水泥混凝土路面脱空的探地雷达图像特征分析_吴秋霜.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China Abstract The cavity is one of the common defects in cement concrete pavement, and it is also the mainly hidden danger for driving safety. Ground penetrating radar can detect the cavity’s scale and character by observing and researching the signal features reflected from high-frequency electromagnetic wave. With the advantage of confirming the cavity’s existence and scale quickly and effectively, GPR has turned into a valid in non-deconstruction defecting of road by far. Based on comprehensive analysis among GprMax2D simulating results, radar detecting statistics and verifying on site, the conclusion demonstrates that the radar image between aerated cavity and soil-ballasted cavity is pretty similar with an obvious feature A group of evident strong reflection signal, arc-shaped axis in the same phase, will occur above the cavity; due to the distinct difference of dielectric constant, the phase between the reflection waves and direct waves is opposite for the soil-ballasted cavity while it is the same for the aerated cavity; the alignment of non dense area is irregular showing several irregular arc curves. Keywords concrete pavement cavity; ground penetrating radarGPR; forward modeling; image features 水泥混凝土路面因其强度高、平整、耐磨等特 点在公路和城市道路工程中被广泛采用，但由于存 在接缝、路面板与基层间的模量差异大而容易出现 路面开裂、脱空等病害，随着雨水的入渗和行车荷 载的多次反复作用，这些病害逐渐恶化，导致路面 破碎、错台、沉陷、脱空。随着社会经济的快速发 展，城市扩容，市政工程改造中地下管网的新建和 改建对既有道路破坏较大，使用中的水管破裂、排 污管渗漏都会加速路基湿软、基层沉陷、面板脱空 等病害的发展， 严重影响到行车舒适性和运输效益， 威胁到行车安全[1]。应用快速、有效的方法检测道 路结构状况，提前探测路面板脱空、基层破损、路 基不密实及湿软等隐患[2]，为道路病害预防处理、 提质改造的方案设计提供科学依据，对提高道路使 用品质、延长使用寿命等方面具有重要意义[3]。20 世纪 70 年代，探地雷达 GPR 技术在公路及铁路探 测上得到应用[4]，当前，国内 GPR 技术在混凝土中 的应用主要是公路检测中的路面厚度、病害普查等 ChaoXing 182煤田地质与勘探第 46 卷 多方面。2015 年第五届 GSSI 探地雷达应用技术研 讨会中，黄潘[5]就衬砌的典型脱空缺陷及钢筋缺陷 做了分析研究。探地雷达因具有探测高效、可靠、 无损、使用灵活等优点，能准确地探测出路面板脱 空等病害而被广泛采用。本文结合雷达波正演模拟 和工程实例，着重讨论水泥混凝土路面脱空和水稳 层破损或不密实的图像特征。 1探地雷达法工作原理 探地雷达是一种广谱电磁波技术[6]，主要由发 射天线，接收天线，信号处理机和终端设备组成。 探地雷达法是基于地下介质的电阻率、介电常数等 电性参数的差异，利用高频电磁波的反射来探测目 标地质体的一种手段[7]。探测过程中，由置于地面 的发射天线将电信号转化成高频电磁波，电磁波在 进入地下介质传播过程中，遇到存在电性差异的地 下不均匀体如空洞、分界面等时，电磁波便会发 生反射，返回地面由天线接收，通过对反射信号的 处理、解译来判断异常体的性质、形状和规模[8]， 其工作原理如图 1 所示。 图 1探地雷达法工作原理示意图 Fig.1Schematic diagram of ground penetrating radar 雷达天线发射的电磁波信号在路面结构中传 播，近似于平面电磁波在多层均匀介质中传播。因 此， 当雷达脉冲波垂直入射到垂直路面方向传播时， 路面结构中的电磁场满足麦克斯韦方程[9] 2 2 j z       E E1 式中 E 为正弦时的电场矢量；ω为角频率；z 为沿 传播方向的距离；为磁导率；σ为煤质导电率；由 Maxwell 方程解可得到各层路面结构的衰减系数、 相移系数、反射系数和透射系数。 