CN103675920B - 道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法，包括利用探地雷达进行连续测量和人工点测，得到相应的数据图像，大致确定裂缝位置，然后在此基础上通过椭圆法对数据图像进行解析处理，提高定位精度，从而对半刚性基层裂缝的长度和深度进行准确定位。采用探地雷达连续测量和人工点测，得到半刚性基层裂缝的水平位置误差达到4.4%，裂缝上端误差达到32%。通过椭圆法数据分析后，半刚性基层裂缝的水平位置误差达到2.2%，裂缝上端深度误差达到22%，水平位置的精度提高了2.2%，裂缝上端深度的精度提高了10%，可以为裂缝的维护提供准确的数据依据，具有重要的理论价值和实际应用意义。

Description

道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种道路基层隐含裂缝深度和水平位置的检测方法，尤其涉及一种道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法。

背景技术

目前，我国高速公路发展迅速，由于半刚性材料具有初期强度高、良好的板体性、抗渗度和抗冻性好等优点^[1]，半刚性材料的使用得到广泛推广，同时道路质量的检测任务也日益增多，道路的使用状况评价成为目前的重要任务。面对道路质量评价工作量的急剧增加，传统的钻芯取样等有损检测技术，由于工作量大、对道路有破坏性等特点，已经不能适应目前检测的任务。探地雷达(Ground Penetration Radar)检测技术作为一种无损检测技术，具有高分辨率、高效率、无损探测、结果直观等优点，可以在较短时间内得到检测道路的使用情况，为道路维护提供必要的依据。国内外将探地雷达应用于高等级公路路面厚度、路基空洞与缺损等的检测，并做出了大量研究工作。随着道路建设不断发展，道路的病害检测和养护任务日益加重，特别是高等级公路的半刚性基层裂缝检测问题，由于其隐蔽性，检测难度较大，但半刚性基层裂缝对道路承载力影响较大，因此成为近几年道路质量检测的一个重要方向。如何利用探地雷达研究在反射裂缝出现之前发现半刚性基层隐含裂缝的检测技术，具有重要实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法,检测精确，效率高。

本发明采用下述技术方案：

道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法，包括以下几个步骤：

A：利用探地雷达探测介质的介电常数ε，通过反演计算，得出实际介电常数值大小ε；

B：通过实际介电常数值大小ε，由公式得出探地雷达电磁波在被测介质中的波速值v；

C：利用探地雷达进行连续检测，初步确定裂缝所在的大致位置A-B，并记录；

D:以探地雷达接收天线和发送天线的中点为基点，在A点进行进行一次点测，并记录点测时间t，由公式2a＝v*t得出a；

E：以A点为坐标原点，以A到B的水平方向为X轴，与地面垂直方向为Y轴建立坐标系，并以探地雷达接收天线和发送天线所在位置为焦点，以a为半长轴做出一个椭圆，则异常点肯定为椭圆曲线上一点；

F:以S点距,重复步骤E，进行连续点测直至测量到B位置，得到多个椭圆；

G：采用试算法，选择半长轴最小的3个椭圆绘制成第一定位图，将半长轴最小的4个椭圆绘制成第二定位图，观察椭圆交点分布情况，对比第一定位图和第二定位图，将椭圆交点近似呈现对称分布的椭圆图作为最终定位图，将定位图中的椭圆交点的坐标求均值，即得到异常点位置坐标，其横坐标为距离起始探测点A点的水平距离，纵坐标为距离地面的垂直距离。

所述的步骤A中反演计算具体为对探地雷达进行预设介电常数值m，对无裂缝道路基层进行一次预点测，读出点测时间t，由于对相同介质，时间确定时，可知预点测得到介电常数与实际介电常数的比值等于对应的介质厚度平方的倒数的比，所以可以通过实际测量基层厚度值得出实际介电常数值大小ε。

所述的点距S大小为1.5cm。

本发明利用探地雷达进行先后连续测量和人工点测，得到相应的数据和图像，首先大致确定裂缝位置，然后在此基础上通过多次人工点测数据进行椭圆法处理，进而通过椭圆法得出待测基层裂缝的位置以及其长度和深度值，整体提高基层裂缝的定位精度，从而对半刚性基层裂缝的长度和深度进行准确定位，具有重要的理论价值和实际应用意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所述人工点测的检测示意图；

