中遇到不同电性物质分界面时,就会产生反射波,探地雷达接收并记录这些反射信息。电磁波在特定介质中的传播速度是不变的,因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT,即可据下式算出该界面的埋藏深度H:
 
H =V • ΔT/2
 
对于公路面层检测而言,H即为面层厚度,式中V是电磁波在地下介质(面层)中的传播速度,相对于雷达所用的高频电磁波(900~ 2500MHz)而言,公路面层所用的材料都是低损耗介质,其速度由下式表示:
V = C/√ ε
 
式中C是电磁波在大气中的传播速度,约为每秒30万公里;ε为面层的相对有效介电常数,它取决于构成面层的所有物质的介电常数。
 
反射信号的振幅与反射系数成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系数可表示为:

 
 
式中:ε1、ε2分别为上、下介质的相对介电常数,对公路检测而言,ε1为面层的相对介电常数,ε2为基层的相对介电常数。由式③可知,反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差,电性差越大,反射信号越强。对沥青混凝土面层而言,面层与基层(稳定层)存在明显的电性差,可以预期面层底部会有强反射出现。不同面层(上、中、下)之间所用材料也存在细微差别,因此也可以得到较弱的反射信息。
 
雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高,穿透深度越小;频率越高,穿透深度越小,反之亦然。对于公路检测而言,混凝土面层的导电率高于沥青面层的导电率,因此相同频率的雷达波在沥青面层中的穿透能力大于在混凝土面层中的穿透能力。在实际检测工作中,对沥青面层一般采用2000MHz高频天线测量,而对于混凝土面层高频天线一般难以穿透,常采用900~1000Mhz天线测量。
 
 
三、设备简介
 
 

图 2 Seeker SPR 探地雷达
 
试验所用探地雷达为美国US Radar/Subsurface Imaging Systems 公司生产的Seeker SPR系列探地雷达,该设备质量符合ISO9000 标准,是国际上先进的无损检测设备,具有连续采样、自动生成图像的功能,可准确探测出不同介电常数介质的界面、空洞、钢筋分布、混凝土内部缺陷及混凝土厚度等,可按实际工程情况进行各种数据处理,并绘制以时间或深度为纵轴的彩色雷达图像,便于分析解释。
 
高分辨率、高探测深度的Seeker SPR 探地雷达屏蔽天线,适合不同探测要求。技术规格如下:
 
1)雷达系统控制器计算机(工业一体式专用电脑,强抗震性能设计):

● 处理器:Intel Celeron 400MHz或更好配置;
 雷达界面卡:专用;
 内存:≥512MB;
 硬盘(编程和存储):≥4G;
 显示器: 10.4英寸超高亮度透反射日光下可读彩色液晶显示器;
 电源:10.5~18 VDC@ 45W(室内可交流电直接供电,室外可由充电电池提供电源);
 基于Windows XP操作系统的全屏幕菜单系统,内置雷达数据采集和处理控制软件;
 触摸屏界面,可外接使用键盘和鼠标;
 提供以下输入/输出端口:雷达界面接口,两个USB 接口,电源接口。
 
2)天线控制单元:
 总体动态范围:>130dB;
 接收器动态范围:>90dB;
 最小时间范围:6.3ns;
 最大时间范围:820ns;
脉冲重复时间:1μs;
 有效带宽:3GHz。
 
3)可与100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz 和2000 MHz 屏蔽天线配合使用,以满足不同的探测深度要求。
 
本次探测仪器采用Seeker SPR HR 型推车式探地雷达采集系统。根据探测目的和要求采用中心频率为1000MHz 的高频天线。
 

图3、Seeker SPR HR型推车式探地雷达

 
四、 资料分析解释
 
本次探地雷达路面厚度测试试验,主要是针对三环路混凝土路面厚度,判断探地雷达能否作为检测公路面层厚度的一种手段,为此我们专门做了这方面的试验。现说明如下:
 
1、准确性试验
 
(1)、通过四个已有钻孔连一条探地雷达剖面,剖面长度约46米(见附图表一),用一个钻孔的芯样厚度及雷达波传播时间标定速度(表1),并根据雷达波传播时间计算另外三个钻孔的厚度。结果表明,另外三个孔位的计算厚度与芯样实测厚度误差分别为3mm、1mm和3mm(图4、表2)。
 

表1、标定速度计算表


表2、取芯厚度与雷达测定厚度对比表(单位:cm)


图4、1号芯样

 
(2)、通过一个个已有钻孔的一条探地雷达剖面,剖面长度约42米(见附图表二),用附图表一的芯样厚度及雷达波传播时间标定速度(表1),并根据雷达波传播时间计算另外一个钻孔的厚度。结果表明,另外一个孔位的计算厚度与芯样实测厚度误差为4mm(表3)。
 

表3、取芯厚度与雷达测定厚度对比表(单位:cm)

 
(3)、根据附图表一的芯样厚度及雷达波传播时间标定速度(表1),并计算各点厚度。然后在该剖面(见附图表三)上选取一段相对起伏较大的部位,在高、低两个点位钻孔取芯验证。结果表明,两个点位的厚度误差分别为-3mm和-1mm(表4)。
 

表4、取芯厚度与雷达测定厚度对比表(单位:cm

 
2、雷达测试异常性确认
 
在取芯前,通过雷达剖面已经发现1号和3号钻孔的混凝土下的水稳层密实度不够,5号钻孔的混凝土里含有钢筋,后通过取芯钻孔逐一确认(图5、6和7)。
 

图5、1号芯样雷达异常剖面


图6、3号芯样雷达异常剖面


图7、5号芯样雷达异常剖面

 

五、 推断成果
 
综上所述,探地雷达对面层厚度的检测结果在具体点位上是足够精确的,对特定区段的评估是非常可靠的,完全可以取代现行的钻孔取芯手段。
 
六、 结论和建议
 
探地雷达检测公路路面厚度是一种无损连续检测手段。其对具体点位的检测误差主要取决于换算速度。对于高等级公路而言,由于施工材料及工艺要求很严,其面层雷达波速度变化极小,大量试验及实际资料表明,检测误差一般都比较小。探地雷达检测结果与取芯结果相当一致,检测结果不仅在具体点位上相当精确,而且其对指定区段的总评也非常可靠。不仅对同一路径做多次检测所得结果完全一致,而且对同一路段不同路径做多次检测所得结果也相当一致。因此,探地雷达完全具备替代现行钻孔取芯的条件。
 
传统的钻孔取芯法对面层具有一定的破坏性,因而其检查频度受到严格限制。模拟试验表明,根据现行质量检测标准规定的钻孔取芯频度所做的面层厚度评价具有很大的随机性。为了客观评价路面厚度,必须引入一种可靠的、能够密集采样的无损检测手段。探地雷达恰恰属于这种先进的新技术。此外,探地雷达在面层厚度微观评价以及施工管理中的特殊作用,是常规钻孔取芯法根本无法提供的。

七、 附表及附图



 
  

 
















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