探地雷达在公路工程检测中的应用研究

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摘要：主要对探地雷达在公路工程检测的应用问题进行了研究，首先概述探地雷达技术的发展以及国内外主要的探地雷达，然后分析了探地雷达的工作原理，最后探讨了探地雷达在公路工程检测中的应用。

关键词：探地雷达；公路工程；检测

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）15-0188-02

1 探地雷达的发展现状

1.1 探地雷达技术的发展

探地雷达是一种地球物理探测方法，其主要利用超高频脉冲电磁波进行地下介质的探测。探地雷达的工作原理并不复杂，它利用一根天线向地下发射高频宽带电磁波，并通过另外一根天线接收地下的反射波，信息处理设备对接收反射波的相关数据进行处理，根据处理结果来判断地下的情况。由于地下介质对电磁波具有较强的衰减性，同时地下介质的复杂性和多样性要远远大于地上的空气，所以，电磁波在地下的传播要比在地上传播复杂得多。所以，在探地雷达应用的初期，它主要用于冰层或岩盐矿等介质中，因为此类介质的电磁波吸收较弱，在上世纪七十年代以后，随着高新技术的不断发展以及新材料的不断涌现，探地雷达技术也获得了迅速的发展，探地水平有了很大的提升。到目前为止，探地雷达已经广泛应用到了道路下空洞及裂缝探测、埋设物探测、工程地质探测等多个领域。

1.2 国内外主要探地雷达

西方发达国家在探地雷达方面具有领先个技术和成熟的产品。能够提供探地雷达设备的国家主要有美国和加拿大，美国的GSSI公司可以提供15MHZ到2GHZ的SIR系列探地雷达，并提供相应的数据分析处理软件包；加拿大的SSI公司可以提供EKKO探地雷达系列；美国PENETRADAR公司可以提供IRIS系列路用探地雷达系统，并提供相关的处理分析软件包。随着我国科技实力的不断提升，国内很多研究院所也成功研发出了国产探地雷达设备，比如东南大学的GPR-1型探地雷达，大连理工大学的DTL-1型探地雷达，中科院长春地理所的SI2R型探地雷达，北京爱迪尔公司推出的车载式探地雷达系统已经在国内得到了广泛的应用。

2 探地雷达的工作原理分析

2.1 探地雷达的系统构成

一套完整的探地雷达设备包括多个子系统，具体有主机、发射机、接收机、天线、信号处理等。发射机用来发射雷达信号，首先由控制电路产生脉冲雷达信号，然后由天线将该信号辐射到路面；接收机用来收集反射信号，由于从地下反射的信号比较微弱，所以要采用放大器对信号进行放大，然后再把信号传送给信号处理设备进行处理；天线可以用来发射和接收信号，天线主要分为地面耦合型天线和空气耦合型天线两类；分离器主要用于将发射器和接收器不断地与天线进行联结和切断，这样可以防止接收机的输入元件被发射机的高能输出破坏；信号处理设备主要起到对接收的反射信号进行数据采集、存储、处理以及显示等作用。

2.2 探地雷达的技术原理

探地雷达采用的是电磁探测技术，其依据的是电磁场理论，电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁电磁场场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。探地雷达应用的基础条件是路面材料的介电常数存在差异，雷达接收的反射波是介电常数的函数，利用不同介质介电常数的差异性，才可能对反射波数据进行分析和判断，从而确定地下介质的具体情况。

2.3 探地雷达的工作原理

探地雷达通过发射和接受高频率、短脉冲电磁波，并对接收的数据进行处理，来推断出地下介质的具体特征。道路可以分为面层、基层和路基三层结构，面层为混凝土时相对介电常数为6-9之间，面层为沥青时相对介电常数一般在3-5之间，基层与路基由于湿度较大，相对介电常数都在8以上，道路各层之间的介电常数差异较大，这为采用探地雷达设备进行公路工程检测提供了可靠的技术支持。探地雷达通过天线将发射器发射的雷达波传送到道路结构层，由于空气的介电常数与路基路面的介电常数具有很大的差异性（空气的介电常数为1，而路基路面远大于1），所以，雷达波的大部分能量都会被路面路基所吸收，同时波的折射角小于波的入射角。雷达波从入射到完成循环的整个过程数据都会由仪器进行记录，通过电磁波的旅行时间、行程和行进速度以后就可以推算出路面和路基的各项具体参数，比如路基的密实程度、材料的厚度以及异常物位置等。

3 探地雷达在公路工程检测中的应用

3.1 厚度检测

根据《公路质量检测评定标准（JTGF80/1-2004）》的规定，高速和一级公路的沥青面层的总厚度允许偏差代表值为-5%h（mm），极值为-10%h（mm）；上面层代表值为-10%h（mm），极值为-20%h（mm），水泥面层代表值为-5mm，极值为-10mm。目前常用的钻孔法有一个明显的缺点，就是会对公路路面产生破坏，所以检测的次数会受到严格限制，而这样又无法保证检测的客观性。探地雷达检测主要是根据电磁脉冲在路面和路基界面的传播速度和传播时间来确定的，作为一种无损探测技术，可以有效的解决上述问题，目前探地雷达设备的厚度检测精度已经可以满足常规的检测要求。德克萨斯交通学院利用探地雷达进行过网络级厚度的检测试验，并对检测数据采用TERRA软件进行了处理，结果显示，检测厚度与实际厚度之间的绝对偏差的平均值为0.75cm，国内的探地雷达检测结果也表明，探地雷达检测误差率一般小于3%，检测结果与钻孔法的结果相一致。

3.2 路下隐患探查

路下隐患往往无法直接观察到，一般是隐患发生了很长时间以后，已经造成了公路损坏才被发现，进行时候修补，这种修补方式不仅成本大、难度高，而且影响公路的正常通行。探地雷达在探测路下隐患中有着得天独厚的优势，可以提早发现公路下面的各类隐患，使公路管理及维护部门能够及早的掌握公路的内在质量和使用寿命，从而制定出相应的维护措施，将重大损坏事消灭在萌芽中，防患于未然。目前，探地雷达在路下隐患探查方面还处于探索阶段，国外在上世纪八十年代初就开始进行了相关的试验，比如从脱空反射回波中提取有效信息，经过数据处理可以发现脱空的位置、深度和大小等数据，也有学者对混凝土路面的缺陷进行了研究，利用0.5-6.0GHz的空气耦合天线对模拟的0.5mm缺陷进行探测，取得较好的结果，随后的现场检测也表明，采用探地雷达进行探查是一个有效的方法。

参考文献

［1］王海东，张梦.夯实水泥土桩桩身完整性探地雷达检测技术试验研究［J］.湖南大学学报（自然科学版），2012，（3）.

［2］徐莹，徐宏武.探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用［J］.土木工程与管理学报，2012，（1）.

［3］孙宇.探地雷达在辽宁普通公路面层检测中的应用［J］.北方交通，2012，（4）.