基于3D-Radar的道路结构质量分析评价系统 - 欧美大地仪器设备中国有限公司

3DR探地雷达道路结构质量分析评价系统是一款能大面积快速获取道路结构属性、分析介电参数的自动化分析系统。它不仅能有效降低检测机构获取道路材料特性的成本、提高检测效率，更能让检测机构对检测目标地下信息形成一个完整的体系，大幅度降低人为经验对检测结果的干扰。

1. 系统简介

道路结构质量分析评价系统基于挪威3D-Radar GeoScope^TM 探地雷达系统和车载阵列式天线设计开发。与常见的剖面式扫描不同，该系统基于CMP（共中点）扫描。它通过设置在阵列中心两侧成对天线收发电磁波的方式和自主研发的算法模型，得到道路面层与基层的反射面的介电属性、层面的准确厚度、层密实度（空隙率）信息。

图 1.1 剖面扫描和CMP扫描

基于常年道路观测的数据与经验，系统还可进一步对道路结构总体质量以及分布情况做出判断，并自动生成相关报表。

图1. 2 分析软件结果和报表

2. 介电常数与道路结构质量的关系

道路结构的介电常数分布情况与道路结构质量存在密不可分的关系。作为一种发射电磁波并记录往返时间的较高精度设备，探地雷达电磁波往返时间的长短不仅受到结构层本身厚度的影响，还受到材料介电常数的影响。

表2.1 常见道路结构物质参数列表

介质	相对介质常数	电导率（ms/m）	传输速度（m/ns）	衰减系数（dB/m）
空气	1	0	0.3	0
水	80	0.5	0.033	0.1
砂岩	6	0.04	/	/
灰岩	4-8	0.5-2	0.12	0.4-1
花岗岩	4-6	0.01-1	0.13	0.01-1
混凝土	4-20	1-100	0.11-0.12	/
粘土	5-40	2-1000	0.06	1-300

当道路结构完好的时候，面层和基层的相对介电常数基本维持在4-20之间，电磁波在道路结构内部的传播速度只有在空气中传播的一半甚至四分之一。

图2.1 带病害结构层的电磁波传播路径

当结构层出现疏松、空隙、空洞等病害时，如果其内部填充的是空气，会使电磁波波速在病害区域受到的介质影响要小于没有病害结构层的介质影响，最终病害结构层的相对介电常数低于周围介质，电磁波传播速度高于周边正常结构。

而当病害内部填充水，或者介质层含水率较高时，电磁波波速受到的影响要大于没有水的结构层影响，从而病害结构层相对介电常数高于周边介质，电磁波传播速度小于周边正常结构。

图2.2 常见道路基层介电常数与质量判别

总之，当结构层内疏松、含空气量较多时，结构层介电常数向空气属性靠拢，使其介电常数降低；当内部含水率较高，结构层介电常数向水方向靠拢，从而使介电常数升高。

3. CMP检测法在多条道路的应用实验

系统通过对工业园内部道路、市政道路、高速公路等多类道路检测实验发现：同一条道路不同检测路段间由于地质条件和用料施工水平相近，往往表现在结构层厚度和物理属性的相似性，但存在一定的波动；不同道路间（包括同一道路的机动车道和非机动车道），由于地质条件和用料施工水平等因素，其结构层厚度和介电参数等物理属性就会有较大差别。

表3.1 各道路结构层分析结果汇总

测线	长度(m)	面层平均厚度(m)	基层平均厚度(m)	面层平均介电常数	基层平均介电常数
园区道路	102.0	0.09	0.29	4.53	5.55
市政道路1	132.0	0.08	0.24	4.62	4.95
市政道路2 机动车道	58.0	0.23	0.46	5.22	5.91
市政道路2 非机动车道	98.5	0.16	0.33	4.81	5.68
高速公路	58.6	0.22	0.79	5.1	5.74

结合各结构层介电常数的数据，可以定义各结构层相关评价指标。

表3.2 结构层介电常数判别标准

相对介电常数

4.5

6.5

面层（沥青）

空隙率高

偏高

良好

含水率高

基层

松散（即出现空隙概率高）

偏松散

良好

含水率高

注：当前标准基于现有理论与数据得出，准确评价还需使用者对检测道路进行适当测量与评估

各类实验检测分析结果如图3.1- 3.4。

图3.1 工业区道路测线1分析结果

图3.2市政道路1分析结果

图3.3市政道路2分析结果

图3.4高速公路分析结果