地质雷达检测公路面层厚度的可靠性和必要性.doc

地质雷达检测公路面层厚度的可靠性和必要性张 山 （ 地矿部石油物探研究所 南京210014 ）摘要 本文在简述地质雷达基本原理和工作方法的基础上，以大量的有针对性的试验说明了地质雷达在检测公路面层厚度方面的准确性和可靠性；通过理论分析、实际资料计算机摸拟以及实测效果等方面分析了采用地质雷达技术检测公路面层厚度的必要性。关健词 地质雷达 面层厚度 连续无损检测 误差 准确性 可靠性 微观评价 宏观评价 计算机模拟 样点数 随机性 正确评价自八十年代末以来，西方发达国家纷纷将地质雷达技术应用于公路质量检测，取得了明显进步。南京振隆科技实业公司在国内率先引进了一套公路专用地质雷达检测设备，并自行开发专用软件，形成了一套完整的公路面层厚度检测技术。本文将在简单介绍该项技术基本原理的基础上，着重从理论、模拟及实践等多方面讨论该技术的精度、可靠性和必要性。一、基本原理和方法地质雷达检测公路面层厚度属于反射波探测法，其基本原理与大家所熟悉的探空雷达相似，即向地下发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波在地下传播的过程中遇到不同电性物质分界面时，就会产生反射波，地质雷达接收并记录这些反射信息。电磁波在特定介质中的传播速度是不变的 ，因此根据地质雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差T，即可据下式算出该界面的埋藏深度H： 对于公路面层检测而言，H即为面层厚度，式中V是电磁波在地下介质(面层)中的传播速度，相对于雷达所用的高频电磁波(900 2500MHz)而言，公路面层所用的材料都是低损耗介质，其速度由下式表示： 式中C是电磁波在大气中的传播速度，约为每秒30万公里；为面层的相对有效介电常数，它取决于构成面层的所有物质的介电常数。反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为： 式中：1、2分别为上、下介质的相对介电常数，对公路检测而言，1为面层的相对介电常数，2为基层的相对介电常数。由式可知，反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差，电性差越大，反射信号越强。对沥青砼面层而言，面层与基层(稳定层)存在明显的电性差，可以预期面层底部会有强反射出现。不同面层(上、中、下)之间所用材料也存在细微差别，因此也可以得到较弱的反射信息。图1是用地质雷达检测沥青砼面层得到的剖面图， 不同界面的反射清晰可辨。图2为检测水泥砼面层得到的剖面图，面层与基层的分界面也较清楚。图3简单描述了地质雷达检测公路面层厚度的基本过程。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小，反之亦然。对于公路检测而言，水泥砼面层的导电率高于沥青砼面层的导电率，因此相同频率的雷达波在沥青砼面层中的穿透能力大于在水泥砼面层中的穿透能力。在实际检测工作中，对沥青砼面层一般采用2500MHz天线测量，而对于水泥砼面层2500MHz天线一般难以穿透，只能用9001000Mhz天线测量。公路专用地质雷达都是在行进中以电磁波扫描的方式进行的。因此该项技术具有连续、无损、高效率的特点。二、可靠性分析与试验(一)、误差分析由前面我们知道，面层厚度取决于雷达波在面层中的传播速度和传播时间。对式两边取微分并除以原式得： 该式说明，地质雷达检测公路面层厚度的误差由速度误差和时间误差两部分组成。时间误差由仪器采样及波至拾取引起。采样误差不大于一个采样间隔。由于实际工作中每道( 4 6ns )采样点数高达5121024个，所以该项因素引起的误差相当小。波至时间拾取误差则与资料信噪比及拾取方法有关，对高噪比的资料采用计算机自动拾取波至的误差几乎为零，而用手工拾取的误差则较大。目前我们普遍采用高采样率采集方式及计算机自动拾取波至时间，因此式中时间引起的误差基本可以不予考虑。速度的误差与获取速度的方式有关。目前获取速度的方法主要有两种，一是钻孔标定法，另一种是反射系数递推法。从理论上后者可以给出每一测量点自身的速度，但因实际工作中不可避免而又不可预测的表面散射、界面起伏等因素，该方法所得到的速度误差较大。因此实际工作中，我们将这两种方法结起来进行速度标定。