基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测

基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测

罗海威

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摘要：由于常规检测方法会在路面检测点上造成结构破坏，导致道路存在较大质量隐患，提出基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测。基于探地雷达系统采集沥青混凝土路面检测数据，对原始数据进行滤波去噪与波形修正处理后计算出沥青混凝土介电常数，建立介电模型定量评价路面压实度，完成沥青混凝土路面压实度的无损检测。实例结果表明，探地雷达反馈的检测结果和现场钻芯取样结果基本一致，证实了设计方法可以实现沥青混凝土路面压实度的无损检测，且检测精度较高。

关键词：探地雷达；沥青混凝土；路面压实度；压实度检测；

中图分类号：U415文献标识码：A

0引言

据2022年我国交通部最新数据显示，全国公路总里程已超500万公里，随着我国对交通建设的不断投入，如何有效且快速地检测已建和新建道路路面结构成为道路建设过程中的重要研究课题之一。当下，我国现有道路检测技术会对路面结构造成一定破坏，如取芯法、灌砂法等，即使检测结果合格，检测后的道路在后续运营期间也存在较大的安全隐患，所以这种效率低且成本高的检测方法已经无法满足我国道路快速建设与养护的需求。随着我国道路工程的迅猛发展，对道路无损检测技术提出全新的挑战，众多学者纷纷展开道路无损检测技术的研究，文献[1]作者程利力等人利用EVD检测技术构建了路基压实度和动态变形模量之间的相关关系，实现路基压实度的快速且无损检测；文献[2]作者张瑢等人通过振动轮加速度传感器，测量出道路压实度相关数据，便于施工人员及时找出不合格的压实区域进行补压。由于我国幅员辽阔，建设道路里程较长，所以对道路检测技术要求严格，本文参考相关资料设计一种沥青混凝土路面压实度检测方法，为推动我国道路建设做贡献。

1基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测方法设计

1.1探地雷达检测数据的采集

探地雷达具有精度高、抗干扰能力较强等优势，本文将其应用于沥青混凝土路面压实度检测中，可以满足道路工程的快速且无损检测需求[3]。首先本文通过探地雷达系统采集路面检测数据，探地雷达系统主要由发射机、接收机等组件构成，示意图如下所示：

图1探地雷达系统组成示意图

如图1所示，探地雷达系统的核心是发射机与接收机组成的收发组件，当发射机通过控制电路向沥青混凝土路面发射高频脉冲电磁波时，就可以进行路面结构的快速扫描测定，然后通过接收机捕捉发射信号，并将其传输至信号处理中心，进行路面压实度的分析。由此可知，本文基于探地雷达系统设计的沥青混凝土路面压实度检测方法主要根据电磁波的波形与振幅等参数来了解路面结构，不会对路面结构造成破坏[4]。那么通过探地雷达系统采集沥青混凝土路面检测数据的基本流程如下：首先选择一个性能稳定、功能齐全的探地雷达设备，并根据道路工程的实际检测需求，将探地雷达的工作参数设置成下表所示数据：

表1探地雷达工作参数表

按照表1所示数据设置探地雷达系统的工作参数，然后驾驶雷达检测车行驶在待检测路段上开始采路面集压实度检测数据，数据采集方式有单点扫描与测距轮这两种模式[5]，本文结合沥青混凝土路面压实度检测的实际情况，选择测距轮采集模式，也就是控制探地雷达系统通过测距轮在路面上进行连续扫描，按照特定的采样距离收发电磁波信号，以此实现沥青混凝土路面压实度数据的连续、快速采集。为保障采集数据的精准，当雷达检测车行驶到道路终点时，让检测车从终点开始再次回到起点，取两次采集数据的平均值，作为最终探地雷达检测数据。

1.2探地雷达检测数据的处理

一般来说，在利用探地雷达系统采集沥青混凝土路面压实度检测数据时，所采集的原始数据中既包含有用信息，同样也存在一定无用的噪声信息[6]，甚至有些数据中有用信息会被噪声掩盖，所以本文在利用探地雷达采集数据检测路面压实度时，需要对采集数据进行一定的预处理，以便提升原始采集数据的可用性[7]。通过探地雷达系统采集的检测信号可以看作雷达发射信号与反射信号的卷积，所以本文通过下式来描述包含噪声与杂波的探地雷达检测信号：

（1）

式中，表示原始探地雷达检测数据的时域信号；表示探地雷达系统的发射信号；表示探地雷达系统的反射信号；表示杂波；表示随机噪声。本文在进行数据预处理的主要目的在于消除与对有用信号的影响。首先对原始采集数据进行滤波去噪[8]，由于探地雷达采集的沥青混凝土路面压实度检测信号属于超宽带信号，所以本文采用数字滤波方法来抑制噪声信号，在数字滤波方法中，需要对原始离散序列的时域信号进行离散傅氏变换，表达式如下所示：

（2）

式中，表示变换后的探地雷达信号；表示信号的序列长度；表示虚数单位。在此基础上，本文设计一个合理的滤波器对信号进行滤波处理，其表达式如下所示：

（3）

式中，表示设计滤波器；表示探地雷达信号的频率；表示探地雷达信号的频谱分布区间。正常情况下，探地雷达系统采集的原始数据中有效信号与噪声信号在频谱曲线上呈上下分离状态，所以通过式（3）所示滤波器集合将信号中干扰噪声滤除，保留有效信息。然后本文对探地雷达系统采集数据进行波形修正处理，在物理层面上，探地雷达信号的平均值趋近于0，所以波形修正的原理就是控制探地雷达信号的幅度概率分布关于平均值对称，也就是对原始信号做去直流处理，表达式如下所示：

