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ΔT，即可据下式算出该界面的埋藏深度H：
……①
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：
……②
式中C是电磁波在大气中的传播速度，约为每秒30万公里；ε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：
……③
式中：ε1、ε2分别为上、下介质的相对介电常数，对公路检测而言，ε1为面层的相对介电常数，ε2为基层的相对介电常数。由式③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900~1000Mhz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①式两边取微分并除以原式得：
……④
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512~1024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④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