图3为本发明所述基层裂缝的连续检测图像；

图4为本发明所述目标体位于两个采样点中间附近示意图；

图5为本发明所述目标体位于采样点附近示意图；

图6为本发明所述椭圆法绘制椭圆交点图；

图7为本发明所述拟采用三个椭圆进行绘制椭圆交点图。

具体实施方式

如图1和图2所示，道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法，包括以下几个步骤：

首先利用探地雷达探测介质的介电常数，通过反演计算，得出实际介电常数值大小ε；具体为对探地雷达进行预设介电常数值m，对无裂缝道路基层进行一次点测，读出点测时间t，由于对同一个介质，时间确定时，可知介电常数的比值等于对应介质厚度平方的倒数比，所以可以根据实际测量基层厚度值得出实际介电常数值大小ε，以下以具体例子进行说明。本实施例采用C15标号水泥，水泥、砂、石、水的配合比采用240:894:1026:135，混凝土试件的尺寸分别为100cm×10cm×7.3cm，100cm×10cm×5.0cm。将7.3cm的混凝土试件中间断开，模拟基层裂缝。将5.0cm的混凝土试件放置在其上边，模拟面层。裂缝沿检测方向长2.0cm，沿垂直检测方向长10.0cm，高7.3cm，裂缝上端深度5.0cm。探地雷达型号为LTD-2000，雷达天线采用900MHz地面耦合天线，时窗设置为15ns，天线长33cm，高9.5cm，收发天线间距为5cm，

利用探地雷达对介质的厚度进行测量，已知探地雷达上的接收天线和发送天线间距为d，路基介质厚度为H，c为声波在空气传播速度，由几何知识得路基介质厚度

由电磁波在介质中的速度为代入路基介质厚度公式得到介质的介电常数由公式知计算介质的介电常数需要知道介质厚度H，电磁波在介质中的传播时间t。

以实际厚度值为7.3cm厚的混凝土试件进行介电常数的反演计算，利用探地雷达进行检测，调整天线频率为900MHz，检测结果共1550道记录，由于探地雷达图像上，裂缝的表现为一条双曲线，如果为检测裂缝，则为水平直线。将图像中长度扩大为1km，利用探地雷达系统自带的IDSP5.0软件，将总长定为1000m，以50m为待评价路段长度，以0.1m/ns为电磁波在路基介质中的速度值，进行厚度计算，

表1混凝土试件厚度计算结果

由表1知，以0.1m/ns为电磁波在路基介质中的速度值计算的厚度结果为20个厚度值的平均值，为7.6cm。由反演法，计算混凝土试件的实际介电常数

$\left\{\begin{array}{c}\frac{0.1\×t}{2}=7.6\×{10}^{-3}\\ \frac{\frac{0.3}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\×t}{2}=7.3\×{10}^{-3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

由式(1)得到混凝土试件的介电常数为9.8，其中在进行计算时，由于探地雷达接收天线和发送天线之间的距离d较小，而且在利用探地雷达测量缝隙长度、深度时，均忽略其大小，即以d＝0来进行计算。

其次，通过得到的实际介电常数值大小ε，由公式得出探地雷达电磁波在被测介质中的波速值v，由本实施例得出v＝0.096m/ns。

再次，操作人员手拿探地雷达，使探地雷达的天线贴近表面，利用探地雷达进行连续检测，初步确定裂缝所在的大致位置A-B，并记录位置，得到检测图像如图3所示，可以大致判断裂缝的水平位置。

由于使用椭圆法进行数据测量，必须得到椭圆的大小参数，而确定一个椭圆需要确定焦点，和半长轴或者半短轴，以探地雷达接收天线和发送天线的中点为基点，在A点进行进行一次点测，并记录点测时间T1，由公式2a＝v*T1得出所要画的椭圆半长轴数值a；

以A点为坐标原点，以A到B的水平方向为X轴，与地面垂直方向为Y轴建立坐标系，并以探地雷达接收天线和发送天线所在位置为焦点，以a为半长轴做出一个椭圆，则异常点肯定在椭圆曲线上；理论上同一个隐含的裂缝在检测的时候只需两次点测即可通过两侧点测所得到的椭圆交点坐标即为隐含的裂缝所在位置坐标。但在实际测量中往往存在电磁波的损耗，所以在不同位置的电磁波的损耗不同，则影响监测结果，往往进行多次的点测；但由于工作量的问题，过多的检测不仅加大成本，而且会极大地影响效率，对此操作过程中我们通过插值法在较少测量基础上进行便于数据处理放大，具体操作如下：

由于为降低测量劳动量点测总道数较少，需进行插道处理，以利于判断，对上述路基介质我们进行了28道点测记录，对这28道点测记录进行插道数为3的处理后，总记录道数为108道。通过IDSP5.0软件进行计算，得到双曲线到水平线的距离，结果如表2所示。

表2基层裂缝双曲线到水平线的距离

所述的表2未显示第一道记录对应的双曲线的点到水平线的距离，前23道记录有明显异常，但此并不影响对裂缝的探测数据处理，因为在判断裂缝大致位置后，我们是从裂缝大致位置有一段距离的地方开始检测的，这样开始的几道记录对结果的处理没有影响。

表中的记录是做过插道处理后的道记录情况，为保证数据的真实性，应选择原始道记录。由表1知，距离最小且由原始道记录转化的为39、43、47、51，相对应的原始道记录数为 此几道的数据值为椭圆法绘制椭圆提供数据依据。

