基于探地雷达的路面结构完整性定量化评价方法

对路面结构内部进行检测，确定各结构层及其层间黏结状况，评价路面结构完整性，为路面养护提供决策支持具有显著意义[1]。目前境内主要依据《公路技术状况评定标准》(JTG5210-2018)[2]，对路面状况进行评定，主要采用了破损(PCI)、平整度(RQI)、车辙(RDI)、抗滑(SRI)、结构强度(PSSI)等5项指标。除了结构强度外，其他指标均为路表状况指标，无法有效指导路面养护以保持结构内部状态。

《公路沥青路面养护设计规范》(JTG5421-2018)[3]在修复养护专项数据检测中引入了结构完整性检测。路面结构完整性从路面结构全空间角度(深度、纵向、横向)，表征因先天或后天原因导致的结构内部材料或结构缺陷、破损等异常状态，包括结构层松散、不密实、层间黏结失效、层间脱空、内部裂缝、含水量大等对象。

路面结构完整性可采用探地雷达进行快速无损检测。探地雷达用于道路检测具有精度高、连续性好等优点。王曦光等给出了工程应用中的探地雷达典型特征图像，对正确分析探地雷达采集图像具有一定指导作用[4-5]；朱能发等总结了公路检测中常见缺陷的雷达波相特征，为道路检测及养护处治提供支持[6-10]。然而这些研究均未提出路面结构完整性的定量化评价方法。

本文选用第四代高动态探地雷达设备，对雷达回波信号进行处理得到雷达有效信号，建立雷达检测评定图谱，并进行取芯验证；提出结构完整性综合评价指标，基于江苏省11条高速公路、1484(车道·km)检测数据，进行评价方法有效性验证。

高动态探地雷达技术简介

探地雷达原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)的工作原理示意[11]如图1所示。GPR利用发射天线向目标体发射连续电磁脉冲波(图1(a))，依据电磁波传播理论，电磁波在遇到不同介质层时，由于上下介质的介电常数不同，会在不同介质的分界面发生反射和折射，折射的部分电磁波继续向下传播，在遇到新的介质层分界面时会继续发生反射和折射；反射的另一部分电磁波由接收天线接收，则得到一个扫描线(图1(b))；当进行连续测量时，多个扫描线相互拼接则得到连续的测量剖面，即雷达剖面图(图1(c))。

电磁波在不同介质中的传播速度计算公式如式(1)所示。

根据电磁波发射时刻和接收时刻，计算在介质中的电磁波传播时间Δt，依据式(2)可计算反射面的深度d。

电磁波在不同介质层分界面的反射和折射特征，由反射系数R和折射系数T表征。若电磁波为垂直入射，且介质为非磁性，可由式(3)和式(4)表示。由此可知，非磁性介质的反射和折射系数仅与上下介质的介电常数有关。电磁波在传播过程中遇到不同介质的分界面时会产生反射，对路面结构内部隐性病害引起的异常信号的振幅、频率和相位进行对比分析，即可确定隐性病害的位置和严重程度。

高动态探地雷达设备

某型号高动态探地雷达为最新第四代探地雷达，天线与控制系统为一体机(如图2所示)，技术参数如表1所示。该探地雷达系统，将雷达通过支架悬挂在工程车上或者将雷达置于天线小车上，天线小车被工程车牵引前行，检测人员在工程车内部通过操作计算机来控制雷达的工作状态。车载雷达相比人工方法有许多优点，它可以一次全断面检测；适用于长距离检测，大大提高了检测效率；同时保障了检测人员的安全；不影响正常的道路行车。

雷达回波信号处理与图谱建立

回波信号处理

探地雷达回波信号会存在波形混叠、噪声和杂波，应当最大程度去除，以保留目标体信号。

波形混叠处理采用背景去除方法。沥青路面各层界面的电磁波在不受到外界干扰的情况下均是按照固定的反射能量及衰减规律产生的，其叠加能量为固定值。背景去除即减去固定值。

噪声属于原发射信号中并不存在的无规则的额外信号，是随时存在的。噪声处理常采用带通滤波法，即人为设定有效回波信号的频率范围(一般为天线频率的2/3~3/2)，删除其他频率范围的信号。

