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摘要：由于《公路技术状况评定标准》（JTG 5210-2018）中路面损坏状况指数PCI仅针对路表病害进行评定，无法对路面结构深层病害及路面基层的状况进行评价，从而无法判断路面病害的发展层位以及路基隐蔽病害，本研究借助三维探地雷达故路面深层病害进行探测，从而全方位评定路面病害状况，为旧路改造设计提供支撑。
关键词：三维雷达，深层病害，旧路改造
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-066
1、概述
传统路面技术状况评定一般依据《公路技术状况评定标准》执行，但其评价指标均针对路表，无法判断路面病害的发展深度，对旧路改造设计来说，一方面需要确定铣刨面积，另一方面需要知道铣刨深度，才能在旧路改造设计中准确的计算旧路铣刨工程量，从而减少施工中的过程变更，故本次研究结合三维探地雷达，并依托佛山市一环西拓旧路改造项目，针对路面深层病害进行了探测，为旧路改造提供设计依据。
2、三维雷达简介
本次基层完整性检测采用的是探地雷达，探地雷达法是一种电磁波反射探测法。其探测原理是：发射器通过发射天线向地下定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，并首先沿两天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点。取反射波往返时间之半，乘以相应介质的雷达波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、线度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况，进而对目标的物性特征进行判别。
本检测设备采用三维探地雷达系统，系统主要包括GeoscopeTMMKIV雷达主机、DX1821多通道空气耦合天线阵，检测设备如图2.1所示。
本次检测所采用的雷达是目前最先进的路用三维探地雷达，三维探地雷达可三维成像，大大减小了过去在二维成像状况下对道路内部结构误判的情况。MKIV 雷达主机实现了高速高密度数据采集，同时也结合了更深的探测能力和高分辨率，对于所有深度都可以达到优化分辨率。MKIV雷达主机只需要一个天线阵就可以同时满足探测深度和最佳分辨率的要求，不同于传统探地雷达需要根据不同探测深度更换不同的雷达天线。
DX 系列空气耦合天线阵，连续频率范围为200MHz～3000MHz，是现有同类设备中具有最宽频带范围的天线阵。既可实现高分辨率的浅层探测，又具备探测更深目标的能力。其天线阵的设计，将空气耦合天线阵与频率步进雷达技术相结合，可实现浅层高分辨成像和更深结构层次的探测。
3、典型路面病害图像分析
根据电磁波成像原理，相邻介质的特性差距越大，介电常数相差越大，雷达图像发射波越明显，结合路面的材料特性及路面结构常见的病害类型，探地雷达对于路面结构中高含水量或高空气含量两种类型的病害具有较高的识别率，一般情况下路面结构的介电常数范围大约为6～8，空气的介电常数为1，水的介電常数为81，故针对这两种类型的病害，在雷达图像中会表现出较为明显的波形变化。
针对这两种类型的病害特点，可将路面结构病害细分为松散、脱空、裂缝、沉降四大类。
（一）松散：一般表现为沥青面层或水泥稳定碎石基层内部结构胶结料失去粘结能力，导致骨料松散，但尚未形成明显的脱空，其雷达图像一般呈现较为明显的分层，图像纵向的表现一般较为杂乱，上基层内部松散典型图像特征如图3.1所示。为验证判定结果，在现场进行了取芯，如图3.2所示，取芯结果表明雷达图像判定结果与实际情况较为吻合。
