地质雷达在公路沥青路面检测中的应用分析

第20卷 第11期 中 国 水 运 Vol.20 No.11 2020年 11月 China Water Transport November 2020

收稿日期：2020-04-13 作者简介：

王万峰，吉林省交通科学研究所。 地质雷达在公路沥青路面检测中的应用分析

王万峰，徐华泽

（吉林省交通科学研究所，吉林 长春 130021）

摘 要：高速公路的发展在最近几年开始突飞猛进，在施工过程中经常使用地质雷达技术来检测工程质量，因为它

在施工过程中可以启到实时监控，及时发现病害，从而做到提前预防病害的发生和病害位置的确定，提高施工质量。

在路面工程里使用地质雷达技术可以清楚地了解路面结构层的厚度情况，通过对路面各个结构层厚度的控制来确保

施工质量。由于过去的时间段中国的高速公路还没有如此发达，因此地质雷达也是近几年才在各项工程领域中开始

使用它，在公路路面工程检测过程中通过采用地质雷达的电磁反射波以及结合现场实际情况，判别病害类型、结构

层厚度，为施工过程中控制提供了可靠的、准确的检测结果。 关键词：地质雷达；路面工程；结构层厚度

中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）11-0126-03

一、地质雷达检测原理

地质雷达是通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描

的方式获得断面的垂直二维剖面图像，当雷达系统利用天线

向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播

时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和

折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也

越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接

收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，

再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图。探地雷达反射

原理如图1、图2所示。

图1 探地雷达电磁波反射原理示意图

图2 探地雷达实物反射原理示意图

二、路面结构层的分类

路面类型可从不同角度来进行划分，一般常按照面层所

用的材料来进行区分，如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等等。但在工程设计中，则主要从路面结构的力学特性

和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路

面和半刚性路面三类。柔性路面：总体结构刚度较小，荷载

作用下的弯沉变形较大，抗弯拉强度较低，传递给土基的单

位压力也较大，它主要包括各种未经处理的粒料基层和各类

沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。刚

性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构，其强

度高、弹性模量高、处于板体工作状态，传递给基础的单位

压力小。半刚性路面：通过改善沥青混凝土性能使其呈半刚

性特性，其刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。 三、地质雷达在沥青路面无损检测中存在的主要问题

沥青路面分为：柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路

面、刚性基层沥青路面、全厚式沥青路面。

我国常用的高速公路沥青路面的结构（半刚性基层沥青

路面）组成：

（1）4cm的（A级或改性）沥青 AC-13、SMA-13做

为上面层；

（2）6~8cm的（A级或B级或改性）沥青AC-20做

为中面层；

（3）6~8cm的（A级或B级）沥青AC-25、ATB-25

做为下面层；

（4）30~40cm的水泥稳定碎石或二灰碎石做为基层；

（5）20~40cm的二灰土或石灰土做为底基层；

（6）土基。 1．沥青路面中电磁波传播速度问题

电磁波双向传播时间对于地质雷达在沥青路面检测中很

重要，结构层厚度完全取决于它的传播速度。目前，在检测

结构层厚度的实践中，通常需要对多处选定段落进行扫描探

测后，进行取芯测量厚度，以选取段落之间的厚度平均值作

为标定值来确定电磁波的速度，电磁波的传播速度需进行多 第11期 王万峰等：地质雷达在公路沥青路面检测中的应用分析 127

次校准和复核，电磁速度值的准确度直接影响结构层厚度的

检测精度。 2．结构层取芯选点的标定问题

对于路面工程中整条公路的路面结构层并不是同一批次

原料、同一批拌合料、同一时间内摊铺，同一时间内碾压等

诸多不统一的因素，导致结构层的密度不同、空隙率不同、

介电常数也有所不同。而地质雷达电磁波传递跟介质的介电

常数有密切的关系，不同的介电常数电磁波所传递的速度是

不同的，所以在进行沥青路面地质雷达检测前需要根据施工

台账进行段落选点标定，每阶段施工段落都应取芯进行标定，

缩减误差确保准确度。 四、地质雷达在某公路沥青路面检测中的应用

某公路沥青路面由于施工阶段不同等诸多因素，地质雷

达的电磁波在沥青面层内部反射波的传递速度均不相同，如

表1所示，桩号K88+050与K88+170同为AC20结构层，

前后距离相差120m，两处桩号分别为不同施工阶段，如果

介质层相同，单程时间相近，走时相同，结构层厚度也应相

近，但实际两处结构层厚度却有差别，电磁波速度也有差异，

说明此两段沥青面层的压实度是不同的，矿料的密度也是不

同的，空隙率也是不同的；桩号K93+900与K94+000同

为SMA13结构层，两处相差100m，两处分别位于相同施

工阶段，单程时间接近，走时相同，结构层厚度相差不大，

同一时间段施工，沥青面层的压实度相同，矿料密度相似，

空隙率相同。 表1 某高速公路沥青路面行车道地质雷达检测情况

桩号 单程时间 标定深度 速度 路面总深度 备注 K88+050 1.27 13.0 10.28 13.0 AC20 K88+170 1.22 15.0 12.30 15.0 AC20 K88+200 1.19 15.0 12.66 15.0 AC20 K88+300 1.19 14.0 11.81 14.0 AC20 K88+430 1.14 14.0 12.33 14.0 AC20 K88+700 1.10 13.9 12.64 13.9 AC20 K93+800 1.57 17.0 10.83 17.0 SMA层 K93+900 1.62 18.0 11.11 18.0 SMA层 K94+000 1.61 17.5 10.90 17.5 SMA层 K94+200 1.48 18.5 12.54 18.5 SMA层 K94+300 1.47 18.0 12.29 18.0 SMA层 某公路沥青路面采用900MHz天线探测，探测深度达

