地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度的可靠性和必要性

1、地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度的可靠性和必要性張 山 （ 地礦部石油物探研究所 南京210014 ）摘要 本文在簡述地質(zhì)雷達(dá)基本原理和工作方法的基礎(chǔ)上，以大量的有針對性的試驗說明了地質(zhì)雷達(dá)在檢測公路面層厚度方面的準(zhǔn)確性和可靠性；通過理論分析、實際資料計算機(jī)摸擬以及實測效果等方面分析了采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測公路面層厚度的必要性。關(guān)健詞 地質(zhì)雷達(dá) 面層厚度 連續(xù)無損檢測 誤差 準(zhǔn)確性 可靠性 微觀評價 宏觀評價 計算機(jī)模擬 樣點數(shù) 隨機(jī)性 正確評價自八十年代末以來，西方發(fā)達(dá)國家紛紛將地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于公路質(zhì)量檢測，取得了明顯進(jìn)步。南京振隆科技實業(yè)公司在國內(nèi)率先引進(jìn)了一套公路專用地質(zhì)雷達(dá)檢測設(shè)備，并自行開發(fā)

2、專用軟件，形成了一套完整的公路面層厚度檢測技術(shù)。本文將在簡單介紹該項技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，著重從理論、模擬及實踐等多方面討論該技術(shù)的精度、可靠性和必要性。一、基本原理和方法地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度屬于反射波探測法，其基本原理與大家所熟悉的探空雷達(dá)相似，即向地下發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖波，電磁波在地下傳播的過程中遇到不同電性物質(zhì)分界面時，就會產(chǎn)生反射波，地質(zhì)雷達(dá)接收并記錄這些反射信息。電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的 ，因此根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波的時間差T，即可據(jù)下式算出該界面的埋藏深度H： 對于公路面層檢測而言，H即為面層厚度，式中V是電磁波在地下介質(zhì)(面層)中的傳播

3、速度，相對于雷達(dá)所用的高頻電磁波(900 2500MHz)而言，公路面層所用的材料都是低損耗介質(zhì)，其速度由下式表示： 式中C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為每秒30萬公里；為面層的相對有效介電常數(shù)，它取決于構(gòu)成面層的所有物質(zhì)的介電常數(shù)。反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)可表示為： 式中：1、2分別為上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對公路檢測而言，1為面層的相對介電常數(shù)，2為基層的相對介電常數(shù)。由式可知，反射信號的強(qiáng)度主要取決于上、下介質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號越強(qiáng)。對瀝青砼面層而言，面層與基層(穩(wěn)定層)存在明顯的電性差，可以預(yù)期面層底部會有強(qiáng)反射出現(xiàn)。不同

4、面層(上、中、下)之間所用材料也存在細(xì)微差別，因此也可以得到較弱的反射信息。圖1是用地質(zhì)雷達(dá)檢測瀝青砼面層得到的剖面圖， 不同界面的反射清晰可辨。圖2為檢測水泥砼面層得到的剖面圖，面層與基層的分界面也較清楚。圖3簡單描述了地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度的基本過程。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和波的頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越?。活l率越高，穿透深度越小，反之亦然。對于公路檢測而言，水泥砼面層的導(dǎo)電率高于瀝青砼面層的導(dǎo)電率，因此相同頻率的雷達(dá)波在瀝青砼面層中的穿透能力大于在水泥砼面層中的穿透能力。在實際檢測工作中，對瀝青砼面層一般采用2500MHz天線測量，而對于水泥砼面層2500MHz天線

5、一般難以穿透，只能用9001000Mhz天線測量。公路專用地質(zhì)雷達(dá)都是在行進(jìn)中以電磁波掃描的方式進(jìn)行的。因此該項技術(shù)具有連續(xù)、無損、高效率的特點。二、可靠性分析與試驗(一)、誤差分析由前面我們知道，面層厚度取決于雷達(dá)波在面層中的傳播速度和傳播時間。對式兩邊取微分并除以原式得： 該式說明，地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度的誤差由速度誤差和時間誤差兩部分組成。時間誤差由儀器采樣及波至拾取引起。采樣誤差不大于一個采樣間隔。由于實際工作中每道( 4 6ns )采樣點數(shù)高達(dá)5121024個，所以該項因素引起的誤差相當(dāng)小。波至?xí)r間拾取誤差則與資料信噪比及拾取方法有關(guān)，對高噪比的資料采用計算機(jī)自動拾取波至的誤差幾乎

