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地质雷达在道路厚度结构检测中的应用

2023-05-08 来源:世旅网
贵州科学29(4):72--76,2011 Guizhou Science 地质雷达在道路厚度结构检测中的应用 王德斌 黄质宏 ( 贵州开磷设计研究院,开阳550302; 贵州大学土木建筑工程学院,贵阳550003) 摘要:本文以道路工程为例,对地质雷达在检测道路厚度结构的应用情况进行介绍,通过分析雷达检测道路厚度结构的 基本原理,将地质雷达的道路厚度检测技术与常规的钻孔取芯方法进行对比,并根据在实际工程中的应用情况,说明探地雷 达在公路厚度结构检测方面有广阔应用前景。 关键词:地质雷达,道路工,无损检测,钻芯 中图分类号TN959.5 文献标识码A 文章编号11303—6563(2011)04-0072-05 The Application of Ground Penetrating Radar in Detection of Pavement Thick— ness and Highway Structures WANG De-bin HUANG Zhi-hong ( Institute ofDesign and Research,Guizhou Kailin(Group)Co,Kaiyang,Guizhou 550302,China;。College of Civil Engineering and Architecture,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550003,China) Abstract: In this article,we take a road project as an example to introduce the application of GPR on the strue— tural detection of road thickness.By analyzing basic principles of the structural detection of road thickness,we have compared it with the conventional method of core drilling.Based on the application of practical engineering, we have found that GPR has broad application prospects for the structural detection of road thickness. Key words: GPR,road project,nondestructive detection,core drilling 技术和计算机数据处理方法水平的不断提高,探地 1 前言 地质雷达方法以其经济、无损、快速而直观的特 雷达技术得到了长足的进步。近年来,该技术已被 广泛应用于工程地质调查、土木工程检测、矿产资源 勘查、水文与生态环境调查、地质灾害预测、地下掩 点成为浅部地球物理勘察最主要的工具之一。雷达 波频率高、波长短、分辨率高,可实现非接触性连续 测量,是目前道路厚度探测的首选方法(林宏标, 2009)。探地雷达类似于探空雷达,它是利用高频 电磁波束的反射探测地下目的体。由于高频微电子 埋物的探测等众多领域,特别是在道路厚度结构的 无损检测方面发挥着越来越大的作用。 2地质雷达基本原理 地质雷达(GPR)是用高频电磁波(1MHz~ 收稿日期:2011-04-03;修回日期:2011-054)4 作者简介:王德斌(1967一),男,本科,工程师。主要从事工程地质、岩土 工程与地基基础方面的勘察、设计工作。 E—mail:wangdb67@126.corn 1 GHz)来确定介质内部物质分布规律的一种地球物 理方法(曾昭发等,2006;石宁等,2004;李大心, 1994)。如图1示,通过发射天线T,按照确定的方 向,将高频电磁波以宽频带脉冲形式向地下或进深 4期 王德斌,等:地质雷达在道路厚度结构检测中的应用 73 方向发射。在均匀介质中,电磁波以一定速度传播, 当遇到有电性差异的地层或目标体时,如不同材料 的交界面、断层、破碎带、溶洞和含水层等,电磁波便 发生反射,返回到地面或探测点,被接收天线R接 数明显变化的地质现象时,电磁波将产生反射及透 射现象,其反射和透射能量的分配主要与异常变化 界面的电磁波反射系数有关: ( 一一 + ) ) 收并由主机记录,得到从发射经地下界面反射回接 ≈———— ——————————————————一 ( ( 一 + ( ) 收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时,可 根据测到t值,并结合对反射电磁波的频率和振幅 等进行处理和分析,便可求得目标体的位置、深度和 几何形态。 