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淺析雷達(dá)測(cè)試技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

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淺析雷達(dá)測(cè)試技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

摘要:為了進(jìn)一步明確雷達(dá)測(cè)試在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀,從雷達(dá)測(cè)試技術(shù)的用途入手,對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研,從而為后續(xù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明,雷達(dá)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于公路工程的材料指標(biāo)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試、病害無損診斷等方面,但都處于起步階段,各方面的研究還需要不斷完善。運(yùn)用雷達(dá)測(cè)試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè),且可方便進(jìn)行多指標(biāo)的間接評(píng)價(jià),在公路工程中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)測(cè)試技術(shù);公路工程;路面材料;路面性能

在公路工程中,運(yùn)用雷達(dá)測(cè)試技術(shù)的常見設(shè)備即探地雷達(dá),它是依據(jù)電磁波對(duì)地表材料的穿透性能,從路面向下反射某些模式的電磁波,通過接收、分析在地下介質(zhì)中反射回的電磁波的時(shí)延、形狀和頻譜等參數(shù),應(yīng)用數(shù)字圖像的恢復(fù)與重建技術(shù),對(duì)面層以下的目標(biāo)進(jìn)行成像處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的再現(xiàn)。在道路工程中,如果應(yīng)用雷達(dá)波技術(shù)監(jiān)測(cè)路面性能,可以提供全方位的信息,包括材料的厚度、壓實(shí)度、含水率和瀝青混凝土的離析情況等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)道路不同鋪裝層的快速、高效、無損、持續(xù)監(jiān)測(cè),為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和管理提供可靠的技術(shù)支持,需要調(diào)查雷達(dá)檢測(cè)的相關(guān)情況。

1路面材料和結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測(cè)

中國地質(zhì)大學(xué)朱培民、郭士禮等人針對(duì)瀝青混合料材料復(fù)雜、空間分布隨機(jī)的特性和淺層近場(chǎng)問題進(jìn)行了研究,結(jié)合實(shí)體工程建立了公路工程材料的隨機(jī)介質(zhì)模型,研究了隨機(jī)介質(zhì)模型參數(shù)及其與之相關(guān)的探地雷達(dá)波場(chǎng)變化規(guī)律。研究認(rèn)為,雙相離散隨機(jī)介質(zhì)模型不但能較好地模擬瀝青混凝土的介質(zhì)結(jié)構(gòu),估算等效介電常數(shù),還能借助電磁波的傳播特征精確測(cè)量相關(guān)地質(zhì)參數(shù),從而為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。此外,相關(guān)人員借助理論分析、數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)等手段,研究了在地下隱蔽工程中垂直裂縫寬度不斷擴(kuò)展的情況下,裂縫頂部散射波振幅的變化規(guī)律。研究認(rèn)為:①當(dāng)裂縫寬度小于第一菲涅爾帶直徑時(shí),用探地雷達(dá)圖像無法直接確定裂縫寬度。但是,裂縫頂部散射波振幅會(huì)隨著裂縫寬度的變大而增強(qiáng),特別是當(dāng)裂縫寬度小于1/2第一菲涅爾帶直徑時(shí),裂縫寬度與裂縫頂部散射波振幅成近似線性關(guān)系。②當(dāng)裂縫寬度約等于第一菲涅爾帶直徑時(shí),振幅達(dá)到極大值。③當(dāng)裂縫寬度超過第一菲涅爾帶直徑后,振幅逐漸衰減,然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí),從探地雷達(dá)圖像中可以直接識(shí)別裂縫寬度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚憶秋、陳鳳晨等人研究了雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)在道路工程中的適用性,分析了路面雷達(dá)監(jiān)測(cè)路面厚度的準(zhǔn)確性。依據(jù)鉆芯取樣標(biāo)定了道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)過程中的精度,并提出了控制誤差水平的取芯方法。通過檢測(cè)實(shí)體工程,提出了道路結(jié)構(gòu)病害識(shí)別方法,并驗(yàn)證了其可靠性。研究結(jié)果標(biāo)明,高頻天線探測(cè)的深度比較淺,精度比較高,而低頻天線則相反。鄭州大學(xué)王復(fù)明等人研究了材料的復(fù)合介電特性及其三相體積比的關(guān)系,提出了壓實(shí)度、空隙率、含水量和瀝青含量等技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)思路,并探索了快速檢測(cè)瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的情況,推導(dǎo)了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度的計(jì)算方法,編制了瀝青混凝土路面面層空隙率和壓實(shí)度反演的程序SIDTHK。應(yīng)用該程序檢測(cè)實(shí)際路面的厚度,可以有效提高工程檢測(cè)的精度。在此過程中,推導(dǎo)了含水率、壓實(shí)度的反算公式。含水率的反算公式為:.rwGrwwssssssb8011(1)壓實(shí)度的反算公式為:.0.011wwd(2)式(1)(2)中:εb、εs為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基層、基層固體顆粒的介電常數(shù);ws為基層材料密度;Gs為骨料比重;rs常取25.9kN/m3;w為試樣的含水率。由此可以看出,對(duì)于新鋪瀝青面層,假定沿路線方向?yàn)r青含量不變,且瀝青混合料中不含水,則瀝青混合料的介電常數(shù)影響因素主要由固(骨料)、液(瀝青)、氣(空氣)三相比例決定。當(dāng)瀝青混合料被壓實(shí)時(shí),空氣含量減少,瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加。瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系如圖1所示。至此,確定了瀝青混合料的介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系為:VV=Ae-Bε.

