基于GPR的沥青路面厚度检测及均匀性评价*

陈雍春 于晓贺 杨川文

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海 200092； 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

沥青路面厚度均匀性作为沥青路面性能评价的重要指标之一，是用于评价沥青路面厚度差异及离析程度的重要依据。沥青路面厚度的不均匀，不仅会导致沥青路面力学性能和使用性能降低，也会导致沥青路面在荷载和雨水的作用下出现严重的病害，缩短道路的使用寿命[1-2]。因此，采用合理的评价手段对沥青路面厚度均匀性进行精准评价，可在一定程度上预防沥青路面出现严重病害问题，对沥青路面使用寿命的保障具有重要的意义[3-4]。

目前，我国通常采用钻芯取样的方式对沥青路面的厚度均匀性进行检测评价，具有简便、直观、准确的特点。但该种方法随机选点，具有一定的主观性，不能全覆盖地对沥青路面厚度均匀性进行检测，同时作为一种有损检测方式，会破坏沥青路面的结构，具有较大的局限性[5-6]。探地雷达(ground penetrating radar，GPR)作为一种新型的无损检测设备，利用超高频电磁波的发射与接收技术作为核心技术，具有高效、快速、连续、成本低等优势，已成为道路无损检测技术的重要组成部分，具有广阔的应用前景，同时也为沥青路面厚度均匀性评价提供了新的研究思路[7-8]。

本文依托于湖北省汉十高速公路襄阳北至王城收费站路段，采用探地雷达对沥青路面厚度均匀性进行检测与评价，同时以钻芯取样得到的结果作为对比，验证探地雷达检测结果的精确性，从而实现完整、精准评价，为采用探地雷达对沥青路面厚度均匀性进行精准评价提供了实际依据。

1 技术原理

1.1 探地雷达无损检测技术原理

探地雷达是利用超宽带电磁波脉冲，在近地面状态下进行地下结构探测、道路病害分析等方面取得一定应用的新型无损检测设备，涵盖了包括纳秒脉冲源技术、瞬态电磁场理论、时域测量技术和信号处理技术等多方面的技术成果，可以实现高效、快速地无损检测，操作简便、高效，具有多方面的优势[9]。本研究采用的是武汉理工大学与美国德州农机大学联合开发的WB1-21型路用探地雷达无损检测设备，与其他无损检测设备相比，其在精确度及稳定性方面等均有较大的优势。

探地雷达测量的基本原理是基于电磁波在各结构层交界面处的反射时间及传播速度而计算得到沥青路面厚度。要计算得到某一结构层的厚度，其关键在于确定电磁波在该结构层的传播情况，确定电磁波在该结构层的传播时间t及传播速度v，通过式(1)计算得到该结构层的厚度h。

h=v·t

(1)

电磁波在介质中的传播速度v与结构层的介电常数ε有关，可按照如式(2)计算得到。

(2)

式中：c为光速，取3×108m/s。

由式(2)可知，要得到电磁波在某一结构层的传播速度，首先要测得该结构层的介电常数。

反射界面上、下两结构层之间的反射系数R与介电常数ε存在如式(3)所示的理论关系。

(3)

式中：ε1为上结构层的介电常数，F/m；ε2为下结构层的介电常数，F/m；R为反射系数，为反射波幅A与全反射波幅A0的比值，R=A/A0。

电磁波进入道路结构层后，在空气与第一结构层的界面处第一次发生反射，由于空气的介电常数为ε0=1 F/m，则第一结构层的介电常数可以表示为

(4)

式中：ε1为第一结构层的介电常数，F/m；R0为空气与第一结构层交界面的反射系数；A1为空气与第一结构层交界面形成的反射波幅。

第二次反射位于第一、第二结构层的交界面处，此时应该考虑反射层的能量损失系数，可得第一、第二结构层交界面的反射系数为

(5)

则可以得到第二结构层的介电常数为

(6)

式中：ε2为第二层结构层的介电常数，F/m；R1为第一、第二结构层交界面的反射系数；A2为第一、第二结构层交界面形成的反射波幅。

同理可以类推得到不同结构层的介电常数，从而可以计算得到电磁波在各结构层中的传播速度。由于电磁波在同一结构层中的传播时间为经过2个结构层厚度的时间(发出+返回)，则结构层的厚度可以表示为

(7)

式中：Δt为电磁波在某结构层中的总传播时间，s。

由式(7)即可计算得到结构层的厚度。同时基于以上方法，则可以根据检测深度需要进一步测量得到沥青上、中、下面层及基层的厚度。

2 试验设计

2.1 基于探地雷达的沥青路面厚度数据采集

2.1.1试验设备及试验过程

本文采用WB1-21型路用探地雷达无损检测设备(见图1)对汉十高速公路襄阳北至王城收费站路段(K1149+450-K1223+450)的行车道进行沥青路面厚度数据采集。

图1 WB1-21型路用探地雷达无损检测设备

试验采用的探地雷达检测频率为1 GHz，在保证测量深度的前提下能确保测量数据具有一定的精度，检测时车速为60～80 km/h，在保证检测效率的同时防止出现剧烈振动对数据采集造成干扰。除外界天气等因素对检测过程的影响，应尽可能保持检测平稳以防止检测结果出现较大误差。