6、為零，而用手工拾取的誤差則較大。目前我們普遍采用高采樣率采集方式及計算機(jī)自動拾取波至?xí)r間，因此式中時間引起的誤差基本可以不予考慮。速度的誤差與獲取速度的方式有關(guān)。目前獲取速度的方法主要有兩種，一是鉆孔標(biāo)定法，另一種是反射系數(shù)遞推法。從理論上后者可以給出每一測量點自身的速度，但因?qū)嶋H工作中不可避免而又不可預(yù)測的表面散射、界面起伏等因素，該方法所得到的速度誤差較大。因此實際工作中，我們將這兩種方法結(jié)起來進(jìn)行速度標(biāo)定。由于公路面層施工中對材料及施工工藝有著嚴(yán)格的要求，從宏觀(標(biāo)段級)及中觀(幾十米幾百米)角度來看，可以認(rèn)為介質(zhì)是均勻的，其傳播速度是相對不變的，也就是說從個別鉆孔點標(biāo)定出的速度可以代表

7、全段的速度；當(dāng)然，從微觀角度(幾十厘米幾米段)而言，介質(zhì)所處的具體環(huán)境是不完全相同的（如攪拌不均勻、分撒不均、壓實不均等），其電性也會有輕微的不同。大量實測表明，在同一標(biāo)段內(nèi)鉆孔標(biāo)定法的速度誤差通常為2%左右。從以上分析可知，只要方法得當(dāng)、手段完備、資料信噪比高，地質(zhì)雷達(dá)測量面層厚度的誤差通常為2%左右。需要特別指出的是，這里所討論的誤差是指各測點的隨機(jī)誤差，相對于某一路段而言，由于采樣點相當(dāng)多（一般每公里20005000個樣點），只要速度是由多個鉆孔標(biāo)定的，其平均值幾乎不存在系統(tǒng)誤差?？梢赃@樣認(rèn)為，地質(zhì)雷達(dá)對于每一點的厚度測量是足夠精確的，而對于某一段的厚度測量則是非常精確的。(二)、準(zhǔn)確性

8、和可靠性試驗地質(zhì)雷達(dá)能否作為檢測公路面層厚度的一種手段，關(guān)健取決于其準(zhǔn)確性和可靠性。為此我們專門做了這方面的試驗。現(xiàn)說明如下：1、準(zhǔn)確性試驗試驗分三個層次進(jìn)行。(1)、通過三個已有鉆孔連一條地質(zhì)雷達(dá)剖面，剖面長度約80米，用第一個鉆孔的芯樣厚度及雷達(dá)波傳播時間標(biāo)定速度，并根據(jù)雷達(dá)波傳播時間計算第二、三個孔位的厚度。結(jié)果表明，第二、三個孔位的計算厚度與芯樣實測厚度誤差分別為0.8mm和-1.5mm（圖4、表1）。表1、取芯厚度與雷達(dá)測定厚度對比表 (單位：cm)芯樣號芯樣厚度雷達(dá)測定厚度絕對誤差相對誤差113.5211.011.08+0.080.73%312.011.85-0.151.25%(2

9、)、通過四個任選點位連一地質(zhì)雷達(dá)剖面，剖面長度約為200米。首先鉆開第一個點位并據(jù)其芯樣厚度標(biāo)定雷達(dá)波速度，然后預(yù)報其它三個點的厚度，最后鉆開這些點位并將其芯樣厚度與預(yù)報厚度做比較。結(jié)果表明，第二、三、四個點位的預(yù)報誤差分別為-0.26cm、+0.18cm和+0.2cm（圖5、表2）。表2、雷達(dá)測定厚度與取芯厚度對比表 (單位 cm)芯樣號雷達(dá)測定厚度芯樣厚度絕對誤差相對誤差110.9212.4412.7-0.262.05%311.4811.3+0.181.59%413.2013.+0.201.54%(3)、在某高速公路上做一約二十公里長的地質(zhì)雷達(dá)剖面，根據(jù)該路段內(nèi)三個已知鉆孔的芯樣厚度標(biāo)定速