由于公路面层施工中对材料及施工工艺有着严格的要求，从宏观(标段级)及中观(几十米几百米)角度来看，可以认为介质是均匀的，其传播速度是相对不变的，也就是说从个别钻孔点标定出的速度可以代表全段的速度；当然，从微观角度(几十厘米几米段)而言，介质所处的具体环境是不完全相同的（如搅拌不均匀、分撒不均、压实不均等），其电性也会有轻微的不同。大量实测表明，在同一标段内钻孔标定法的速度误差通常为2%左右。从以上分析可知，只要方法得当、手段完备、资料信噪比高，地质雷达测量面层厚度的误差通常为2%左右。需要特别指出的是，这里所讨论的误差是指各测点的随机误差，相对于某一路段而言，由于采样点相当多（一般每公里20005000个样点），只要速度是由多个钻孔标定的，其平均值几乎不存在系统误差。可以这样认为，地质雷达对于每一点的厚度测量是足够精确的，而对于某一段的厚度测量则是非常精确的。(二)、准确性和可靠性试验地质雷达能否作为检测公路面层厚度的一种手段，关健取决于其准确性和可靠性。为此我们专门做了这方面的试验。现说明如下：1、准确性试验试验分三个层次进行。(1)、通过三个已有钻孔连一条地质雷达剖面，剖面长度约80米，用第一个钻孔的芯样厚度及雷达波传播时间标定速度，并根据雷达波传播时间计算第二、三个孔位的厚度。结果表明，第二、三个孔位的计算厚度与芯样实测厚度误差分别为0.8mm和-1.5mm（图4、表1）。表1、取芯厚度与雷达测定厚度对比表 (单位：cm)芯样号芯样厚度雷达测定厚度绝对误差相对误差113.5211.011.08+0.080.73%312.011.85-0.151.25%(2)、通过四个任选点位连一地质雷达剖面，剖面长度约为200米。首先钻开第一个点位并据其芯样厚度标定雷达波速度，然后预报其它三个点的厚度，最后钻开这些点位并将其芯样厚度与预报厚度做比较。结果表明，第二、三、四个点位的预报误差分别为-0.26cm、+0.18cm和+0.2cm（图5、表2）。表2、雷达测定厚度与取芯厚度对比表 (单位 cm)芯样号雷达测定厚度芯样厚度绝对误差相对误差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约二十公里长的地质雷达剖面，根据该路段内三个已知钻孔的芯样厚度标定速度，并计算各点厚度。然后在该剖面上选取一段相对起伏较大的部位（约18米），在高、中、低三个点位钻孔取芯验证。结果表明，三个点位的厚度误差分别为-1.7mm、-2.0mm和-2.2mm（图6、表3）。除以上有针对性的专门试验外，在生产性检测工作中也做了大量的验证工作，误差一般不超过3.0mm。表3、雷达测定厚度与以芯厚度对比表 (单位 cm)孔 位雷达测定厚度芯样厚度绝对误差相对误差18.839.0-0.171.89%215.8016.0-0.201.25%39.389.6-0.222.29%2、可靠性试验对于同一路段，如果在不同的时间检测得到不同结果，或同一路段沿不同路径检测得到不同结果，那么这种检测手段就是不可靠的，反之则是可靠的。为了证明地质雷达检测技术的可靠性，我们专门做了如下两个试验：(1)、同一路段不同时期检测结果的可重复性在某高速公路上，我们任选了一段约800米长的路段，沿其车道分隔线，分别于96年5月31日和96年8月2日进行了两次地质雷达测量，所得面层厚度结果（图7、表4）表明两次检测结果相当一致，可重复性相当好。表4 同一车道两次地质雷达检测结果对比表日 期平均值(cm)标准差(cm)代表值(cm)最小值(cm)变异系数(%)样点数(个)1996.5.3117.720.9817.6615.605.537671996.8.0217.760.9917.7015.705.57767(2)、同一路段不同路径检测结果的可重复性我们知道，公路路面即使采用大型摊铺机一次铺成，面层厚度在横向上也存在一定的变化。因此，沿不同路径进行地质雷达检测的结果是否相同是决定地质雷达测量结果有否代表性的重要前提。我们在高速公路上任选了一段约1km长的路段，分别沿其行车道中心线和超车道中心线进行了两次地质雷达测量，尽管剖面形态在细节上有一定差异（图8），但总评结果非常一致（表5）。表5 同一路段不同车道地质雷达检测结果对比表k257+282-k258+282平均值(cm)标准差(cm)代表值(cm)变异系数(%)样点数(个)超车道12.131.2712.0710.431001行车道12.231.3812.1511.311001综上所述，地质雷达对面层厚度的检测结果在具体点位上是足够精确的，对特定区段的评估是非常可靠的，完全可以取代现行的钻孔取芯手段。