发射天线(T) 接收天线(R) 图1 雷达检测道路工程时的工作原理 Fig.1 Working principle of radar detection of the road works 电磁波的传播取决于物体的电性,物体的电性 主要有电导率 和介电常数 ,前者主要影响电磁 波的穿透深度;在电导率适中的情况下,后者决定电 磁波在该物体中的传播速度。因此,所谓电性介面 也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物 体)具有不同的电性,因此,在不同电性的地质体的 分界面上,都会产生反射。地质雷达在探测中的基 本参数描述如下。 2.1 电磁脉冲波走时 t:、 一2z/ 式中:z一勘查目标体的埋深; 一发射、接收天 线的距离(式中因 > ,故 可忽略);一电磁波在 介质中的传播速度。 2。2电磁波的传播速度 C C ” — = q£ T £t 式中:c一电磁波在真空中的传播速度; ,一介 质的相对介电常数; 一介质的相对磁导率(一般 1)。 2.3电磁波的反射系数 电磁波在介质传播过程中,当遇到相对介电常 式中:r一界面电磁波反射系数;占,一第l层介 质的相对介电常数; :~第2层介质的相对介电常 数。 2.4地质雷达记录时间和勘查深度的关系 l 1 c — 式中::一勘查目标体的深度;£一雷达记录时 间。 2.5路面厚度的检测 路面测厚的基本原理是根据电磁脉冲在路面与 路基界面的反射时间和传播速度,求得路面的厚度 (杨天春等,2003)。因此,厚度检测的关键,首先是 检测路面底界面的回波时间,确定电磁波在道路各 结构层中的传播时间£,其次是要确定电磁波在路 面中的传播速度 ,有了这两个参量,厚度值^就可 得到: h=Vt 其中, 为电磁波在介质中的传播速度: ∞=e,0£f C为光速,理论值为3 X]08 Ev's;占,为结构层的 相对介电常数。求出不同结构层的介电常数,可得到 电磁波在各结构层中的传播速度。速度 乘以电磁波 在结构层的往返时间的一半即得到各结构层厚度。 3应用实例 贵州省龙里某城区道路工程,道路全长640 m, 道路等级为城市Ⅲ级主干道,设计车速为30 km/h; 道路设计年限为20年。路面设计宽度K0+000~ K0+030段为12 m、K0+030一K0+640段为16 m; 面层设计厚度为24 on,水泥混凝土设计抗压强度 C30、设计弯拉强度为4.5 MPa;基层为水泥稳定碎 石层,设计厚度为30 cm,底基层设计厚度:K0+000 ~K0+070段为片石、马牙石底基层,42 on厚、K0 +070~K0+640段为级配碎石,15 om厚。 在该路段施工完毕后,需进行现场的试验检测, 主要测试道路面层、基层、底基层的厚度等技术参 数,检验其是否达到原设计要求。 74 3.1 面层厚度 贵 埘 科 詈 29卷 检测进行验证。雷达测线沿路线全长布设置左、中、 右3条,详见附图1。 面层厚度以雷达检测数据为主,并采用钻芯法 曷 8 8 g g S 墨} ’ 品 + 寻{ + 8{ + 品 + g 注:图中细实线为路面轮廓线,点划线为路中线,粗实线为地质雷达测线,黑圆圈为钻芯位置 图2地质雷达测线及钻芯平面布置示意图 Fig.2 Surface decorating schemes for geological radar measuring line and core drilling 由检测结果知,该路段面层最小厚度为l8.5~ 22.3 cm,最大厚度为22.6~27.3 cm,平均值为 段局部位置面层厚度不满足设计要求(详见表1及 图3和图4)。 21.1—23.9 cm。与设计厚度(24 cm)相比较,该路 表1 面层厚度检测结果表(雷达测试) Tab.1 Test results of layer thickness(radar test) 3.2基层厚度 设置左、中、右3条,详见图1,具体检狈0结果见表2, 雷达实测图见图3和图4。 本段道路基层为30 ClTI厚度水泥稳定碎石层, 基层厚度采用雷达法检测,雷达测线沿路线全长布 表2基层厚度检测结果表(雷达检测) Tab.2 Test results of base thickness(radar test) 备注:受文章篇幅的限制,在表中和附图中仅列出一条测线的雷达测试数据。 4期 王德斌,等:地质雷达在道路厚度结构检测中的应用 75 由检测结果知,该路段基层最小厚度为29.0~ 基层厚度采用地质雷达进行检测,检测时沿路线全 长布设置左、中、右3条,详见附图l,具体检测结果 见表3,雷达实测图图3和图4。 34.5 cm,最大厚度为34.8~40.0 cm,平均值为 32.2~37.1 cm。与设计厚度(30 cm)相比较,该路 段基层厚度满足设计要求(详见表2及图3和图 4)。 由检测结果知,该路段底基层最小厚度为 7.4 cm,平均值为9.5~16.8 cm,与设计厚度(15 cm)相比较,该路段局部位置的底基层厚度不满足 设计要求(详见表3和图3和图4)。 3.3底基层厚度 本段道路底基层为15 cm厚度级配碎石层,底 表3底基层厚度检测结果表(雷达检测) Tab.3 Test results of sub—base thickness(radar test) 备注:受文章篇幅的限制,在表中和附图中仅列出一条测线的雷达测试数据。 