钟日坚

（东莞市交业工程质量检测有限公司，广东东莞 523000）

0 引言

交通运输是国民经济中具有基础性、先导性、战略性的产业，也是服务性行业和现代化经济体系的重要组成部分。公路是交通运输的重要载体，截至2021 年底，我国公路总里程528.07 万公里，公路养护里程525.16万公里，与之相对应的公路检测工作也日趋繁重[1-3]。

目前，传统道路结构厚度检测和评价方法，主要包括钻孔取芯外观评价法和水准测量高程法[4-6]。钻孔取芯外观评价方法是基于破坏性的检测方法，尽管可靠性很高，但存在一定的局限性；水准测量高程方法虽然属于无损检测方法，能够评估道路结构层厚度，但对定位基点要求严格，不适用于大面积的厚度检测[7]。与这些传统方法相比，探地雷达（GPR）具有快速、连续、无损和高精度等特点，这些特点使GPR在道路检测领域得到了广泛应用[8-10]。

高精度探地雷达对道路厚度检测数据多用于施工完成后的验收，在对厚度数据的处理、分析等方面仍有一定的不足。因此，文章提出基于厚度代表值和合格值的沥青路面厚度动态调整方法，以获取道路全断面厚度数据，并进行分析，为沥青路面厚度均匀性控制提供科学依据。

1 高精度探地雷达在道路无损检测中的工作原理

1.1 高精度探地雷达检测原理

为了满足路面厚度检测精度要求，该研究采用毫米级的瑞典MALA ProEx 型高精度探地雷达主机，测试天线频率范围为1600MHz 屏蔽天线，采样频率为37989MHz。高精度探地雷达检测技术是利用探地雷达的发射天线向道路结构层内部发射超高频脉冲电磁波，由接收天线接收道路结构层内部反射的电磁波并由主机记录发射电磁波的运动特征，通过数据反演形成道路结构层内部全断面的扫描图，以此评判道路结构层内部状态。电磁波传播特性与道路结构介电特性相关，随着道路结构材料的电性和组构的变化，高精度探地雷达的探测路径、电磁场强度和波形都会发生变化。高精度探地雷达工作原理如图1 所示。

1.2 电磁波传播理论

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性参数主要有电导率μ、介电常数ε和磁导率。由于道路是分层铺筑的，电磁波在道路传播过程中，各层之间的介电常数不一致，分界面会产生不同的反射波。电磁波在介质中传播理论基础源于麦克斯韦电磁波方程组。电磁波传播理论相关参数如下：

1.2.1 电磁脉冲波旅行时间

电磁脉冲波旅行时间如式（1）所示：

式（1）中：z为道路结构层的厚度；x为发射、接收天线的距离（由于式中z＞x，所以x可以忽略不计）；v为电磁波在道路结构层中的传播速度。

1.2.2 电磁波在道路结构层中的传播速度

电磁波在道路结构层中的传播速度如式（2）所示：

式（2）中：c为电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）；εr为道路结构层的相对介电常数，μr为道路结构层的相对磁导率（一般μr≈1）。

1.2.3 电磁波的反射系数

由于道路结构层的材料组构存在差异性，电磁波在道路结构层传播过程中相对介电常数会发生明显变化，电磁波在穿透不同结构层时会产生反射或透射现象，电磁波反射系数计算如式（3）所示：

式（3）中：r为道路结构层界面电磁波反射系数；ε1为k1 层道路结构的相对介电常数；ε2为k2 层道路结构的相对介电常数。

1.2.4 探地雷达记录时间和道路结构层轴向深度的关系

探地雷达记录时间和道路结构层轴向深度的关系如式（4）所示：

式（4）中：z为道路结构层的轴向深度；t为雷达记录时间。

1.2.5 探地雷达检测频率

在道路结构层厚度检测过程中，应优先选择较高频率的发射天线。有时采用一种频率进行检测，由于频率固定，检测数据无法满足检测深度与分辨率最大限度的优化，因此需要采用两种不同的频率进行检测。

1.2.6 采样时窗

采样时窗是探地雷达接收电磁反射波的时间范围。采样时窗的长度主要由介质的探测深度和介电常数决定。可通过式（5）计算采样时窗：

式（5）中：△T为时窗长度（ns）；d为目标体的厚度或埋深（m）；εr为相对介电常数；a为调整系数，一般取1.5～2。

1.2.7 采样率与采样间距

采样率是记录相邻两次反射波采样点之间的时间间隔。采样率越高，单位时间内的采样点数越多，用单位赫兹（Hz）表示。电磁波一个周期内不少于两个点，可由式（6）确定：

式（6）中：s为采样率（Hz）；τ为天线中心频率（MHz）；k为调整系数，一般取5～10。

采样间距是根据沿线道路的长度来确定，一般按1～5m 的间隔布设。

2 高精度探地雷达在路面厚度检测中的数据处理及分析

2.1 路面厚度检测数据处理

高精度探地雷达在发射电磁波和接收反射信号的过程中会受到噪声的干扰，为了提高道路结构层内部探测结果的准确性和可靠性，需要在数据处理过程中进行降噪处理。通过数据处理后生成的雷达云图包括道路结构层特征波和干扰波，而准确识别并分析这两种波是解译道路结构层雷达云图的关键。主要是通过数据正演关系获取特征波的特征值，通过道路对结构层实体检测数据校核干扰波的特征值。