三、必要性分析(一)、微观评价的必要性由于目前普遍使用的面层厚度检测手段只有钻孔取芯法和挖坑法，故现行公路质量评价只能是宏观的，但事实上这种宏观评价很难发现一些潜在的质量隐患。即使一个很小范围的病害也会导致整段路不能正常使用。因此，一个全优工程不仅应该经得起宏观评价，而且还应经得起微观评价。要做微观评价，必然要求采用连续无损的检测手段，地质雷达是目前能满足这一要求的唯一手段。(二)、宏观评价的科学性现行公路质量评定标准，在沥青砼面层厚度检测中，每公里每车道取五个芯样。从统计学及现行施工工艺的实际情况来看，取芯样太少了。根据十个芯样所做的每公里评价结果往往带有一定的随机性。图9是某高等级公路地质雷达检测的中、下面层厚度曲线，其采样间隔为0.5m，总长度为一公里，实际平均厚度A=12.73cm。我们在计算机上模拟现行随机取芯过程，计算了不同采样点数条件下的厚度评价结果，每种采样点数各做十次随机采样(相当于派十个检查小组独立检测十次)，结果列于表6。由表可见，在取芯数较低的情况下，十组采样评价结果各不相同，且差异较大。在每公里十个芯样的条件下，计算出的平均厚度与实际平均厚度A(12.73cm)最大误差达-11.2mm和+3.9mm。这就意味着派十个检查组对同一路段做十次检测，可以得到十个不同的评价结果，有的说很好，有的说很差。就会将原来合格的区段误判为不合格，而不合格的也可能误判为合格。但随着采样点数n的增大，各组结果迅速收敛于真实平均值A，这时，才能给出正确的评判结果。我们在不同的路段做了大量的上述模拟评价，并统计了各组平均值与真实平均值A的均方误差 随采样点数的变化关系(图10)。由图可见，当样点数少于十个时，各组平均值与真实平均值的均方误差大于 5mm，误差很大，只有当样点数大于6070时，该均方差才收敛于1mm以下，即十个独立检查组的检测结果基本趋于一致。从以上分析可知，欲对面层平均厚度做出比较准确的评价，每公里至少要有6070个样点。传统的钻孔取芯法显然不能满足这一要求，否则将给公路面层造成难以估量的病害和隐患，降低公路的正常使用寿命。地质雷达技术的高采样率无损检测等优点，则能较好地满足这一要求。(三)、施工管理中的重要作用由于地质雷达测量结果的准确性和可靠性，它对强化施工管理具有重要作用。这种作用主要体现在以下几个方面：1、适时调整设计众所周知，高等级沥青路面一般分二到三层铺设，由于底基层和基层允许误差较大，中、下面层尤其是下面层厚度出现偏差的机会较大。如果在施工期间能及时准确地测出中、下面层尤其是下面层的厚度，则可适时调整中、上面层尤其是中面层的设计厚度，以确保面层厚度达到设计要求。2、准确计算面层用料如前所述，用随机取芯结果估算整段路的面层厚度存在较大的随机性。因此，为了防止个别施工单位偷工减料，准确估算材料成本,就应采用地质雷达检测技术提供准确的厚度资料。3、提高施工单位严把质量关的自觉性在以往随机钻孔取芯检测的情况下，个别施工单位存在侥幸心理，对面层厚度把关不严，其总体厚度常常偏低。采用地质雷达检测后，因其连续高密度的采样而使施工单位彻底打消了侥幸心理。例如，某高速度公路在中、下面层铺成后，大部分路段都采用地质雷达技术进行了面层厚度检测。虽然绝大多数路段的中、下面层厚度都满足现行规范的要求，但在进行上面层施工时，各施工单位都自觉地比原计划增加了10%的用料，从根本上保证了该高速公路的面层厚度，为国家挽回了约1700万元的潜在损失。综上所述，为了正确评价面层施工质量，强化施工管理，必须采用一种足够精确的、能够连续采样的无损检测手段。地质雷达是目前能够满足这一要求的可靠手段。四、结论地质雷达检测公路面层厚度是一种无损连续检测手段。其对具体点位的检测误差主要取决于换算速度。对于高等级公路而言，由于施工材料及工艺要求很严，其面层雷达波速度变化极小，大量试验及实际资料表明，检测误差一般都小于3%。地质雷达检测结果与取芯结果相当一致，检测结果不仅在具体点位上相当精确，而且其对指定区段的总评也非常可靠。不仅对同一路径做多次检测所得结果完全一致，而且对同一路段不同路径做多次检测所得结果也相当一致。因此，地质雷达完全具备替代现行钻孔取芯的条件。传统的钻孔取芯法对面层具有一定的破坏性，因而其检查频度受到严格限制。模拟试验表明，根据现行质量检测标准规定的钻孔取芯频度所做的面层厚度评价具有很大的随机性，这在一定程度上助长了承包商的投机心理