0.0 0l 02 麓 器婆 0 3 04 0.5 0.6 目冒()7 毫0.8 0.9 1 0 l l l 2 l 2 图3测线1一K0+000一K0+173左5米雷达波形图 Fig.3 Radar waveform of survey line 1-KO+000~K0+1 73 five meters left 0.0 (U 0.0 {).1 0.2 0 3 0.2 —0.3 f)-4 0.4星 0.5 g 0.5 0.6 0.6箱 0.7溽 0 8} 0.9 1 0 1 1 I 2 l ()7 墓0.8 0.9 1 0 l 1 l 2 图4测线1一K0+100一K0+273左5米雷达波形图 Fig.4 Radar waveform of survey line 1一K0+1 O0~K0+273 five meters left 3.4测试结果验证 段)随机钻取14个芯样。由于钻芯法适用于对面 为验证该路段面层、基层、底基层厚度的雷达 测试结果,在该路段采用了钻孔取芯测厚与雷达检 测厚度进行对比,沿雷达测线(K0+100~K(】+273 层混凝土厚度的检验,本路段面层以钻芯法检测数 据(表4)为依据,并按《公路工程质量检验评定标 准》(JTGF F80—2004)进行评定如表5。 76 贵 嘶 科 学 29卷 厚度设计值h (em) 钻芯数n 14 厚度平均值h (em) 22.1 标准差 (cm) 3.23 厚度代表值h(em) 21.3 因面层厚度代表值h=21.4 em<hd一0.5=24—0.5=23.5 cm,所以面层厚度不合格。 综合评定 注:h: 一 :22.1—0.248×3.23:21.3 cm 4n 通过对面层钻芯检测结果和雷达检测结果全部 进行统计分析,2种方法的i贝0试结果基本一致,且满 足测试精度的要求。具体检测结果见表1-4,雷达 实测图详见图3和图4。 2)雷达检测技术具有无损、快速、简易、精度高 等优点,可作为今后公路工程施工(特别是高等级 公路施工)的一项重要的地球物理探测技术,并能 够为依法规范道路建筑行为提供技术保障; 3)地质雷达测试技术是一种新的无损连续检 测手段,在其探测能力允许达到的范围内,还可在路 面测厚,路面板底脱空检测、路面密度检测、路面材 料弹性模量测定及新建沥青路面的质量控制方面有 着广泛的应用(崔玉超,2009),但是地质雷达测试 技术是一种间接的无损探i贝0技术,仍然必须与勘探、 钻探等工作合理地配合,才能发挥作用。切不可将 从以上对比分析结果来看,将地质雷达测试技 术用于道路工程路面厚度结构的检测是可行的。原 有以钻芯取样为主的公路质量检测和病害防范方法 具有直观、可靠,但其效率低、偶然性大、代表性差, 成本高,而且对公路具有很强的破坏作用,与钻孔取 芯检测相比,地质雷达测试技术具有无损、高效、高 精度等特点,可将其作为高等级公路路基、路面质量 检测的方法加以推广应用。 地质雷达作为万能的工程检测工具,因为地下物理 参数的差异以及周围环境是影响其效果的主要因 素。因此,在推广地质雷达技术的同时,最好针对具 体工程、具体问题,与其它勘探方法配合使用,才能 发挥该技术的最大潜力。 4结束语 1)本文结合工程实例对地质雷达在检测道路 厚度结构的应用情况进行了初步的探索,通过分析 雷达检测道路厚度结构的基本原理,将地质雷达的 [REFERENCES] Cui YC,Niu XC,Dou BY,2009.Geological radar application 道路厚度检测技术与常规的钻孔取芯方法进行对 比,并根据在实际工程中的应用情况,说明探地雷达 在公路厚度结构检测方面有广阔应用前景; in road pavement detection[J].East China Highway,04(in Chinese). 【下转第84页) 昔 埘 科 学 郭焕成,2005.休闲农业与乡村旅游发展工作手册[M].北 京:中国建筑工业出版社. 农学通报,12(13):18-20. 29卷 王献溥,刘振杰,2007.保护区在构建和谐社会和新农村建设 中的作用[J].云南自然保护,1-2:12—15. 王献溥,李文埕,刘振杰,2007.广西南丹县开展生态旅游的 黄威廉,1988.贵州植被[M].贵阳:贵州人民出版社. 龙笛信,龙登渊,湛鸿溪,2006.贵州从江稻鱼共生生态农业 及其开发模式探索[A].农业文化遗产保护的多方参 与机制[c].见闵庆文,钟秋毫.北京:中国环境科学出 版社,155—175. 成就和展望[J].猫儿山论坛,1:27-30. 王献溥,于顺利,2008.论生态发展文明时代的形成发展、基 本特点和要求[J].北京农业,7:66-70. 王献溥,于顺利,陈宏伟,2008.论生物圈保护区与社会主义 王献溥,1981.谈谈城市生态系统的研究问题[J].环境保 护,5:6-9. 新农村建设的关系[J].资源环境与发展,3:1-3. 王献溥,于顺利,王宗帅,2009a.论生态农业的基本含义和实 王献溥,1995.物种保护与持续发展[J].森林与人类,2:4-5; 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