（二）脱空：一般表现为路面结构层内部松散较为严重，已经形成较为明显的空隙，严重影响路面结构承载能力，其雷达图像一般呈现出纵向深度较大，且亮度较为明显的图像特征，如图3.3所示。
（三）裂缝：半刚性基层沥青路面大多数裂缝均为基层反射裂缝，然后逐渐向上发展为贯穿的横向裂缝，其雷达图像在纵断面表现出较为明显的双曲线型特征，在横断面上表现出较为明显的线性特征，其典型雷达图像如图3.4所示，为验证横向裂缝发展深度，在现场进行了取芯，如图3.5所示，取芯结果表明，三维雷达能够较为准确的判定基层裂缝。
（四）沉降：软基地区或者地下水位较高的路段，容易出现路基沉降的病害，路基沉降一般会伴随半刚性基层裂缝的发生，其雷达图像一般呈现凹陷，且通常基层也会表现出较为明显的裂缝，如图3.6和图3.7所示。
4、现场检测实例分析
本次实测项目依托佛山一环西拓旧路改造，原有路面由于年限久远，病害情况较为复杂，常规检测手段较难评估路面结构内部病害严重程度，故借助三维探地雷达对旧路面深层病害进行探测，为旧路改造设计提供依据。检测范围包含佛山一环西拓的六个路段，分别为碧云路、三水二桥公路、白金线（环线）、白金线（非环线）、龙高路、高明大道，检测主要针对重载车道，据现场调查情况，第二、三车道路面病害相对密集，故选择第二、三车道对其路面基层完整性进行检测，每条车道延车道中线布置一条测线，全覆盖检测，测线布置如图4.1所示。
本次检测各路段基层病害主要表现为基层脱空、松散、不密实、基层沉降和基层裂缝等形式，其中基层脱空、松散和不密实其形成原因本质上均是由于胶结材料失去粘结性能，结构层内部骨料之间嵌挤不密实所致，所以将这三种病害均归类于松散。下面按松散、沉降和裂缝对各路段的基层病害情况进行分类汇总，汇总结果如表4.1所示。
由表4.1可知，一环西拓各路段中，龙高路段基层病害最多，其次分别是三水二桥公路、碧云路、高明大道、白金线（环线段）、白金线（非环线段），南九路经检测其基层无明显异常，为几个路段中基层状况最好的一段。为分析各路段中基层病害的主要表现形式，从而进一步分析基层病害的主要成因，现对各路段三种病害的严重程度进行分析，结果如图6.4所示。 由图4.1～图4.6中分析结果可知，碧云路基层病害的主要表现形式为基层材料松散，所占比例为64%，分析其原因可能是由于基层内部长期潮湿，加上碧云路重载车辆较多，在其综合因素影响下，从而导致基层松散、破碎病害较多。三水二桥公路、龙高路和高明大道基层病害的主要表现形式为基层裂缝，所占比例分别为59.4%、98.1%、79.7%，基层反射裂缝，分析原因，一方面是由于车辆荷载所致，路段长期处在交通量大、轴载高的交通环境下，基层材料逐渐出现疲劳开裂;另一方面，可能是由于施工工艺不当或者材料自身性能较差，从而产生了以温度裂缝为主的收缩裂缝和温度疲劳裂缝。白金线（环线段）和白金线（非环线段）基层病害的主要表现形式为基层变形，也即沉降，这是由于白金线土基整体承载能力不高，加之排水不畅或地下水位较高，土基长期受潮，在重载交通条件下土基逐渐沉降从而引起基层乃至面层整体变形。
此外，为分析各路段基层病害的发展深度情况，现对各路段基层病害的深度进行统计分析。由于各路段路面结构层各不相同，而且部分路段（如高明大道）因经历多次养护维修，致使其路面结构极其复杂，故这里统一将沥青面层以下约20cm的第一个结构层作为上基层，再往下作为下基层。各路段基层病害的深度发展情况如表6.8所示。