探地雷达法的应用效果取决于是否具有足够的 反射和散射能量为观测系统所识别。当围岩与目标 体的相对介电常数分别为 h 、 T 时，目标体功率反 射系数的估算式为 2 hT r hT P      2 一般来说，目标体的反射系数大于 0.01，探地 雷达就可以采集到有效反射信号。根据水、空气、 混凝土及碎石的相对介电常数差异，当路基路面结 构层中存在空洞和不密实区域时，其反射系数远大 于 0.01，所以，可用探地雷达法进行探测[10]。 2基于 GprMax2D 的数值模拟 2.1模型建立 GprMax2D 模拟软件是基于有限差分法和 PML 边界吸收条件的探地雷达正演模拟软件，主要用于 探地雷达成像研究，实现在一定体积和一段时间上 对连续电磁场的数据取样压缩，在时域对电磁作用 过程进行直接模拟[11]。 进行脱空正演模拟时，将水泥混凝土路面设为 均匀介质， 其中存在一个轴向无限长的圆柱异常体， 其半径为 0.7 m，圆心距路面 3.0 m，如图 2a 所示， 不密实正演模拟时，介质 1 为均一水泥混凝土，不 密实区域距路面 0.8 m，厚 0.4 m，如图 2b 所示。不 密实介质分别为介质 2 和介质 3，假设各介质的物 性参数如表 1 所示。 图 2数字模型示意图 Fig.2Schematic diagram of cavity model 表 1拟定介质物性参数表 Table 1ulation of physical properties parameter list of medium 介质相对介电常数电导率/S∙m-1磁导率 水泥混凝土8.40.000 11 空气10– 泥240.1– 不密实介质260 0.01– 不密实介质313 0.1– 2.2正演结果 用 GprMax2D 软件对充气空洞和充泥空洞模型 ChaoXing 第 4 期吴秋霜等 水泥混凝土路面脱空的探地雷达图像特征分析183 进行正演模拟，分别得出相应的正演模拟图像和单 道波形图，如图 3、图 4 所示。 图 3 为充气空洞的数值模拟图像， 图 3a 中靠近 时间轴原点的强反射波组为直达波， 在时间为 26 ns 时出现第一组强反射信号，同相轴呈双曲线形弧状 曲线，连续、波幅较大，按模型尺寸计算其应为空 洞上界面。从图 3b 可知，充气空洞上界面的反射波 与直达波相位相同。 图 3充气脱空正演模拟图像 Fig.3Forward modeling images of cavity filled with gas 图 4 为充泥空洞的数值模拟图像， 图 4a 中靠近 时间轴原点的强反射波组为直达波， 在时间为 26 ns 时出现了第一组强反射信号，反射波同相轴呈双曲 线形弧状曲线，连续、波幅较大，按模型尺寸计算 其应为空洞上界面，其后，又出现了多组曲率不同 的反射波，强度逐渐减弱。从图 4b 可知，脱空上界 面的反射波与直达波相位相反，其多次反射波与直 达波相位依次正反交替。 图 5 为路基不密实的数值模拟图像， 图 5a 中靠 近时间轴原点的强反射波组为直达波，在时间为 15 ns 时出现了第一组强反射信号，反射波组较杂乱， 同相轴相对错断不连续，波幅较大，其中可见弧形 反射波同相轴组。从图 5b 可知，界面反射波与直达 波相位相反，雷达波在经过不密实区域后能量迅速 衰减。模拟结果显示，充气和充泥空洞及水稳层破 损不密实等几种异常都比较容易识别，且各组波 形曲线特点各有不同，因此，利用探地雷达法可以 有效地识别水泥路面下的充气、 充泥空洞和不密实。 3工程实例 3.1工程概况 湘潭市某大道全长 1 060 m，宽 24 m，双向六 图 4充泥脱空正演模拟图像 Fig.4Forward modeling image of cavity filled with mud 图 5路基不密实正演模拟图像 Fig.5Forward modeling image of non dense roadbed 车道，采用水泥混凝土路面，于 2008 年 9 月建成， 通车不到 10 a，路面陆续出现开裂、错台、沉陷、 路面板破碎等病害，业主决定对此路段进行提质改 造。为获得路基路面各结构层的性状，开展了路况 调查、弯沉测试和探地雷达法探测等工作，其中探 地雷达法的主要目的是探测路基路面是否存在面板 脱空、基层破损、路基局部不密实等隐患，为改造 方案的设计提供依据。 沿各车道中心布置一条雷达测线，发现异常加 密测线， 采用 LTD2100 探地雷达和 400 MHz 天线进 行连续扫描。探测发现空洞或脱空 11 处，路基不密 实区 10 处、基层破损区 15 处，选两个典型雷达图 像进行特征分析。 ChaoXing 184煤田地质与勘探第 46 卷 3.2充泥空洞 图 6 为该路段十字路口处的雷达探测成果图， 图中左侧曲线为正常路段某一道的电磁波曲线，右 侧曲线为异常中心的电磁波曲线，中间为雷达连续 扫描图像。不难看出，雷达扫描图像中两侧电磁波 曲线能量逐渐减弱，波幅逐渐减小；中段直达波到 达之后出现了一组强反射信号，且同相轴呈弧形且 连续，波幅较大。距路面约 0.8 m 深处出现明显的 弧状曲线异常，是下方存在空洞的典型特征，异常 中心电磁波曲线有一明显的与直达波相位相反的正 向强反射，且之后的电磁波衰减速度加快；强反射 之后，又出现几组曲率不同的反射波，强度逐渐减 弱与正演模拟图像特征基本吻合，判断该异常为充 泥空洞，改造工程开挖验证了雷达探测结果。 