50cm，对检测段落进行连续检测。某段落沥青面层总厚度不

足的分布状况，如表2。通过数理统计，单幅行车道和超车

道沥青路面结构层总厚度不足的分布部分。

本次某公路沥青路面检测，采用时间采集方式进行连续

检测200m，以1m一点进行统计，厚度不足区域与满足厚

度区域对比图像如图3所示。

某公路沥青路面采用2GHz空气耦合天线对AC-20和

ATB-25结构层进行探测，本次检测采用距离方式，对检测

段落进行连续检测。某段落沥青面层结构层分布如图4所示。

通过数理统计，单幅行车道沥青路面结构层厚度的分布，如

表3所示，通过表里可以看出不同施工阶段的沥青路面的地质雷达传递速度是不一样的，其中K65+610、K65+620、

K65+740均应处于同一施工阶段，路面厚度相同的情况下，

单程时间也是相近的，电磁波在结构层中的传递速度也是相

近的，说明结构层的空隙率也应当是相近的。而电磁波在介

质中的传递速度与介质的折射率有关，所以当不是同一施工

阶段的沥青路面，他们的摊铺碾压工艺是有所差别的，从而

沥青路面的压实度也是不同的，沥青路面的结构层的空隙率

也是不同的，所以通过地质雷达电磁波的传递速度进行数理

统计，可以分析个别路段的压实度情况，结构层密实情况。 表2 某公路沥青路面地质雷达检测总厚度统计情况 路面厚度分布（cm）

超车道1 超车道2 行车道1 行车道2 序号 桩号 距中央分隔带（2.6m） 距中央分隔带（5.6m） 距中央分隔带（6.4m） 距中央分隔带（9.4m） 87 K173+293 16.5 16.3 16.5 16.7

88 K173+294 16.6 16.0 16.3 16.6

89 K173+295 16.5 15.7 16.4 17.0

90 K173+296 16.2 15.8 16.5 17.1

91 K173+297 15.9 15.9 16.4 17.8

92 K173+298 15.8 15.4 16.3 17.1

93 K173+299 16.0 14.8 15.5 17.2

94 K173+300 15.7 15.1 15.7 16.8

95 K173+301 15.7 14.9 15.6 17.4

96 K173+302 15.3 15.1 15.0 16.8

97 K173+303 16.0 14.5 14.7 16.6

98 K173+304 15.5 14.7 15.3 16.5

99 K173+305 14.1 13.4 13.6 16.6

100 K173+306 13.9 11.7 11.8 17.0

101 K173+307 14.3 12.5 11.6 16.8

102 K173+308 15.4 11.7 11.6 16.6

103 K173+309 16.7 13.8 14.6 17.6

104 K173+310 18.1 14.5 15.2 16.7

图3 900MHz天线 沥青路面厚度扫描情况

图4 2GHz天线 沥青路面厚度扫描情况 128 中 国 水 运 第20卷 表3 某公路沥青路面检测总厚度统计情况

桩号 单程时间 标定深度 速度 路面总深度（cm） 备注

K65+250 1.13 11.0 9.78 11.0 AC20

K65+400 1.00 14.0 14.07 14.0 AC20

K65+610 1.20 14.0 11.72 14.0 AC20

K65+620 1.16 14.0 12.07 14.0 AC20

K65+740 1.20 14.0 11.72 14.0 AC20

K65+900 0.95 14.5 15.26 14.5 AC20

K65+990 1.15 14.2 12.40 14.2 AC20

K66+200 1.05 11.5 11.00 11.5 AC20 五、结语

我国是世界上最早使用地质雷达探测公路病害的国家之

一。时至今日，应用雷达探测方法已比较广泛，目前国内公

路工程质量检测和验收应充分利用地质雷达检测技术，减少

对路面的破坏，而无损检测技术也是日后检测技术的发展趋

势，因此地质雷达的应用前景广阔，是将来公路检测的发展

方向，它必将对以后公路建设和公路养护，以及公路工程质

量控制及减少经济损失提高效益做出巨大贡献。 参考文献

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1994.

[2] TB 10223-2004，铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].

[3] JTG 3450-2019，公路路基路面现场测试规程[S].

（上接第122页）

图14 钢拱塔吊装施工 图15 钢拱塔吊装施工

步骤图四 步骤图五

6）张拉缆风绳，吊装T10合龙段，完成合拢，完成主

塔施工。

图16 钢拱塔吊装施工步骤图六

（2）受力分析

由表3可知，钢拱塔受力不利阶段集中在吊装

T9节段

时和桥塔合龙时，受力不利位置均在塔底。 表3 钢拱塔吊装施工最不利受力分析表