基于探地雷达的公路路面压实度的评价方法与流程

本发明涉及雷达探测技术领域，进一步涉及一种基于探地雷达的公路路面压实度的评价方法。

背景技术：

公路路面所用的沥青混合料是沥青与骨料按重量比例配合经加热搅拌而成，其中路面压实度是工程质量控制和养护最为重要的指标之一。压实度的大小直接影响到混凝土的耐热性、抗裂性、防滑性、耐久性及渗透性。

由于压实度受骨料、沥青、空气等多种因素影响，目前测定公路路面压实度的方法并不多。《核子密湿度仪测定压实度试验方法》(T0922-2008)以及《无核密度仪测定压实度试验方法》(T0925-2008)分别通过核子密湿度仪与无核密度仪测量路面密度，通过密度的变化评价压实度，该方法目前工程中使用较少。目前最常用的沥青路面压实度检测方法是《挖坑及钻芯法测定路面厚度试验方法》(T0912-2008)，该方法通过破坏性手段在沥青路面取得一定数量的样本，测量各个样本的压实度并以该批样本的实测压实度代表全路段沥青面层的压实度。

沥青混凝土的压实度主要是通过孔隙度和密度反映出来的，孔隙度和密度的差异可以体现为沥青混凝土的介电常数不同。探地雷达作为一种新兴的无损检测设备，已经得到了非常广泛的应用，由于探地雷达能够较准确地估算路面介电常数，因此可以通过探地雷达测量路面的压实度，目前利用探地雷达评价路面压实度的方法主要包括以下步骤：

(1)利用探地雷达对公路路面进行检测，得到路面反射幅值A₁；

(2)在探地雷达下方地面铺设足够大的金属板，用探地雷达进行采集，可以得到发射幅值A_m；

(3)计算公路路面介电常数，公路表面的介电常数ε可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{1+A_1/A_m}{1-A_1/A_m}\right)}^2---\left(1\right)$

(4)认为介电常数偏低的路段压实度可能存在问题。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

核子密湿度仪与无核密度仪虽然能够测量路面密度，但受设备工作原理所限，使用前需要严格标定，测试过程繁琐，效率较低，且一般不宜用于评定验收或仲裁。

钻孔取芯测量法虽然能较好地测定沥青路面压实度，但存在两个明显缺陷：

(1)该方法会对沥青路面造成损伤，钻孔太多会影响公路路面质量；

(2)钻孔位置的选取有较强的随机性，难以保证取样样本的代表性，不利于准确评价沥青路面压实度。

现有的探地雷达压实度评价方法利用了压实度与介电常数之间的关系，但在实际工程应用中，该方法存在两个明显缺陷：

(1)只能根据定性的评估路面压实度情况，没有研究介电常数与压实度之间的定量关系，因此无法准确测量路面压实度；

(2)由于路用材料差异性很大，即使同一地区甚至同一条路介电常数也存在离散性，因此通用性较差。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于探地雷达的公路路面层间剥离评价方法，以解决以上所述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种基于探地雷达的公路路面压实度的评价方法，包括步骤：

(1)制作不同压实度公路路面样件，样件中包含压实度为100％的样件；

(2)获取各个样件相对介电常数，压实度为100％的样件的介电常数标记为标准样件介电常数；

(3)根据各个样件的相对介电常数和压实度，计算不同压实度对应的压实度指数；

(4)对压实度与压实度指数对应关系进行拟合，获得拟合公式；

(5)利用探地雷达对公路路面进行检测；

(6)根据步骤(5)的检测结果计算所测公路路面的介电常数，进一步计算压实度指数；

(7)根据拟合公式与要求的压实度，评价所测公路路面的压实度情况。

优选的，步骤(1)中所述公路路面样件为沥青样件。

优选的，步骤(2)中相对介电常数的获取包括：利用探地雷达对各个样件对进行检测，得到样件反射幅值；在探地雷达下方地面铺设金属板，用探地雷达进行采集，得到发射幅值；根据样件反射幅值和和发射幅值计算各个样件的相对介电常数。

优选的，步骤(3)包括子步骤：根据各样件介电常数ε′，其中标准样件介电常数为计算各个样件压实度指数，样件压实度指数可通过下式求得：

优选的，步骤(4)中拟合方式为采用计算机对压实度指数与压实度数据进行指数拟合。

优选的，步骤(5)包括：利用探地雷达对公路路面进行检测，得到路面反射幅值4；在探地雷达下方地面铺设尺寸大于五倍的雷达波长的金属板，用探地雷达进行采集，可以得到发射幅值A_m。

优选的，步骤(6)包括：根据路面反射幅值A₁和发射幅值A_m，计算公路路面介电常数，公路路面的介电常数ε表示为：

$\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{1+A_1/A_m}{1-A_1/A_m}\right)}^2,$