（4）

式中，表示去除直流偏移后的探地雷达检测信号，其中表示信号样本数量；表示原始的探地雷达检测信号；表示探地雷达的采样点数。经过上述预处理后的探地雷达检测信号，不仅去除了杂波与噪声，而且其深层能量较强，有利于信号的输出显示。

1.3路面压实度的定量评价

在本文所设计基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测方法中，雷达检测介质为沥青混凝土，其主要电性参数为介电常数[9]，介电常数就是路面介质释放与储存电磁能量的能力，当通过探地雷达向沥青混凝土路面发射电磁波时，根据路面厚度结合计算出沥青混凝土的介电常数，表达式如下：

（5）

其中：

（6）

式中，表示沥青混凝土的介电常数；表示光速；表示电磁波在沥青混凝土中的传播速度；表示沥青混凝土路面的深度；表示探地雷达系统的收发天线之间距离；表示探地雷达系统发射电磁波在沥青混凝土路面中传播的双程走时。在根据式（5）获取沥青混凝土路面的介电常数后，本文根据介电常数与压实度之间的相关性，构建沥青混凝土路面的介电模型，以此评价路面压实度。当下，在其他领域常用的介电模型有CRIM模型、Brown模型等，本文针对沥青混凝土路面的实际情况，结合上述模型，建立下式所示的沥青混凝土路面介电模型：

（7）

式中，表示沥青混凝土路面的复合介电模型；表示沥青混凝土路面结构中沥青与孔隙的体积占比之和；表示沥青与孔隙的混合介电常数；表示沥青混凝土路面结构中集料的体积占比；表示沥青混凝土路面结构中孔隙的体积占比；表示沥青混凝土路面结构中沥青的体积占比；表示沥青混凝土路面结构中集料的介电常数；表示沥青混凝土路面结构中孔隙的介电常数；表示沥青混凝土路面结构中沥青的介电常数；、分别表示沥青混凝土的标准密度与沥青密度；表示沥青混凝土路面结构中沥青含量；表示沥青混凝土路面的压实度。如式（7）所示，在本文构建的沥青混凝土路面介电模型中，主要考虑了集料、沥青与孔隙这三个材料的介电常数，在已知相应机电常数与密度等数据的基础上，即可根据上述介电模型求出路面压实度的定量值[10]，以此实现了沥青混凝土路面的压实度检测。

2实例分析

2.1工程概况

实例分析的主要目的在于探讨文中上述内容所设计的沥青混凝土路面压实度检测方法是否可行、可靠。本章以某新建高速公路为依托，选择该高速公路中某路段作为测试对象，展开压实度检测试验，该公路段0.8km，路面宽度约32m，为双向四车道。据公路勘探资料显示，试验路段为典型的高速公路路面基层，由改性沥青与水泥混凝土构成，由于沥青混凝土路面具有水稳性和抗磨耗性能良好等优势，将其应用于高速公路工程中，可以保障行车安全与舒适性。试验路段所采用的基层材料包括级配碎石、水稳碎石以及沥青混凝土，最佳沥青含量为5.1%，经过大型压路机进行压实后，为确保道路结构的稳定，需要通过本文设计方法对沥青混凝土路面的压实度进行检测。

2.2检测结果分析

在沥青混凝土路面压实度检测过程中，首先需要在路面上布置10个静止检测点，然后通过探地雷达在试验路段采集检测数据，雷达信号的采集速度为80波迹/秒/通道，同时，本文在探地雷达上设置了传感器，以此将雷达脉冲信号传输至计算机中进行处理与分析。那么本文所得试验路段的沥青混凝土路面介电常数与压实度数据如下表所示：

图2探地雷达检测结果

从上图中可以看出，排除个别异常点，试验路段各点压实度的检测结果与介电常数之间存在一定线性关系，表明本文设计方法可以有效检测出沥青混凝土路面的压实度。为进一步验证本文设计方法检测沥青混凝土路面压实度结果的准确性，分别对上述检测点进行钻芯取样，钻芯取样是一种最为简单直观的路面压实度检测技术，虽然会对路面结构造成破坏，但适量采集几处芯样是对本文设计方法下检测结果的一种令人信服的验证方式。本文结合探地雷达检测点来确定钻芯取样点，所得试验路段芯样记录表如下所示：

表2钻芯取样检测结果

由上表中数据可知，试验路段钻芯取样状况，与本文设计方法所测路面压实度之间符合度较高。其中检测点1、检测点3、检测点4、检测点5、检测点8的芯样有空隙，侧面沥青填充密实光滑，检测点1和检测点3有少量沥青溢出，这5个检测点的压实度均在95%以下；检测点2、检测点6、检测点7、检测点9、检测点10的芯样空隙较少，无泛油，侧面沥青填充密实光滑，这5个检测点的压实度在95%~98%之间，检测点2的压实度最高可达到98.8%。

由此可以说明，探地雷达呈现的压实度检测结果与钻芯取样检测结果基本一致，本文设计基于探地雷达的沥青混凝土路面压实度检测方法是有效且正确的。

4结束语

本文基于探地雷达系统，设计一种沥青混凝土路面压实度无损检测方法，文中详细分析了探地雷达检测流程中的检测数据采集与处理以及路面压实度的定量评价这几个重要环节，并选取某高速公路进行了现场检测，通过钻芯取样验证了本文设计方法下路面压实度检测结果的准确性。虽然本文已经取得一定研究成果，但由于时间有限，文中研究还存在一定不足之处，如本文主要针对路面压实度进行的检测，关于路面沉陷、裂缝等灾害的探地雷达检测还有待进一步的研究，今后本文逐步将探地雷达检测与沥青混凝土路面病害检测相结合，以推动我国道路工程的健康发展。

参考文献

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