2無損檢測(cè)

湖南大學(xué)涂文戈、鄒銀生等人針對(duì)雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播特性和衰減特性,建立了雷達(dá)信號(hào)在混凝土介質(zhì)中傳播和衰減的數(shù)學(xué)模型?;谔降乩走_(dá)的工作機(jī)理,他們提出了針對(duì)被接收的雷達(dá)反射波信號(hào)衰減的補(bǔ)償方法,并且給出了相應(yīng)的衰減補(bǔ)償公式,即:E=wnEn.(3)wn=1/γn.(4).xiTni)()(ii1nexp(5)式(5)中:αi為傳播介質(zhì)中的衰減因子;T(i)為透射系數(shù)。研究標(biāo)明,采用這種方法對(duì)有裂縫、孔洞和混凝土不密實(shí)區(qū)域的混凝土構(gòu)件進(jìn)行雷達(dá)無損檢測(cè),掃描圖像可以較為清晰地顯示混凝土構(gòu)件深部的病害和缺陷

3路基壓實(shí)質(zhì)量和病害監(jiān)測(cè)

鄭州大學(xué)張蓓、王海濤等人針對(duì)路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)中存在的不足,開展了路基土的介電特性試驗(yàn)研究。從微觀極化機(jī)理分析了土介質(zhì)電磁特性的基本規(guī)律,闡述了土介質(zhì)極化模型的分類和介質(zhì)介電特性測(cè)量方法,從宏觀和微觀角度研究了路基土的組成成分對(duì)路基土介電特性的影響規(guī)律。同時(shí),還明確了路基材料干密度、含水量和模量等性能指標(biāo)與介電特性的關(guān)系。研究認(rèn)為,在28d齡期內(nèi),土質(zhì)試件的介電常數(shù)逐漸下降,前期降低速度比較快,7d齡期后衰減趨于平緩,介電常數(shù)值開始趨于穩(wěn)定。同時(shí),路基土的介電特性與壓實(shí)指標(biāo)之間有較好的相關(guān)關(guān)系,路基土介電常數(shù)和含水量回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2都在0.9以上,介電常數(shù)和壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)R2都在0.86以上,且回歸方程的極值對(duì)應(yīng)值都在最佳含水量附近。在山西省吉河高速公路建設(shè)期內(nèi),山西省交通科學(xué)研究院董立山采用地質(zhì)雷達(dá)分析了路面結(jié)構(gòu)的整體特性。研究人員認(rèn)為,地質(zhì)雷達(dá)可間接、定性評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)程度和路基中的空洞病害。

4結(jié)束語

目前,在公路工程中,雷達(dá)技術(shù)已被應(yīng)用,但技術(shù)尚未成熟?,F(xiàn)有研究主要從材料與性能測(cè)試、大體積結(jié)構(gòu)無損監(jiān)測(cè)、病害診斷3個(gè)方面開展,得出的結(jié)論是:①雷達(dá)測(cè)試波的特性、材料介電常數(shù)的變化規(guī)律可以間接表征路面材料的壓實(shí)度、空隙率、含水量等指標(biāo),為道路工程瀝青混凝土路面的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù);②在病害區(qū)域,可通過測(cè)試?yán)走_(dá)信號(hào)的衰減規(guī)律確定大體積結(jié)構(gòu)缺陷的所在位置,并直觀描述線性工程的地下空間分布情況。

參考文獻(xiàn)

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[4]郭成超.路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性反演及路面雷達(dá)應(yīng)用[D].鄭州:鄭州大學(xué),2004.

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[6]王海濤.路面雷達(dá)在路基壓實(shí)質(zhì)量控制中的應(yīng)用研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2007.

作者:劉志崗 劉志勝 單位:云南省交通科學(xué)研究院 山西省交通科學(xué)研究院

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