Study on wave field characteristics of GPR to loose asphalt mixture

ShiLi GUO; WenCai CAI; PengFei TIAN; GuangHua YUE; MingYu YU

doi:10.6038/pg2024HH0259

Progress in Geophysics >

2024 , Vol. 39 >Issue 4: 1620 - 1627

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0259

Study on wave field characteristics of GPR to loose asphalt mixture

ShiLi GUO ^,¹ ,
WenCai CAI ² ,
PengFei TIAN ² ,
GuangHua YUE ² ,
MingYu YU ¹

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¹ College of Environment and Biological Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China
² Henan Wanli Transportation Technology Group Nondestructive Testing Reinforcement Technology Co., Ltd., Xuchang 461001, China

Received date: 2023-07-13

Online published: 2024-09-29

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Abstract

Loose asphalt concrete is a commonly encountered defect in road surface layers, often leading to premature issues such as pavement cracking and potholes, thereby compromising the overall performance and lifespan of the road. Leveraging the statistical characteristics of asphalt concrete's multiphase, discrete, and random distribution, we employed a quantitative constraint multiphase discrete random medium modeling approach to develop models of asphalt concrete loosening with varying porosity rates. Additionally, we conducted GPR (Ground Penetrating Radar) forward modeling to investigate the GPR wavefield characteristics and intuitive diagnostic techniques associated with loosening. Our research findings reveal that, in comparison to traditional layered uniform medium models, the multiphase discrete random medium model offers a more precise portrayal of the actual state of asphalt concrete loosening. Furthermore, its numerical simulation outcomes align more closely with measured radar data. As the degree of asphalt concrete loosening increases, the inhomogeneity of the medium becomes more evident, resulting in a stronger amplitude of the corresponding GPR wave, a more chaotic waveform, more intense variations in regional amplitude curves, and more prominent diffraction waves on both sides. By analyzing the GPR waveform chaos, amplitude intensity, and intensity of change, we can more intuitively and accurately identify loose areas in asphalt concrete, qualitatively assess the degree of loosening, and provide a solid foundation for targeted treatment and repair measures.

Cite this article

ShiLi GUO , WenCai CAI , PengFei TIAN , GuangHua YUE , MingYu YU . Study on wave field characteristics of GPR to loose asphalt mixture[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(4) : 1620 -1627 . DOI: 10.6038/pg2024HH0259

0 引言

道路结构层属于典型的层状介质，从上到下依次为面层、基层和路基.由于沥青混凝土路面具有平整度好、耐久抗滑、减振吸声、行车舒适等优点，且便于分期、分层铺筑和再生利用，是目前我国道路最主要的路面结构形式.在沥青路面施工期间，如果碾压不充分，将导致沥青混凝土压实度不足，密度偏小，空隙率过大，水分会渗入沥青面层甚至基层和路基，加速沥青老化、剥落，影响沥青混凝土的耐久性、抗老化性和抗水害能力(凌天清等，2019)，导致沥青混凝土出现松散病害(孙通等，2019).松散破碎是沥青混凝土面层的常见病害.松散病害区域的压实度不足，空隙率过大，透水性较强，骨料与胶浆材料之间的结合力和稳定性较低，无法形成稳定可靠的嵌挤结构.在车辆动载的反复作用下，松散病害将引起路面网裂、坑槽等早期破坏，严重影响道路的使用性能，缩短使用寿命，威胁行车安全，甚至诱发交通事故.

探地雷达具有精度高、效率高、连续无损、实时成像、结果直观等优点(Tong et al., 2020; 郭士礼等，2021)，是目前长距离、工程化、高效无损检测道路质量的主要技术方法.通常情况下，将道路结构层等效为层状均匀介质(Diamanti and Redman, 2012)，而实际上，沥青混凝土和水泥稳定碎石是由颗粒状骨料、胶浆材料和空气等多种物质按照一定的体积比例关系拌和后，经分层摊铺和碾压而成的层状体系结构，其各组成物质的体积含量不等、粒径多尺度、几何形状各异、电磁性质不同、空间位置随机分布，属于典型的多相离散随机介质(郭士礼等，2015).探地雷达发射的高频电磁波在沥青混凝土介质中传播时，会受到不均匀骨料的影响，发生明显的散射，造成大量不相干波至，与传统的均匀层状介质探地雷达数值模拟结果存在显著差异.因此，道路结构层不能简单的等效为层状均匀介质.常规的确定性建模方法无法准确、完整地描述实际介质的随机非均匀性.奚先和姚姚(2005)等将介质的物性参数作为空间随机变量，基于统计学方法描述其空间随机非均匀分布特征，其基本特性可由统计量参数表征(徐涛等，2007)，包括均值、标准差和椭圆自相关函数，其中均值表征随机介质的平均特性，标准差表征随机介质的离散程度，高斯型、指数型和混合型椭圆自相关函数被广泛用于构造随机介质模型(赵迎月等，2013；饶颖等，2020).随机介质模型所描述的物性参数在介质空间上连续地随机分布，故又称为连续型随机介质模型.连续型随机介质模型能较好的反映大尺度背景场上附加的小尺度非均匀性和统计学特征(韩颜颜等，2015)，而沥青混凝土的电磁参数不仅在空间上具有随机分布统计特征，而且其各组成物质的体积含量百分比还需要符合一定的比例关系，因此，传统的连续型随机介质模型无法对其进行准确、有效描述.冯德山和王珣(2016)借助工程材料中的“数值混凝土概念”，构建了以骨料和砂浆为组成材料的双相离散随机骨料结构混凝土模型，使其在物质组成材料参数、骨料形态及分布上与真实的混凝土更具一致性，为更加真实地模拟探地雷达波在此类复杂介质中的传播过程，获得更逼近实测雷达数据的数值模拟结果，提供了高逼真的介质模型基础.