2.2 路面厚度检测数据分析及动态调整方法

为了实现对沥青路面厚度的动态控制，需对检测路段进行区域划分。区域划分应根据道路路线上下行幅线、路线长度和车道数等进行网格化。综合考虑项目特点、规范厚度检测要求和施工工艺，以200m 作为划分区域较为合适。全断面按1m 间隔采集数据，每个划分区域有1200 个数据点。根据《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》（JTG F80/1—2017）中关于高速/一级公路的总厚度值可分为代表值厚度（-5%H）和合格值厚度（-10%H）。基于代表值和合格值的厚度偏差控制值如式（7）～（8）所示：

式（7）中：Δhd为基于代表值厚度的厚度偏差；hd为下层结构层厚度；H为结构层总厚度；R1为容许偏差；为检测厚度均值。

式（8）中：Δhh为基于合格值厚度的厚度偏差；R2为路面总厚度极小值容许偏差；hmin为检测厚度的极小值。

结构层厚度偏差控制值应同时满足代表值和合格值的要求，如式（9）所示：

沥青路面施工厚度动态调整应同时满足厚度偏差和设计厚度的要求，路面厚度动态调整方法如式（10）所示：

式（10）中：ht为厚度动态调整值；hdi为第i 层厚度设计值。

3 工程应用研究

3.1 工程概况

为了实现对道路结构层厚度的动态控制，研究利用IRIS-I 型探地雷达对广东省东莞市某一级公路沥青路面厚度进行全断面雷达无损检测。该工程沥青路面厚度设计为18cm（上层厚度4cm+中层厚度6cm+下层厚度8cm），左右幅共六车道。研究主要对K1+500—K2+500 路段沥青面层厚度进行全面检测和评估（见图2），将该路段长度按200m 每等分划为5 个区域，并对其厚度数据进行分析。

图2 沥青路面结构厚度雷达检测云图

3.2 高精度雷达参数标定

为了获取更为准确的厚度数据，需对雷达检测点的结构层厚度进行钻芯取样，通过反演计算雷达测试系统中沥青混凝土的介电常数。为了获取沥青混凝土介电常数，该项目预先铺筑了200m 试验路段，分别在试验段起点K1+500、中点K1+600 和终点K1+700位置处，利用瑞典MALA ProEx 型探地雷达进行数据定点采集，以消除沥青混凝土路面不同实施阶段下的材料差异性。最后根据钻芯取样量取试件厚度，依此反演出雷达测试系统中的介电常数（见表1）。

表1 沥青混凝土介电常数标定

根据表1 的试验结果，该项目在厚度检测时采用的介电常数为5.22。

3.3 沥青路面总厚度分析

为了评价沥青路面总厚度的合格率，对K1+500—K2+500 的厚度检测值进行汇总，如图3 所示。为了进一步分析沥青路面厚度的均匀性，将桩号K1+500—K2+500 按200m 划分5 个不同桩号区域，并对这些区域的厚度均值和变异系数进行汇总，如图4 所示。

图3 沥青路面结构厚度检测值

图4 沥青路面结构厚度检测均值和变异系数

从图3 可以看出，K1+500—K2+500 段右幅沥青路面的厚度值波动较大，呈“M”形，左幅路段沥青路面厚度值在桩号起始段波动较大，其他区域内厚度值相对平稳。这与路面基层施工质量密切相关，且右幅基层的施工平整度明显比左幅差，显著增加了工程成本。图4 结果表明，K1+500—K2+500 段沥青路面的总厚度平均值为19.8cm，合格率为99.2%。桩号区域1的厚度离散性最大，区域3 的离散性最小，且厚度均匀性最好，这是因为区域1 为该路段基层施工起点，在摊铺机具组合和搭配上存在一些不确定性因素，导致路面基层平整度较差。

3.4 沥青路面施工厚度动态调整

根据《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》（JTG F80/1—2017）可计算出K1+500—K2+500 段沥青路面代表值和合格值偏差分别为0.9cm 和1.8cm，代表厚度值和合格厚度值分别为17.1cm 和16.2cm。基于代表值和合格值厚度偏差值具体如表2和表3。

表2 基于代表值厚度的偏差值

表3 基于合格值厚度的偏差值

由表2 和表3 可以看出，K1+900—K2+100 段沥青路面的总厚度均偏厚；所有区域中，区域2 的厚度偏差最大，最大偏差值为-4.9cm，最小偏差值为0.6cm。区域1 厚度偏差值两极分化，厚度均匀性较差，根据厚度调整原则，该段区域厚度调整较大，直接导致成本增加。

以桩号区域3 为例，对K1+900—K2+100 段中下面层沥青路面的厚度值进行调整分析，据此确定该区域厚度调整控制值，如表4 所示。

表4 沥青路面厚度动态调整

由表4 可以看出，在满足全域厚度的基础上，基于代表值和合格值厚度偏差值，可计算出沥青路面厚度调整值，进而对沥青路面施工厚度进行调整，保证路面厚度均匀性，确保工程施工质量，为沥青路面耐久性设计和施工提供科学依据。综合沥青磨耗层的厚度和经济性，建议在中下沥青面层施工过程中采用厚度动态调控方法。

4 结论

通过对道路结构厚度无损检测中高精度探地雷达的相关工作原理、数据处理及厚度动态调整方法的分析，并结合工程实例，对高精度探地雷达在道路结构层厚度无损检测中的应用进行研究，得出如下结论：第一，在道路无损检测中应用高精度探地雷达，应合理设置相关参数，以确保道路结构层厚度检测结果的准确性。第二，基于高精度探地雷达检测的厚度数据，采用代表值和合格值厚度偏差的沥青路面厚度控制方法，可实现对沥青路面施工厚度的动态调整，确保沥青路面结构厚度的均匀性。第三，在沥青路面施工过程中，引入高精度探地雷达技术对路面厚度进行分层实时检测，有利于施工质量的动态控制与调整。