在我國，高速公路的發展速度隨著經濟建設水平的快速提升而較為迅速，評價公路后期維護的路況質量以及檢測新建公路質量的工作量也日益攀升。公路建設越來越快，對檢測手段的要求也越來越高，顯然以往的技術已經無法滿足需求。而探地雷達雖出現得較晚，但是在探測淺層地下目標上其技術較為新興，與需求相符。

1概述

我國的公路網隨著近年來快速的公路建設而初具規模。但是，對公路的路面維護質量決定了公路的使用壽命。而路面維護需要系統的路面狀況數據支撐，因此，對公路狀況進行科學的檢測便顯得尤為重要。以往的檢測方式不僅會在不同程度上損壞路面，而且無代表性、效率低下。探測雷達的發射電磁波采用無載波的毫微秒脈沖，瞬時掃頻是其顯著特點，在不同土壤頻率范圍內，它的頻譜具備全穿透以及全覆蓋的能力，可以更好地探測地下目標；探測回波在寬頻譜的作用下使得目標電測特性較為完整且不會丟失，從而做到有效識別目標。

與以往的檢測方法相比，探測雷達的作用顯著，包括靈活方便的操作、較高的分辨率、連續的探測進程、較低的探測費用以及較快的探測速度等。探地雷達（GPR）這種新型的檢測方式便應運而生。此種檢測技術現如今應用較為廣泛，其精確度高且高效、無損。上海市政曾引進一臺探地雷達，但是該設備與一般的檢測儀大不相同，其專業技術較強且用戶的開放性不高。因此，對于探地雷達的應用較為有限，未將該設備的作用發揮到極致，工程人員還未能很好地解釋圖像并處理數據。如果將探地雷達充分應用在道路工程上，那么以下大量的工作便可快速開展：改造與評定舊路、勘察與收集設計資料、切實把控施工質量、探測病害隱患、研究檢測設備的應用技術、監察與仲裁工程質量的事故原因以及對路面的材料和結構進行深入研究等。

2利用探地雷達技術來檢測識別異常的公路

2.1　探地雷達工作原理

雷達檢測車以一定速度在路面上行駛，路面探測雷達發射電磁脈沖并在短時間內穿過路面，脈沖反射波被無線接收機接收，數據采集系統記錄返回時間和路面結構中的不連續電介質常數的突變情況。路面各結構層材料的電介質常數明顯不同，因此電介質常數突變處也就是兩結構層的界面。根據測知的各種路面材料的電介質常數及波速，可計算路面各結構層的厚度或給出含水量、損壞位置等資料。圖1為SIR-20地質雷達主機，圖2為地質雷達工作原理。

圖1　SIR-20地質雷達主機
圖2　地質雷達工作原理

2.2　探地雷達無損測試技術

首先需要對正常的雷達圖像進行仔細探討之后再分析問題路面的雷達圖像。層次分析是路面結構的顯著特點，而層與層之間的建筑材料也不盡相同。從測試結果中可以發現，正常的路面層中信號強度大致相同，在圖像中差別不大；雷達異常圖像中會以水平線形來展示色譜圖或者是波相同相軸，這是對正常路面基層探地雷達檢測圖像的判別標志。其中近水平的、平緩、負峰的色譜線條特點與路面基層的上下界面一一對應，色譜也均勻分布在其內對應的剖面上。路面基層除了上述特征外，部分近水平、斷續的、平緩、微弱、平峰的色譜線或同相軸會呈現在分層鋪筑的界面處，項目的質量會隨著圖像越弱越窄而越優秀。若圖像寬且強則代表了界面中有夾層或是太過松散。

3在公路檢測中探地雷達的應用

3.1　調查公路裂縫

雨水通常會隨著公路裂縫而滲透到公路中，從而使公路路基以及路面受到損毀，影響道路的正常使用。在調查公路裂縫時，探地雷達主要分析探討的是反射波同相軸。在現實中進行公路裂縫檢測時應將天線中心頻率設置在大約1000Hz。為了確保得到精準的檢測結果，需要在相同的速度下對路面規模以及寬度相對一致且較為穩定的天線頻率下進行持續測試。