图 6充泥空洞雷达扫描图像 Fig.6Radar scanning images of cavity filled with mud 3.3充气空洞 图 7 为该路段一处典型充气空洞雷达图像，图 中左侧为电磁波在正常段某道电磁波衰减曲线，右 侧曲线为异常中心的电磁波曲线，中间为雷达连续 扫描图像。与图 5 类似，图中两侧电磁波曲线能量 逐渐减弱；中段直达波到达之后出现一组强反射信 号，反射信号与直达波相位相同，同相轴呈弧形， 弧形曲线顶部距路面约 1.0 m， 判断该异常为充气空 洞。开挖发现，该处地下管线横向穿越道路，管线 沟碾压不够密实；且纵向雨水管堵塞、漏水严重， 地表水渗入路基， 在长期行车荷载作用下形成唧泥、 脱空，逐渐形成较大的充气空洞。 3.4不密实 图 8 为该路段一处典型基层破损不密实雷达 图像，图中左侧为电磁波在正常段某道电磁波衰减 曲线，右侧曲线为异常中心的电磁波曲线，中间为 雷达连续扫描图像。图 8 中两侧电磁波能量逐渐衰 减，中段直达波出现了一组强反射后，反射波波形 杂乱，同相轴错断，出现多组明显的不规则弧形曲 线，与正演模拟图像及曲线特征相近。缺陷深度为 距地面约 0.3 m，判断为基层破损，开挖结果验证了 雷达探测成果。 图 7充气空洞雷达扫描图像 Fig.7Radar scanning images of cavity filled with gas 图 8路基不密实雷达扫描图像 Fig.8Radar scanning images of non dense roadbed 4结 语 应用探地雷达法探测水泥混凝土路面板底缺陷 快速、准确，图像特征各有不同。该方法可以判断 水泥混凝土路面板底出现的充泥空洞、充气空洞以 及不密实等缺陷，因工程中混凝土板底缺陷往往较 复杂，对探地雷达法应用于探测水泥混凝土路面下 复杂缺陷的图像特征研究还有待进一步加强。 ChaoXing 第 4 期吴秋霜等 水泥混凝土路面脱空的探地雷达图像特征分析185 参考文献 [1] 李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京地质出版社，1994. [2] 朱希安，苑守成. 探地雷达在公路质量无损检测中的应用 研究[J]. 煤田地质与勘探，2002，30547–51. ZHUXi’an ， YUANShoucheng. Applicationofground penetrating radar in highway quality nondestructive testing[J]. Coal Geology Exploration，2002，30547–51. [3] 腾宇，戚中洋. 路用探地雷达在水泥路面病害检测中的应用[J]. 公路交通技术，20128167–168. TENG Yu ， QI Zhongyang. Applicationof roadground penetrating radar to concrete pavement distress detection[J]. Highway Traffic Technology，20128167–168. [4] 李尧，李术才，徐磊，等. 隧道衬砌病害地质雷达探测正演模 拟与应用[J]. 岩土力学，2016，37123627–3634. LI Yao，LI Shucai，XU Lei，et al. Forward simulation of ground penetratingradaranditsapplication[J].RockandSoil Mechanics，2016，37123627–3634. [5] 黄潘. 隧道衬砌质量地质雷达法检测及应用实例分析[J]. 中 国高新技术企业，20161447–48. HUANG Pan. Quality inspection of tunnel lining by GPR and application example analysis[J]. China High-Tech Enterprises，20161447–48. [6] 肖宏跃， 雷宛， 杨威. 地质地质雷达特征图像与典型地质现象 的对应关系[J]. 煤田地质与勘探，2008，36457–61. XIAO Hongyue， LEI Wan， YANG Wei. Correspondence between geological characteristics of radar images[J]. Coal Geology Exploration，2008，36457–61. [7] 朱德斌， 邓世坤， 覃建波. 探地雷达探测潜在喀斯特地面塌陷 区的可行性研究[J]. 工程勘察，2005565–68. ZHU Debin，DENG Shikun，QIN Jianbo. Feasibility study of groundpenetratingradarfordetectingpotentialground subsidence area in Karst[J]. Engineering Investigation，20055 65–68. [8] 茹瑞典，张金才，耿德庸，等. 地质雷达及其在地质和工程勘 察中的应用[J]. 煤田地质与勘探，1995，23155–57. RU Ruidian，ZHANG Jincai， GENG Deyong，et al. Application of ground penetrating radar in highway Geological radar and its application in geological and engineering investigation[J]. Coal Geology Exploration，1995，23155–57. [9] 刘剑，邓世坤，彭涛，等. 