由表6.8中统计分析结果可知，碧云路、三水二桥公路、白金线（环线段）、白金线（非环线段）、龙高路其基层病害大多均发展到下基层，整体而言基层病害深度较大，但唯独高明大道较为例外，虽然高明大道路表病害在一环西拓几个路段中最为严重，但从探地雷达检测情况来看，其基层病害并非非常严重，分析原因一方面可能是由于高明大道部分路段采取过在原有水泥混凝土路面直接加铺沥青路面的方式维修过，水泥混凝土下沉层强度大，从而整体完整性较好，另一方面，水泥混凝土介质介电常数相对沥青混凝土要大，雷达电磁波穿透能力相对较弱，这也是高频探地雷达在进行缺陷检测时一个很大的短板，从而不排除在进行雷达图像解译的过程中存在漏判的可能，所以，针对高明大道基层病害情况还需进一步补充其它手段进行进一步验证。
5、结论
通过以上分析，针对佛山一环西拓各路段路面结构深层病害检测得出如下结论：
（1）碧云路基层病害的主要表现形式为基层材料松散;三水二桥公路、龙高路和高明大道基层病害的主要表现形式为基层裂缝;白金线（环线段）和白金线（非环线段）基层病害的主要表现形式为基层变形，也即沉降。
（2）碧云路、三水二桥公路、白金线（环线段）、白金线（非环线段）、龙高路其基层病害大多均发展到下基層，病害深度较大;高明大道基层病害基本集中在上基层，但仍需结合取芯或挖探等其它手段进一步验证这一判断。
（3）通过三维雷达对路面结构深层病害进行全覆盖摸查，有利于把握各路段深层病害范围、深度、及病害类型，为旧路改造设计提供了强有力的数据支撑。
参考文献
[1] 江凯.城市道路结构层材料介电特性及其应用研究[D].西南交通大学博士学位论文.2011.
[2] 杜光.地质雷达在桥台搭板脱空检测中的应用[J].山西交通科技，2017（6）.
[3] 李强.地下空洞的探地雷达图像解释技术研究[J].工程勘察，2016（6）.
[4] 罗传熙.基于介电常数沥青路面均匀性评价[J].科学技术与工程，2018（5）.
[5] 石宁.探地雷达的基本原理及其在沥青路面中的应用[J].中外公路，2002（2）.
[6] 陈廷柱.探地雷达在检测道路路基病害中的应用[J].南阳理工学院学报，2017（7）.
1佛山市公路桥梁工程监测站有限公司 广东 佛山 528000 2佛山市交通科技有限公司 广东 佛山 528000
关键词：三维雷达，深层病害，旧路改造
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-066
1、概述
传统路面技术状况评定一般依据《公路技术状况评定标准》执行，但其评价指标均针对路表，无法判断路面病害的发展深度，对旧路改造设计来说，一方面需要确定铣刨面积，另一方面需要知道铣刨深度，才能在旧路改造设计中准确的计算旧路铣刨工程量，从而减少施工中的过程变更，故本次研究结合三维探地雷达，并依托佛山市一环西拓旧路改造项目，针对路面深层病害进行了探测，为旧路改造提供设计依据。
2、三维雷达简介
本次基层完整性检测采用的是探地雷达，探地雷达法是一种电磁波反射探测法。其探测原理是：发射器通过发射天线向地下定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，并首先沿两天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点。取反射波往返时间之半，乘以相应介质的雷达波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、线度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况，进而对目标的物性特征进行判别。
本检测设备采用三维探地雷达系统，系统主要包括GeoscopeTMMKIV雷达主机、DX1821多通道空气耦合天线阵，检测设备如图2.1所示。
本次检测所采用的雷达是目前最先进的路用三维探地雷达，三维探地雷达可三维成像，大大减小了过去在二维成像状况下对道路内部结构误判的情况。MKIV 雷达主机实现了高速高密度数据采集，同时也结合了更深的探测能力和高分辨率，对于所有深度都可以达到优化分辨率。MKIV雷达主机只需要一个天线阵就可以同时满足探测深度和最佳分辨率的要求，不同于传统探地雷达需要根据不同探测深度更换不同的雷达天线。
DX 系列空气耦合天线阵，连续频率范围为200MHz～3000MHz，是现有同类设备中具有最宽频带范围的天线阵。既可实现高分辨率的浅层探测，又具备探测更深目标的能力。其天线阵的设计，将空气耦合天线阵与频率步进雷达技术相结合，可实现浅层高分辨成像和更深结构层次的探测。
3、典型路面病害图像分析
根据电磁波成像原理，相邻介质的特性差距越大，介电常数相差越大，雷达图像发射波越明显，结合路面的材料特性及路面结构常见的病害类型，探地雷达对于路面结构中高含水量或高空气含量两种类型的病害具有较高的识别率，一般情况下路面结构的介电常数范围大约为6～8，空气的介电常数为1，水的介電常数为81，故针对这两种类型的病害，在雷达图像中会表现出较为明显的波形变化。
针对这两种类型的病害特点，可将路面结构病害细分为松散、脱空、裂缝、沉降四大类。
（一）松散：一般表现为沥青面层或水泥稳定碎石基层内部结构胶结料失去粘结能力，导致骨料松散，但尚未形成明显的脱空，其雷达图像一般呈现较为明显的分层，图像纵向的表现一般较为杂乱，上基层内部松散典型图像特征如图3.1所示。为验证判定结果，在现场进行了取芯，如图3.2所示，取芯结果表明雷达图像判定结果与实际情况较为吻合。
（二）脱空：一般表现为路面结构层内部松散较为严重，已经形成较为明显的空隙，严重影响路面结构承载能力，其雷达图像一般呈现出纵向深度较大，且亮度较为明显的图像特征，如图3.3所示。
（三）裂缝：半刚性基层沥青路面大多数裂缝均为基层反射裂缝，然后逐渐向上发展为贯穿的横向裂缝，其雷达图像在纵断面表现出较为明显的双曲线型特征，在横断面上表现出较为明显的线性特征，其典型雷达图像如图3.4所示，为验证横向裂缝发展深度，在现场进行了取芯，如图3.5所示，取芯结果表明，三维雷达能够较为准确的判定基层裂缝。
（四）沉降：软基地区或者地下水位较高的路段，容易出现路基沉降的病害，路基沉降一般会伴随半刚性基层裂缝的发生，其雷达图像一般呈现凹陷，且通常基层也会表现出较为明显的裂缝，如图3.6和图3.7所示。
4、现场检测实例分析
本次实测项目依托佛山一环西拓旧路改造，原有路面由于年限久远，病害情况较为复杂，常规检测手段较难评估路面结构内部病害严重程度，故借助三维探地雷达对旧路面深层病害进行探测，为旧路改造设计提供依据。检测范围包含佛山一环西拓的六个路段，分别为碧云路、三水二桥公路、白金线（环线）、白金线（非环线）、龙高路、高明大道，检测主要针对重载车道，据现场调查情况，第二、三车道路面病害相对密集，故选择第二、三车道对其路面基层完整性进行检测，每条车道延车道中线布置一条测线，全覆盖检测，测线布置如图4.1所示。
本次检测各路段基层病害主要表现为基层脱空、松散、不密实、基层沉降和基层裂缝等形式，其中基层脱空、松散和不密实其形成原因本质上均是由于胶结材料失去粘结性能，结构层内部骨料之间嵌挤不密实所致，所以将这三种病害均归类于松散。下面按松散、沉降和裂缝对各路段的基层病害情况进行分类汇总，汇总结果如表4.1所示。