杂波去除采用傅里叶变换对不同介质的频率谱进行解析，然后针对杂波的特有频率谱进行滤波。探地雷达回波信号处理效果如图3所示。

雷达图谱

通过总结大量的工程实例，发现影响路面结构完整性的路面结构内部病害类型可以分为3大类：空隙多；层间不良；松散。其中松散可细分为层间局部松散和结构层松散。不同隐性病害在雷达灰度图中具有显著差异，由此建立的雷达检测评定图谱如表2所示。先后对沪宁、连徐、沿江、沿海、汾灌、江广、通启、宁靖盐、宁扬等等18条高速公路进行检测评估，检测总里程达1484(车道·km)，并且钻取了600个以上的芯样进行验证，雷达检测结果与实际路面的匹配性高达95%。

路面结构完整性评价指标

为了对路面结构完整性进行定量化评价，借鉴路面破损状况指数PCI评价方法，采用路面内部破损状况指数IPCI(Inner Pavement Condition Index)反映路面结构内部的破损状况。

PCI仅评价路表，破损率为路表破损面积与调查面积之比，取值为0~100(%)；而IPCI评价路面各层及层间状况，内部破损率为内部病害长度(各层病害长度之和)与调查长度之比，取值可能会大于100(%)。综合考虑评分结果区分度，评价模型参数a0和a1由15和0.412调整为13和0.352。

不同类型的隐性病害对于结构强度的影响存在较大差异，如空隙偏多类的隐性病害对于结构强度的影响较小，而松散病害则对结构强度的影响较大，因此根据这种影响关系，对各隐性病害的权重进行了初拟，如表3所示。

IPCI影响因素分析

高速公路选取

选择不同通车时间、不同交通量、不同环境气候状况等特点的典型高速公路，共11条，如表4所示。路龄分布范围为1年~17年，交通量分布范围为9170辆/d~83262辆/d，这既保证了所选路段的代表性，又能够覆盖高速公路全寿命周期。检测位置均为最外侧车道的右轮迹帯。

养护历史的影响

养护历史是结构内部状态的影响因素。养护历史以平均每年每公里养护工程量为统计指标，综合考虑不同高速公路的养护总工程量、通车时间以及里程等因素。不同高速公路养护历史数据来自江苏省高速公路路面管理系统(网址为http：//pms.roadkeeper.net)。汇总分析各条高速公路IPCI评分与养护历史的相关性，如图6所示。

从图6可以看出，当养护量较大时，IPCI评分也较高，路面隐性病害减少，二者具有一致变化趋势。采用幂函数进行回归分析，分析结果表明二者相关性系数R^2＝0.49，表明养护的封水作用及改善受力会抑制路面隐性病害的发展。

交通荷载的影响

(1)交通荷载与IPCI

交通量以累计交通量为统计指标，综合考虑了不同高速公路的年平均日交通量和通车时间等因素。汇总分析各条高速公路IPCI评分与交通量的相关性，如图7所示。

由图7可知，当累计交通量较大时，IPCI评分较低，路面内部隐性病害呈增加趋势。采用对数函数进行回归分析，结果表明二者相关性系数R^2＝0.37，表明交通荷载的反复作用会加重路面隐性病害的发展，但随着交通量的增加，影响程度在减弱。

(2)交通荷载与分项隐性病害

隐性病害包括3类：空隙多；层间不良；结构松散。分别统计分析这3类隐性病害与交通量的相关性，统计指标为隐性病害累计长度与调查路段长度之比，结果如图8~图10所示。从图中可以看出，空隙多率、层间不良率、结构松散率与交通量的相关性系数R^2分别为0.15、0.4、0.43；空隙多率与交通量相关性较低，这主要是因为空隙多隐性病害受路面结构初始空隙率状况影响较大；层间不良率、结构松散率与交通量的相关性较高，表明交通荷载会显著加速层间不良和结构松散的发展。

结语

本文利用高动态探地雷达建立了路面结构完整性定量化评价方法，主要结论如下：

(1)路面隐性病害分为空隙多、层间不良、松散等3类，各类病害的雷达灰度图具有显著差异，建立了雷达检测评定图谱，取芯验证准确率约为95%；

(2)借鉴路面状况指数PCI评价模型，对不同类型病害赋予不同权重，提出了路面内部破损状况指数IPCI，以此进行路面隐性病害状况评价；

(3)基于11条高速公路、1484(车道·km)检测数据，进行了路面隐性病害影响因素分析，表明交通荷载越大、养护工程量越少，路面隐性病害越多，IPCI评分越低；

(4)与层间不良、结构松散相比，隐性病害空隙多与交通量相关性较低，这主要是因为空隙多隐性病害受路面结构初始空隙率状况影响较大。