探地雷质雷达在石质文渗水病害探 测中的应用[J]. 工程勘察，2017，30874–78. LIU Jian，DENG Shikun，PENG Tao，et al. Application of GPR in detecting seepagedisease of stony soil[J]. Engineering Investigation，2017，30874–78. [10] 于阳，杨磊. 地质雷达和瑞雷波检测公路工程质量技术研究[J]. 华北水利水电学院学报，2009，30787–90. YU Yang ， YANG Lei.Qualitymonitoringofhighway engineering by geological radar and Swiss Leibo[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydropower， 2009，30787–90. [11] 张建，王齐仁，张晓阳，等. 探地雷质地质雷达在水泥路面脱 空缺陷检测中的应用研究[J]. 勘察科学技术，20136 50–52. ZHANG Jian ， WANG Qiren ， ZHANG Xiaoyang ， et al. Application of GPR in void defect detection of cement concrete pavement[J]. Site Investigation Science and Technology ， 2013650–52. 责任编辑 聂爱兰 上接第 180 页 [16] RAICHE A P ， GALLAGHER R G. Apparent resistivity and diffusion velocity[J]．Journal of Applied Geophysics，20004 1628–1633. [17] 吴小平，吴云鹏. 时间域电磁法视电阻率的一种数值计算方法[J]. 地球物理学进展， 2012，2762548–2553. WU Xiaoping，WU Yunpeng. A numerical calculating for apparent resistivity of TEM sounding[J]. Progress in Geophysics， 2012，2762548–2553. [18] 翁爱华，陆冬华，刘国兴. 利用连分式定义瞬变电磁法全区视 电阻率研究[J]. 煤田地质与勘探，2003，31356–59. WONGAihua，LU Donghua，LIU Guoxing. Definitionof wholezone apparentresistivityfortransient electromagnetic of currentdipole source[J].CoalGeologyExploration，2003，31356–59. [19] 郝延松，胡博，于润桥，等. 磁性源瞬变电磁法视电阻率计算 方法[J]. 物探与化探，2012，3661034–1039. HAO Yansong， HU Bo， YU Runqiao， et al. The calculation of the apparent resistivity for magnetic source TEM[J]. Geophysical Geochemical Exploration，2012，3661034–1039. [20] 岳建华，杨海燕，邓居智. 层状介质中地下瞬变电磁场全空间 效应[J]. 地球物理学进展，2012，2741385–1392. YUE Jianhua， YANG Haiyan， DENG Juzhi.Whole-space effect on underground transient electromagnetic field in layered media[J]. Progress in Geophysics，2012，2741385–1392. [21] 白登海，MEJU M A，卢健，等. 时间域瞬变电磁法中心方式 全程视电阻率的数值计算[J]. 地球物理学报，2003，465 697–704. BAI Denghai，MEJU M A，LU Jian，et al. Numerical calculation of all-time apparent resistivity for the central loop transient electromagnetic [J]. Chinese Journal of Geophysics，2003， 465697–704. [22] 丁艳飞，白登海，许诚. 均匀半空间表面大定源瞬变电磁响应 的快速算法[J]. 地球物理学报，2012，5562087–2096. DING Yanfei，BAI Denghai，XU Cheng. A rapid algorithm for calculating time domain transient electromagnetic responses of a large fixed rectangular loop on the half space[J]. Chinese Journal of Geophysics，2012，5562087 –2096. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing