林学丽
摘要 沥青混凝土路面状况的好坏，对于路面交通的安全通行有着较大影响，鉴于传统沥青混凝土路面检测技术相对落后，且对于路面结构有一定的损伤，因此新型无损检测技术受到了众多专家和学者的关注。三维探地雷达主要通过电磁波在不同电性介质传播受到的影响不同，对反射波进行分析，从而确定被探测物的深度、结构形式和性质。依托于某沥青混凝土路面病害检测项目，三维探地雷达检测了路面脱空的深度和面积，且测试结果与实际情况吻合度较高，证明三维探地雷达在沥青混凝土路面检测中具有较强的适用性。
关键词 沥青混凝土路面；
三维探地雷达；
路面检测；
验证性检测
中图分类号 U416.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0099-03
0 引言
随着社会经济的发展，公路服役里程增长和车辆交通荷载加大，导致道路维修养护工作面临较大的压力。从工程建设方面考虑，沥青混凝土材料作为路面建设的基本施工材料，得到了较为广泛的应用。由于沥青混凝土材料的性能限制和长期交通活载的冲击影响，沥青混凝土路面不可避免地存在坑槽、皲裂和裂缝等病害[1-4]，对公路正常运营和安全通行带来了较大的安全隐患，因此对沥青混凝土路面进行检测并采取针对性的维修养护措施，确保路面的健康、安全服役成为当前管养单位关注的重点问题。根据当前工程实践，传统道路检测技术不仅存在工作效率低、检测代表性不强等弊端，甚至会对路面结构造成一定的损伤。无损检测新技术的推广应用，不仅提高了检测效率，对于公路行业运维水平的提升也起到了较大的促进作用[4-7]，大大保障了沥青混凝土路面的通行能力。针对车辙现象、结构变形和不均匀沉降等沥青混凝土路面常见病害，传统检测方式无法进行无损、全面的检测，检测面广、技术先进和精确度高的无损检测技术得到广泛应用。通过对无损检测技术的系统组成、工作原理和检测性能分析，发现其在沥青混凝土路面病害检测方面具备较强的适用性。实际沥青混凝土病害检测项目，也验证了三维探地雷达检测技术的高精度和适用性。
1 沥青混凝土路面常见病害分析
1.1 车辙现象
道路运营过程中，车辙现象是沥青混凝土路面常见病害之一，严重情况下会导致路面产生明显凹陷，影响行车安全。关于车辙病害的成因，具体分析如下：
（1）材料缺陷。由于沥青材料的固有缺陷，沥青混凝土路面的耐腐蚀性无法达到交通通行要求，造成服役寿命和服役状况受到较大的影响。
（2）服役环境差。道路服役周期内，雨水冲刷和太阳直射造成沥青路面高温，会在较大程度上降低材料硬度，反复荷载作用下甚至会出现车辙现象。
（3）超载现象。道路服役过程中，车辆总荷载和车辆轴载缺乏明确的限制或者限制执行不够严格，尤其是轴载超过额定轴载的情况时有发生，对于沥青路面的影响更大，长期超载作用下导致路面出现较为严重的车辙病害。
（4）工艺不规范。由于工期影响，部分高速公路施工过程中，路面未完全满足通车要求便开始承担车辆荷载，会导致沥青混凝土在成型过程中出现缺陷，甚至出现严重车辙现象。
1.2 结构变形
作为沥青路面常见病害之一，结构变形不仅会造成路面内部结构破坏，还会影响公路车辆的安全通行，严重情况下车辆颠簸对路面会造成更大的冲击，二者相互耦合則会造成结构变形的进一步发展，严重影响公路交通正常通行。对于沥青混凝土路面产生结构变形进行如下分析：
（1）雨水侵蚀。由于沥青路面排水不及时或者排水不畅，导致水分渗入道路基层，破坏路面结构，使其产生一定形变，严重地影响内部结构情况甚至破坏内部结构。
（2）防水能力不足。设计沥青混凝土路面结构时，为了防水的需要，专门设计了一层防水层，由于施工工艺的缺陷或者材料老化，导致防水能力无法满足设计要求，长期渗水作用下引起路面结构变形甚至破坏的严重病害。
（3）管养不合理。当前公路运维中对于养护重视程度不足，造成养护措施不及时，最终造成路面裂缝，在雨水冲刷和活载冲击作用下造成严重的结构变形。
1.3 不均匀沉降
沥青混凝土结构在运营中面临诸多挑战，不均匀沉降就是影响路面结构完整性和行车安全的重要因素之一。导致路面发生不均匀沉降的因素很多，现进行如下分析：
（1）施工方面。填土路基尤其是高填方路基，由于填土配合比或者压实度存在问题，或者填土厚度不均匀，均会造成路基一定程度的不均匀沉降，反射到路面结构上则表现为一定程度的凹陷。
（2）运维方面。沥青混凝土路面，如果防水被破坏或者防水能力不足，则会导致路面积水渗到路基结构，甚至造成路基发生不均匀沉降，严重时会反射到路面结构。
2 探地雷达系统组成和工作原理
2.1 系统组成
探地雷达的硬件主要包括接收机、发射机和处理器，其中接收机包括信号处理机、数字存储器和信息器。探地雷达具体构成如图1所示。
根据图1的三维探地雷达系统组成，对于组成部件进行如下的功能分析：