3.2　雷達對地層空洞的探測

與以往的公路施工相比，現階段的施工更為復雜，道路的總體質量與路面的施工品質息息相關。路面因尚存的不同干擾因素而問題不斷，例如面層破損以及基層縫隙等。路面結構也會隨著問題的出現而發生改變，最終改變結構與結構之間的布局情況。以此為背景，當對比正常區域的路面與雷達所釋放的電磁波時，問題便很容易顯示在剖面圖之上，如圖3所示。

圖3　路面間層出現空洞

4在公路檢測上應用探地雷達技術

雷達無損測試不會對目標產生不良的影響且擁有極快的檢測速度。此類檢測方式以及裝置不僅可以有效降低工作人員的工作量以及工作強度等，而且在結果的獲知上也較為便捷與直觀，從某種程度上促進了管理工作向新時期發展，意義顯著。對橋梁路面開展評價與無損檢測的研究，將在對道路改造方案的優化上、對路面長期使用性能的深入認識上、對路網維護水平的提升上、對路面設計的改造上以及對道橋施工質量的把控上意義較為深遠。道路的施工品質因此技術的存在而獲得顯著提升，道路的使用期限也獲得了延長。在道路檢測活動中將其合理運用，項目的潛在問題便可以在第一時間獲知，道路也因此免于過早受到損壞。

4.1　探地雷達無損測試的定位和勘查

聲波脈沖在傳感器的作用下可以快速穿過道路的結構層面傳播出信號，與此同時設備會獲知材料表層的發射信號，這是其原理。此類信號的介點數值不盡相同，數據的表現形式便是持續截面。與其他方法相比較，它的風險系數較低，電磁脈沖會在使用期間釋放出來，然后通過天線傳遞。而在傳遞的進程一旦遇到界面，沖擊波會出現折射現象且保存在設備之中。此時，頻率較高的電磁波在天線發射裝置的作用下會傳遞到介質中，設備在通過差別明顯的介質時會接受部分被反射的電磁能，其他的電磁能會接著傳遞。表面和反射面的距離可通過對反射波的傳播速度以及時間的分析來獲知，介質的屬性也可依據反射波的波形以及振幅來獲得。此方法擁有較高的安全指數、較為廣泛的應用區間以及較快的測試速度等。正因如此，在眾多條件不好的區域也可以發現它的身影。

4.2　測試路面的密實度以及厚度

電磁脈沖由雷達發生，在穿透道路表面時速度較快，無線接收機在完成接收脈沖反射波后，出現在路面結構中的不連續電介質常數以及返回的時間等便會由數據采集系統記錄。路面的結構層眾多且結構層之間的用料也不盡相同，電解質的數值也會隨之發生改變。在兩個結構層的接觸面電解質數據會發生突變，路面的厚度以及結構層的含水量也可因獲取的電解質速率以及數值等信息而獲知。一般來講，路面采樣的頻率和雷達測試速率息息相關，由實踐可知在測試含水率以及厚度時路面雷達的存在意義重大。在地下介質中釋放合乎強度規定的電磁脈沖，然后對采集的地域波值進行詳細論述，例如傳遞的幅度等，可將介質的方位以及構造等分析出來，雷達的幅度以及剖面相位會在大量積水處以及密度較低的介質處發生變化。

5結語

探地雷達將發射天線送入地下的形式是寬頻帶短脈沖和高頻電磁脈沖波，在傳播時脈沖遇到的介質面不盡相同，那么天線便會接收部分雷達波釋放的能量。相信此項檢測工作在未來會隨著科技的不斷進步而開展得更加到位，從而得到廣泛的應用。總而言之，雷達檢測技術在未來的發展道路上定會更上一層樓，而無損檢測裝置的發展也將更加安全。

撰稿：王曉鵬，上海市建筑科學研究院有限公司工程師，研究方向：公路/市政道路檢測。

【轉自《中國高新科技》雜志2020年第14期】