由表4.1可知，一环西拓各路段中，龙高路段基层病害最多，其次分别是三水二桥公路、碧云路、高明大道、白金线（环线段）、白金线（非环线段），南九路经检测其基层无明显异常，为几个路段中基层状况最好的一段。为分析各路段中基层病害的主要表现形式，从而进一步分析基层病害的主要成因，现对各路段三种病害的严重程度进行分析，结果如图6.4所示。 由图4.1～图4.6中分析结果可知，碧云路基层病害的主要表现形式为基层材料松散，所占比例为64%，分析其原因可能是由于基层内部长期潮湿，加上碧云路重载车辆较多，在其综合因素影响下，从而导致基层松散、破碎病害较多。三水二桥公路、龙高路和高明大道基层病害的主要表现形式为基层裂缝，所占比例分别为59.4%、98.1%、79.7%，基层反射裂缝，分析原因，一方面是由于车辆荷载所致，路段长期处在交通量大、轴载高的交通环境下，基层材料逐渐出现疲劳开裂;另一方面，可能是由于施工工艺不当或者材料自身性能较差，从而产生了以温度裂缝为主的收缩裂缝和温度疲劳裂缝。白金线（环线段）和白金线（非环线段）基层病害的主要表现形式为基层变形，也即沉降，这是由于白金线土基整体承载能力不高，加之排水不畅或地下水位较高，土基长期受潮，在重载交通条件下土基逐渐沉降从而引起基层乃至面层整体变形。
此外，为分析各路段基层病害的发展深度情况，现对各路段基层病害的深度进行统计分析。由于各路段路面结构层各不相同，而且部分路段（如高明大道）因经历多次养护维修，致使其路面结构极其复杂，故这里统一将沥青面层以下约20cm的第一个结构层作为上基层，再往下作为下基层。各路段基层病害的深度发展情况如表6.8所示。
由表6.8中统计分析结果可知，碧云路、三水二桥公路、白金线（环线段）、白金线（非环线段）、龙高路其基层病害大多均发展到下基层，整体而言基层病害深度较大，但唯独高明大道较为例外，虽然高明大道路表病害在一环西拓几个路段中最为严重，但从探地雷达检测情况来看，其基层病害并非非常严重，分析原因一方面可能是由于高明大道部分路段采取过在原有水泥混凝土路面直接加铺沥青路面的方式维修过，水泥混凝土下沉层强度大，从而整体完整性较好，另一方面，水泥混凝土介质介电常数相对沥青混凝土要大，雷达电磁波穿透能力相对较弱，这也是高频探地雷达在进行缺陷检测时一个很大的短板，从而不排除在进行雷达图像解译的过程中存在漏判的可能，所以，针对高明大道基层病害情况还需进一步补充其它手段进行进一步验证。
5、结论
通过以上分析，针对佛山一环西拓各路段路面结构深层病害检测得出如下结论：
（1）碧云路基层病害的主要表现形式为基层材料松散;三水二桥公路、龙高路和高明大道基层病害的主要表现形式为基层裂缝;白金线（环线段）和白金线（非环线段）基层病害的主要表现形式为基层变形，也即沉降。
（2）碧云路、三水二桥公路、白金线（环线段）、白金线（非环线段）、龙高路其基层病害大多均发展到下基層，病害深度较大;高明大道基层病害基本集中在上基层，但仍需结合取芯或挖探等其它手段进一步验证这一判断。
（3）通过三维雷达对路面结构深层病害进行全覆盖摸查，有利于把握各路段深层病害范围、深度、及病害类型，为旧路改造设计提供了强有力的数据支撑。
参考文献
[1] 江凯.城市道路结构层材料介电特性及其应用研究[D].西南交通大学博士学位论文.2011.
[2] 杜光.地质雷达在桥台搭板脱空检测中的应用[J].山西交通科技，2017（6）.
[3] 李强.地下空洞的探地雷达图像解释技术研究[J].工程勘察，2016（6）.
[4] 罗传熙.基于介电常数沥青路面均匀性评价[J].科学技术与工程，2018（5）.
[5] 石宁.探地雷达的基本原理及其在沥青路面中的应用[J].中外公路，2002（2）.
[6] 陈廷柱.探地雷达在检测道路路基病害中的应用[J].南阳理工学院学报，2017（7）.
1佛山市公路桥梁工程监测站有限公司 广东 佛山 528000 2佛山市交通科技有限公司 广东 佛山 528000