2.1.2沥青路面厚度数据信息提取

本研究采用PaveCheck软件对探地雷达检测数据进行分析处理，采用“Both Side Tracking”和“Calculate All”指令对沥青路面厚度数据进行提取，其过程见图2。图2a)中黑色横线即为沥青面层与基层的交界面，选择所示a-a断面进行计算，图2b)中显示计算得到沥青面层的厚度为17.20 cm，其他断面沥青面层厚度计算方式类似。

图2 沥青路面厚度数据提取过程

2.2 基于现场芯样的沥青路面厚度检测

2.2.1试验设备及试验过程

为了验证探地雷达检测数据的准确性，采用在探地雷达检测路段钻芯取样的方式进行验证，选取在桩号为K1119+500-K1201+500范围内行车道统一进行钻芯取样，采用钻芯机钻取直径为15 cm、深度大于20 cm的圆柱体芯样，为保证试验结果的合理性，共钻取完整芯样20个。

2.2.2现场芯样厚度测量试验

对现场钻取的20个芯样样本进行厚度测量，精度计算到小数点后2位，统计20个现场芯样的厚度信息，整理见表1。

表1 现场芯样厚度测量统计表

2.3 探地雷达检测数据精度验证

为了验证探地雷达测量得到的沥青路面厚度数据的可靠性，采用对比现场芯样厚度测量数据及探地雷达厚度计算数据的方式进行验证，同时计算二者的差异值，得到二者厚度对比图及厚度偏差值结果分别见图3、图4。

图3 各组实测厚度与计算厚度对比柱状图

图4 各组厚度偏差值统计图

由表1、图3、图4可得，由现场芯样测量得到的沥青路面平均厚度为17.05 cm，而由探地雷达数据计算得到的沥青路面平均厚度为17.00 cm，平均偏差为-0.05 cm，计算检测精度为99.7%，平均相对偏差为0.3%，表明该试验结果具有较高的精确性，证明采用探地雷达无损检测设备测量沥青路面厚度的方法具有较高的精确度，为沥青路面厚度测量提供了新的思路和技术支持。

2.4 汉十高速公路沥青路面厚度均匀性评价

由以上研究可知，探地雷达测量沥青路面厚度具有较高的精确性，因此采用探地雷达对汉十高速公路孝襄段中襄阳北至王城收费站路段共74 km高速公路进行沥青路面厚度均匀性进行评价。

根据设计资料显示，汉十高速公路襄阳北至王城路段沥青路面设计总厚度为18 cm，沥青上、中、下面层分别厚为4，6，8 cm，以1 km作为基本单位，提取汉十高速公路孝襄段中襄阳北至王城收费站74 km中共74个沥青路面厚度数据，以襄阳北为起始点，可得散点图见图5。

图5 沥青路面厚度散点图

由图5计算可知，汉十高速公路襄阳北至王城收费站沥青路面厚度最厚为18.20 cm，最薄为13.61 cm，沥青路面平均厚度为17.03 cm，变异系数为5.63%，与沥青路面设计厚度相比最大差异变化为24.39%。由于变异系数小于15%，可以说明该路段沥青路面的厚度变异情况较好，但与沥青路面设计厚度为18 cm相比，沥青路面厚度达标率仅为12.16%。其原因在于大部分路段由于投入运营后经过车辆荷载作用和沥青路面表面的磨耗，沥青路面的实际厚度比设计值较小，而部分超过18 cm的沥青路面是由于车辆荷载挤压，出现车辙等病害情况，沥青路面出现“波浪形”的不平整情况。针对部分沥青路面厚度差异较大的情况，需要结合养护历史，分析其是否存在隐藏裂缝和路基脱空等情况，从而决定养护时机和养护手段，保障行车安全性。

3 结语

本文依托于汉十高速公路孝襄段，采用探地雷达对沥青路面厚度进行检测，同时结合现场芯样验证探地雷达检测数据的准确性，在此基础之上对沥青路面厚度均匀性进行评价，得到如下主要结论。

1) 探地雷达检测和钻芯取样得到的沥青路面厚度数据对比，可知探地雷达的检测精度为99.7%，平均相对偏差为0.3%，证明探地雷达检测结果具有较高的检测精度，可以作为对沥青路面厚度检测及均匀性评价的有效手段。

2) 依据汉十高速公路襄阳北至王城收费站路段雷达检测结果可以发现，沥青路面的厚度平均值为17.03 cm，小于沥青路面的设计厚度，达标率仅为12.16%，其中沥青路面厚度最厚为18.20 cm，最薄为13.61 cm，这与沥青路面在营运期的车辆荷载作用和沥青路面表面磨耗具有一定联系，需要继续对沥青路面厚度变化进行监测。

3) 对沥青路面厚度均匀性进行评价，可以发现其变异系数为5.63%，但与沥青路面设计厚度相比最大差异变化率为24.39%，说明整体而言沥青路面厚度均匀性情况良好，但局部不均匀性的问题依然存在，需要对该位置进行进一步检测，以防出现脱空、沉陷等病害影响行车安全。