（1）雷达主机。雷达主机是三维探地雷达的主要部件，其核心技术是频率步进技术，通过电磁波的发射和接收能够完成大量的数据采集，具有较高的分辨率和一定深度的探测能力。
（2）地面耦合天线。地面耦合天线主要影响探测宽度，其核心技术是天线阵列及时，电磁波频率范围在200～3 000 MHz，在沥青混凝土路面检测中的适用性较强。耦合天线通过不同的发射天线和接收天线，单次检测可以实现对多条测线进行检测，覆盖范围相对较大，形成网格化数据，经过处理分析形成三维图像。
（3）数据分析软件。数据分析软件的功能是对地面耦合天线接收到的反射波信号进行处理，反演得到检测结构信息。三维探地雷达进行一次扫描，能够同时获得垂直断面和水平断面的结构信息，经过数据分析软件的处理，形成高清晰度的三维图像信息。
2.2 探地雷达工作原理
探地雷达系统的工作原理是将电磁波向被探测物发射，脉冲在遇到不同电性界面，部分雷达波会因反射被接收天线接收。由于电磁波的传播路径、强度和波形受到介质和反射形态的较大影响，根据反射波的信号分析，对于被探测物的深度、结构形式和性质进行分析。关于探地雷达电磁波在探测工作中的工作流程如图2所示。
3 三维探地雷达应用分析
3.1 检测深度
根据探地雷达工作原理可知，接收天线接收被探测物发射回来的信号，由于存在多个反射面，信号的幅度和行走时间均会存在一定的差别，通过对接收信号进行处理，其中包括校正、叠加、滤波和偏移处理，然后在分析电磁波传播介质的介电常数和电导率的情况下计算得到电磁波波速，根据电磁波的行走时间和反射界面，从而确定反射波的形态、振幅和变化特征，进一步计算可以得到被探测物的空间坐标。计算被探测物深度的计算公式如式（1）所示。
式中，v——电磁波真空传播波速（m/s）；
——传播介质的相对介电常数；
t——被探测物界面反射波双向传播时间（s）。
3.2 天线频率
探地雷达能够探测到的最大深度受到探地雷达性能和探测环境的影响，其中环境影响因素包括传播介质的介电特性、电磁波其他特性等。根据当前研究发现，在沥青混凝土路面结构的检测过程中，如果电磁波的频率高，则在传播过程中因受到的影响较大会发生较快的衰减，造成检测深度受到较大的限制。考虑探地雷达检测中电磁波的传播、传播介质的介电特性和电磁波传播的规律，探地雷达的天线频率将会对探测雷达的检测深度产生较大影响，因此应结合被探测物的深度、目标探测深度选择天线频率，其中天线频率与被探测物深度的对应如表1所示。
4 案例分析
4.1 工程概况
某城市道路项目位于我国平原地区，全长为4.3 km，雙向六车道设计，设计时速为60.0 km/h。路面结构为4 cmSMA-13（SBS改性）+改性沥青粘油层+8 cm粗粒式沥青混凝土（AC-25C）+1 cm封层+40 cm粉煤灰三渣+15 cm砾石砂。
道路路基设计中存在一定的挖方和填方路面，施工过程中由于雨水冲刷造成一定程度的不均匀沉降，经后期处理后满足交工验收标准。由于该地降雨较为频繁，对于道路的防水和排水能力的挑战性较大。随着道路通行时间增加，道路路面出现了一定程度的沉陷，反射到地面则是出现沉陷。为了全面了解地面沉陷的原因以及沉陷位置的路基结构情况，便于采取针对性的处治措施，采用三维探地雷达进行沥青混凝土路面沉陷病害的检测，从而确定病害的深度和范围。
4.2 检测结果分析
检测采用的三维探地雷达，采用能够覆盖1.5 m宽路面的地面耦合曲线，采用多条检测路线即可对路面进行全覆盖的检测。地面耦合雷达检测时，车辆行驶速度V=10.0～15.0 km/h，相比传统检测技术，检测效率较高。根据该文探地雷达主要用于沥青混凝土路面检测，根据表1可知天线频率为1 500 MHz，有效检测深度小于1.0 m，即能满足检测要求。采用三维探地雷达对发生沉陷的路面进行扫描，得到纵断面图如图4所示。
根据路面外观检测结果发现，沥青混凝土路面还存在部分开裂现象，这也会对路基空洞的反射信号造成一定的干扰。根据上图可以发现，路基区域部分脱空现象较为严重，约为0.3 m深，但是从信号无法确定空洞顶部、底部的信号，因此很难准确计算脱空位置的高度。
5 结语
经济社会的持续快速发展，对于沥青混凝土路面的服役状态提出了新要求。由于当前路面下管线纵横交错，且管道老化存在部分漏水和渗水，传统检测方法无法有效地进行检测，且对道路路面会产生一定程度的破坏。在对沥青混凝土路面常见病害和传统检测技术限制的研究基础上，该文提出三维探地雷达在沥青混凝土路面病害检测中具有较强的适用性，根据对雷达系统构成、工作原理和工作性能的分析，实际检测项目验证了探地雷达的检测效果，结果显示三维探地雷达能够满足沥青混凝土路面病害检测的需求。
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