计算整条公路路面的平均介电常数则压实度指数c为：

$c=\mathrm{\ϵ}/\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}.$

优选的，步骤(7)包括：将要求的压实度代入拟合公式，获取对应的要求的压实度指数，在路面检测结果中，筛选出小于要求的压实度指数的路段认定为疑似不合格路段。

(三)有益效果

通过上述技术方案，可以看出本发明的评价方法有益效果在于：

(1)操作相对简便，适用于路面验收及复查；

(2)是一种无损的压实度评价方法，不影响公路路面质量；

(3)能够对路面进行连续检测，得到全面覆盖式评价路面压实度水平；

(4)能够定量的检测路面压实度，快速寻找压实度不合格路段；

(5)通过压实度指数能够克服不同路面间的介电常数差异，更准确地对路面压实度进行评价。

附图说明

图1是本发明实施例基于探地雷达的公路路面压实度的评价方法的流程图。

图2是本发明一具体实施例的探地雷达路面检测结果图。

图3是本发明一具体实施例的公路路面介电常数与道数关系示意图。

图4是本发明实施例的公路路面样件示意图。

图5是本发明一具体实施例的压实度指数与压实度的拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1是本发明实施例基于探地雷达的公路路面压实度的评价方法的流程图。本发明实施例的评价方法包括步骤：

(1)制作不同压实度公路路面样件，样件中包含压实度为100％的样件。

该步骤中所述公路路面样件可以是常规的路面样件，样件的成分不需要完全与待测公路路面的相同，后续提出的压实度指数能够尽量减少由于样品成分与待测公路路面的非一致性带来的误差。

本实施例中，压实度指土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示。

可选的，路面样件为沥青样件。

样件的制作过程中，应尽量选取压实度范围能够覆盖待测公路路面压实度，例如待测公路路面的压实度位于70-100％之间，则选取的样件最小压实度最好低于70％，最大压实度最好为100％。

样件的制作尺寸和外形参见图4所示，尽可能保持与待测公路路面相同，而且尺寸上(即边长大于五倍的雷达波长，或者金属板能覆盖的圆直径))应保证雷达能够探测产生回波信号。

图4所示的具体实施例中，制作了7块不同压实度样件，压实度分别为85％，90％，92％，95％，97％，100％，105％(压实度按定义不应该超过100％，但个别测量结果超过100％是正常的，因为最大干密度是个实验数据，而材料的成份只是相对稳定，所以可能会出现该种情况)。

(2)获取各个样件相对介电常数，压实度为100％的样件的介电常数标记为标准样件介电常数。

该步骤中，相对介电常数的获取包括：

利用探地雷达对各个样件对进行检测(例如：采用中心频率1G，带宽1G，采样率51.2GHz时域探地雷达对各个样件进行检测)，得到样件反射幅值；

在探地雷达下方地面铺设足够大的金属板，用探地雷达进行采集，得到发射幅值；

根据样件反射幅值和和发射幅值计算各个样件的相对介电常数。

(3)根据各个样件的相对介电常数和压实度，计算不同压实度对应的压实度指数；

在该步骤中，根据各样件介电常数ε′，其中标准样件介电常数为计算各个样件压实度指数，样件压实度指数可通过下式(2)求得：

$c={\mathrm{\ϵ}}^{\′}/\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}---\left(2\right).$

(4)对压实度与压实度指数对应关系进行拟合，获得拟合公式。

该步骤中，拟合方式不限，例如多项式拟合或者指数拟合，优选的采用指数拟合。拟合的方式为：对于已有的若干离散点，得到最小二乘意义下与之差别最下的连续函数。

图5是本发明一具体实施例的压实度指数与压实度的拟合示意图，压实度指数拟合关系式为：

压实度＝0.397+0.343e^1.396C+2.725e^-1.396C，其中C为压实度指数。

(5)利用探地雷达对公路路面进行检测；

该步骤中包括：利用探地雷达对公路路面进行检测(例如：采用中心频率1G，带宽1G，采样率51.2GHz时域探地雷达对各个样件进行检测)，得到路面反射幅值A₁，检测的道数为几百至几万道。

在探地雷达下方地面铺设足够大的金属板，用探地雷达进行采集，可以得到发射幅值A_m；该足够大是指保证雷达能够探测产生回波信号，例如金属板的边长大于五倍的雷达波长。

图3是本发明一具体实施例的公路路面介电常数与道数关系示意图。

该图中横坐标表示道数，左侧纵坐标表示介电常数。

(6)根据步骤(5)的检测结果计算所测公路路面的介电常数，进一步计算压实度指数。

该步骤中，根据路面反射幅值A₁和发射幅值A_m，计算公路路面介电常数，公路路面的介电常数ε表示为：

$\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{1+A_1/A_m}{1-A_1/A_m}\right)}^2---\left(1\right),$

计算整条公路路面的平均介电常数则压实度指数c为：

$c=\mathrm{\ϵ}/\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}---\left(3\right).$

图3是本发明一具体实施例的公路路面介电常数与道数关系示意图。该图中右侧纵坐标表示压实度指数。

(7)根据拟合公式与要求的压实度，评价所测公路路面的压实度情况。

该步骤中，将要求的压实度代入拟合公式，获取对应的要求的压实度指数，在路面检测结果中，筛选出小于要求的压实度指数的路段认定为疑似不合格路段。

根据图5所示的具体实施例中，若对于该段公路的压实度要求为85％，则其对应压实度指数为0.77。在路面检测结果中，筛选出压实度指数不足0.77的路段认定为疑似不合格路段。

以上，本发明实施例利用探地雷达，实现了对沥青公路路面压实度的无损检测，对于工程应用中公路路面快速评价与检测具有重要意义

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。