椭圆个数的选取：当椭圆个数较少时，目标计算的精度较低；当椭圆个数较多时，由于离目标体较远的采样点的电磁波传播损耗过大，影响计算准确度，而且椭圆个数较多导致计算量增大。综合以上因素，将椭圆个数定为3或4。最终椭圆个数的确定，需要根据对称性从实际检测结果出发进行确定。

椭圆个数的确定是由双曲线的对称性决定的，如图4所示，当双曲线顶点即裂缝上端位置位于两个采样点中间附近时，应采用偶数个椭圆，以达到对称抵消误差，提高精度，从而采用4个椭圆绘制；如图5所示，当双曲线顶点离某个采样点较近，与其相邻的另一个采样点较远时，应采用奇数个椭圆绘制，从而采用3个椭圆绘制，这样可以利用对称抵消误差。椭圆个数的确定仍然依赖于点测的结果，可以采用试算法，以点测结果为参考，判断椭圆交点图和交点坐标的异常，以取得较好结果。

根据数据结果绘制四个椭圆得到六个交点，如图6所示，六个交点坐标如表3所示。

表3椭圆交点坐标

交点平均坐标(19.8，3.3)即为目标的坐标位置，

直接根据连续测量和人工点测的图像，以及表2计算结果，为未采用椭圆法进行数据处理，其检测结果如表4所示

表4未采用椭圆法检测结果与实际结果对比分析

与实际结果进行对比分析，如表5所示。

表5椭圆法检测结果与实际结果对比分析

由表5知，交点6存在明显异常。由表3知裂缝上端深度不会达到2.3cm，而且图5中交点分布没有呈现近似的对称性，与双曲线几何特征不符。采用试算法，选择半长轴最小的3个椭圆绘制成第一定位图，将半长轴最小的4个椭圆绘制成第二定位图，观察椭圆交点分布情况，对比第一定位图和第二定位图，将椭圆交点近似呈现对称分布的椭圆图作为最终定位图，将定位图中的椭圆交点的坐标求均值，即得到异常点位置坐标，其横坐标为距离起始探测点A点的水平距离，纵坐标为距离地面的垂直距离。具体的：根据表1的数据，拟采用三个椭圆进行绘制定位，如图7所示，椭圆交点坐标如表6所示。

表6椭圆交点坐标

交点平均坐标即为目标的坐标位置，与实际结果进行对比分析，如表7所示。

表7椭圆法检测结果与实际结果对比分析

椭圆法检测裂缝结果如表7所示，检测到的裂缝位置与实际位置较为接近，准确度有很大提高。椭圆个数的确定采用试算法，以椭圆交点图和交点坐标进行直观对比说明。椭圆个数的确定仍然依赖于点测的结果，应以点测结果为参考，判断椭圆交点图的异常，以取得较好结果。

根据表4和表7的结果对比分析，椭圆法进行数据处理后准确度得到了提高，同时利用椭圆法进行检测基层裂缝，进行定位，精确度较高，水平位置的定位误差达到2.2％，裂缝深度的误差达到22％，从而证明了椭圆法检测半刚性基层裂缝的可行性。

Claims (2)

1.道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法，其特征在于包括以下几个步骤：

A：利用探地雷达探测介质的介电常数ε，通过反演计算，得出实际介电常数值大小ε；所述的反演计算具体为对探地雷达进行预设介电常数值m，对无裂缝道路基层进行一次预点测，读出点测时间t，由于对相同介质，时间确定时，可知预点测得到介电常数与实际介电常数的比值等于对应的介质厚度平方的倒数的比，所以可以通过实际测量基层厚度值得出实际介电常数值大小ε；

B：通过实际介电常数值大小ε，由公式得出探地雷达电磁波在被测介质中的波速值v；

C：利用探地雷达进行连续检测，初步确定裂缝所在的大致位置A-B，并记录；

D:以探地雷达接收天线和发送天线的中点为基点，在A点进行进行一次点测，并记录点测时间t，由公式2a＝v*t得出a；

E：以A点为坐标原点，以A到B的水平方向为X轴，与地面垂直方向为Y轴建立坐标系，并以探地雷达接收天线和发送天线所在位置为焦点，以a为半长轴做出一个椭圆，则异常点肯定为椭圆曲线上一点；F:以S点距,重复步骤E，进行连续点测直至测量到B位置，得到多个椭圆；

G：采用试算法，选择半长轴最小的3个椭圆绘制成第一定位图，将半长轴最小的4个椭圆绘制成第二定位图，观察椭圆交点分布情况，对比第一定位图和第二定位图，将椭圆交点近似呈现对称分布的椭圆图作为最终定位图，将定位图中的椭圆交点的坐标求均值，即得到异常点位置坐标，其横坐标为距离起始探测点A点的水平距离，纵坐标为距离地面的垂直距离。

2.根据权利要求1所述的道路基层隐含裂缝深度和水平位置的无损检测方法，其特征在于：所述的点距S大小为1.5cm。