10、度，并計算各點厚度。然后在該剖面上選取一段相對起伏較大的部位（約18米），在高、中、低三個點位鉆孔取芯驗證。結(jié)果表明，三個點位的厚度誤差分別為-1.7mm、-2.0mm和-2.2mm（圖6、表3）。除以上有針對性的專門試驗外，在生產(chǎn)性檢測工作中也做了大量的驗證工作，誤差一般不超過3.0mm。表3、雷達(dá)測定厚度與以芯厚度對比表 (單位 cm)孔 位雷達(dá)測定厚度芯樣厚度絕對誤差相對誤差18.839.0-0.171.89%215.8016.0-0.201.25%39.389.6-0.222.29%2、可靠性試驗對于同一路段，如果在不同的時間檢測得到不同結(jié)果，或同一路段沿不同路徑檢測得到不同結(jié)果，那么

11、這種檢測手段就是不可靠的，反之則是可靠的。為了證明地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)的可靠性，我們專門做了如下兩個試驗：(1)、同一路段不同時期檢測結(jié)果的可重復(fù)性在某高速公路上，我們?nèi)芜x了一段約800米長的路段，沿其車道分隔線，分別于96年5月31日和96年8月2日進(jìn)行了兩次地質(zhì)雷達(dá)測量，所得面層厚度結(jié)果（圖7、表4）表明兩次檢測結(jié)果相當(dāng)一致，可重復(fù)性相當(dāng)好。表4 同一車道兩次地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果對比表日 期平均值(cm)標(biāo)準(zhǔn)差(cm)代表值(cm)最小值(cm)變異系數(shù)(%)樣點數(shù)(個)17.720.9817.6615.605.5376717.760.9917.7015.705.57767(2)、同一路段不同路徑

12、檢測結(jié)果的可重復(fù)性我們知道，公路路面即使采用大型攤鋪機(jī)一次鋪成，面層厚度在橫向上也存在一定的變化。因此，沿不同路徑進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測的結(jié)果是否相同是決定地質(zhì)雷達(dá)測量結(jié)果有否代表性的重要前提。我們在高速公路上任選了一段約1km長的路段，分別沿其行車道中心線和超車道中心線進(jìn)行了兩次地質(zhì)雷達(dá)測量，盡管剖面形態(tài)在細(xì)節(jié)上有一定差異（圖8），但總評結(jié)果非常一致（表5）。表5 同一路段不同車道地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果對比表k257+282-k258+282平均值(cm)標(biāo)準(zhǔn)差(cm)代表值(cm)變異系數(shù)(%)樣點數(shù)(個)超車道12.131.2712.0710.431001行車道12.231.3812.1511.31

13、1001綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)對面層厚度的檢測結(jié)果在具體點位上是足夠精確的，對特定區(qū)段的評估是非常可靠的，完全可以取代現(xiàn)行的鉆孔取芯手段。三、必要性分析(一)、微觀評價的必要性由于目前普遍使用的面層厚度檢測手段只有鉆孔取芯法和挖坑法，故現(xiàn)行公路質(zhì)量評價只能是宏觀的，但事實上這種宏觀評價很難發(fā)現(xiàn)一些潛在的質(zhì)量隱患。即使一個很小范圍的病害也會導(dǎo)致整段路不能正常使用。因此，一個全優(yōu)工程不僅應(yīng)該經(jīng)得起宏觀評價，而且還應(yīng)經(jīng)得起微觀評價。要做微觀評價，必然要求采用連續(xù)無損的檢測手段，地質(zhì)雷達(dá)是目前能滿足這一要求的唯一手段。(二)、宏觀評價的科學(xué)性現(xiàn)行公路質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青砼面層厚度檢測中，每公里每車道取五個

14、芯樣。從統(tǒng)計學(xué)及現(xiàn)行施工工藝的實際情況來看，取芯樣太少了。根據(jù)十個芯樣所做的每公里評價結(jié)果往往帶有一定的隨機(jī)性。圖9是某高等級公路地質(zhì)雷達(dá)檢測的中、下面層厚度曲線，其采樣間隔為0.5m，總長度為一公里，實際平均厚度A=12.73cm。我們在計算機(jī)上模擬現(xiàn)行隨機(jī)取芯過程，計算了不同采樣點數(shù)條件下的厚度評價結(jié)果，每種采樣點數(shù)各做十次隨機(jī)采樣(相當(dāng)于派十個檢查小組獨立檢測十次)，結(jié)果列于表6。由表可見，在取芯數(shù)較低的情況下，十組采樣評價結(jié)果各不相同，且差異較大。在每公里十個芯樣的條件下，計算出的平均厚度與實際平均厚度A(12.73cm)最大誤差達(dá)-11.2mm和+3.9mm。這就意味著派十個檢查組對

15、同一路段做十次檢測，可以得到十個不同的評價結(jié)果，有的說很好，有的說很差。就會將原來合格的區(qū)段誤判為不合格，而不合格的也可能誤判為合格。但隨著采樣點數(shù)n的增大，各組結(jié)果迅速收斂于真實平均值A(chǔ)，這時，才能給出正確的評判結(jié)果。我們在不同的路段做了大量的上述模擬評價，并統(tǒng)計了各組平均值與真實平均值A(chǔ)的均方誤差 隨采樣點數(shù)的變化關(guān)系(圖10)。由圖可見，當(dāng)樣點數(shù)少于十個時，各組平均值與真實平均值的均方誤差大于 5mm，誤差很大，只有當(dāng)樣點數(shù)大于6070時，該均方差才收斂于1mm以下，即十個獨立檢查組的檢測結(jié)果基本趨于一致。從以上分析可知，欲對面層平均厚度做出比較準(zhǔn)確的評價，每公里至少要有6070個樣點。

16、傳統(tǒng)的鉆孔取芯法顯然不能滿足這一要求，否則將給公路面層造成難以估量的病害和隱患，降低公路的正常使用壽命。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的高采樣率無損檢測等優(yōu)點，則能較好地滿足這一要求。(三)、施工管理中的重要作用由于地質(zhì)雷達(dá)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，它對強(qiáng)化施工管理具有重要作用。這種作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、適時調(diào)整設(shè)計眾所周知，高等級瀝青路面一般分二到三層鋪設(shè)，由于底基層和基層允許誤差較大，中、下面層尤其是下面層厚度出現(xiàn)偏差的機(jī)會較大。如果在施工期間能及時準(zhǔn)確地測出中、下面層尤其是下面層的厚度，則可適時調(diào)整中、上面層尤其是中面層的設(shè)計厚度，以確保面層厚度達(dá)到設(shè)計要求。2、準(zhǔn)確計算面層用料如前所述，用隨機(jī)

17、取芯結(jié)果估算整段路的面層厚度存在較大的隨機(jī)性。因此，為了防止個別施工單位偷工減料，準(zhǔn)確估算材料成本,就應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)提供準(zhǔn)確的厚度資料。3、提高施工單位嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)的自覺性在以往隨機(jī)鉆孔取芯檢測的情況下，個別施工單位存在僥幸心理，對面層厚度把關(guān)不嚴(yán)，其總體厚度常常偏低。采用地質(zhì)雷達(dá)檢測后，因其連續(xù)高密度的采樣而使施工單位徹底打消了僥幸心理。例如，某高速度公路在中、下面層鋪成后，大部分路段都采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了面層厚度檢測。雖然絕大多數(shù)路段的中、下面層厚度都滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，但在進(jìn)行上面層施工時，各施工單位都自覺地比原計劃增加了10%的用料，從根本上保證了該高速公路的面層厚度，為國家挽

18、回了約1700萬元的潛在損失。綜上所述，為了正確評價面層施工質(zhì)量，強(qiáng)化施工管理，必須采用一種足夠精確的、能夠連續(xù)采樣的無損檢測手段。地質(zhì)雷達(dá)是目前能夠滿足這一要求的可靠手段。四、結(jié)論地質(zhì)雷達(dá)檢測公路面層厚度是一種無損連續(xù)檢測手段。其對具體點位的檢測誤差主要取決于換算速度。對于高等級公路而言，由于施工材料及工藝要求很嚴(yán)，其面層雷達(dá)波速度變化極小，大量試驗及實際資料表明，檢測誤差一般都小于3%。地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果與取芯結(jié)果相當(dāng)一致，檢測結(jié)果不僅在具體點位上相當(dāng)精確，而且其對指定區(qū)段的總評也非常可靠。不僅對同一路徑做多次檢測所得結(jié)果完全一致，而且對同一路段不同路徑做多次檢測所得結(jié)果也相當(dāng)一致。因此，地質(zhì)雷達(dá)完全具備替代現(xiàn)行鉆孔取芯的條件。傳統(tǒng)的鉆孔取芯法對面層具有一定的破壞性，因而其檢查頻度受到嚴(yán)格限制。模擬試驗表明，根據(jù)現(xiàn)行質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鉆孔取芯頻度所做的面層厚度評價具有很大的隨機(jī)性，這在一定程度上助長了承包商的投機(jī)心理，