本文依据电磁参数在沥青混凝土、水泥稳定碎石和填土路基中的实际分布特征，建立符合道路结构层实际情况的层状多相离散随机介质模型，使其在物质组成、电磁参数、病害形态及空间赋存状态上与真实的道路结构层及其病害在统计学意义具有高度一致性.在此基础上，构建不同松散程度的沥青混凝土多相离散随机介质模型，进行探地雷达正演模拟，研究不同松散程度的沥青混凝土对应的探地雷达波场统计学特征，为更直观、更准确的诊断沥青混凝土材料松散提供理论依据.

1 道路结构层介质模型及数值模拟

我国的高速公路、国省干道等高等级道路主要采用沥青面层和半刚性基层的组合式路面结构(房娜仁等，2021).沥青混凝土以沥青胶浆(沥青+矿粉)作为胶结和填充材料，水泥稳定碎石以水泥无机结合料作为胶结和填充材料.沥青混凝土和水泥稳定碎石作为典型的多相非均质混合物，其介电常数是混合物微观结构的综合效应和宏观表征.依据线性模型、均方根模型等混合物介电常数经验模型，沥青混凝土和水泥稳定碎石等混合物的介电常数主要取决于颗粒状骨料、胶浆材料和空气等各组成物质的体积占比及其介电常数.由于沥青胶浆的介电常数较小，水泥无机结合料的介电常数较大，而沥青混凝土和水泥稳定碎石中的颗粒状骨料(粗、细集料)材质类型和介电特性相同，仅颗粒粒径大小不同.因此，水泥稳定碎石的介电常数大于沥青混凝土，而填土路基的介电常数最大.因此，对于道路结构层，其介电常数从上至下依次增大，反射系数为负.

依据电磁参数在沥青混凝土和水泥稳定碎石空间上多相、离散和随机分布统计特征，在连续型随机介质模型建模算法的基础上，增加了调节多相混合物各组成物质体积含量百分比的模型参数，提出了量化约束多相离散随机介质模型建模算法(郭士礼等，2015).该算法能够实现任意调节和量化控制混合物中颗粒状骨料、胶浆材料和空气/水等各组成物质的体积含量百分比，通过为各组成物质赋予相应的介电常数、电导率和磁导率等电磁参数，从而建立不同空隙率的多相离散随机介质模型.多相离散随机介质与真实的沥青混凝土、水泥稳定碎石等道路结构层材料在物质组成、体积占比、电磁参数空间随机分布统计特征等方面具有高度一致性，为更加真实地模拟探地雷达波在此类复杂介质中的传播提供更加理想的介质模型.基于高斯型椭圆自相关函数，以表 1所示的各组成物质电磁参数及其体积含量百分比作为多相离散随机介质模型参数，建立空间步长为2 mm，自相关长度a、b分别设置为a=b=1 cm、a=b=1.5 cm和a=b=0.2 cm的多相离散随机介质模型，作为沥青面层、水泥稳定碎石基层和填土路基等道路结构层对应的介质模型，其多相离散随机介质介电常数分布图及其对应的均值层状均匀介质模型如图 1所示.

表1 道路结构层多相离散随机介质及对应均值模型参数

Table 1 Multiphase discrete random medium model parameters of road structural layer and its corresponding mean model

层位	厚度/m	骨料		胶浆		空隙率/%	胶浆与骨料体积之比/%	均值
层位	厚度/m	介电常数	电导率	介电常数	电导率/(S/m)	空隙率/%	胶浆与骨料体积之比/%	介电常数	电导率/(S/m)
面层	0.18	9	0.001	4.5	0.003	4	35	7.56	0.0015
基层	0.36	9	0.001	8.5	0.003	5	35	8.4769	0.0019
路基	—	12	0.005	—	—	5	—	11.45	0.0095

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图1 道路结构层多相离散随机介质模型(a)及其对应的层状均匀介质模型(b)

(a)空隙率=10%;(b)空隙率=20%;(c)空隙率=30%.

Fig 1 Models of multiphase discrete random medium (a) and homogeneous layered medium (b) in road structure layer

设道间距为2 cm，激励源中心频率为900 MHz，记录时间为20 ns，采用时域有限差分法进行探地雷达正演模拟，图 1模型的自激自收雷达剖面如图 2所示.

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图2 道路结构层多相离散随机介质(a)及其对应的均匀层状介质(b)探地雷达剖面图

Fig 2 GPR profiles of layered multiphase discrete random medium model (a) and homogeneous layered medium model (b)

从图 2中可以看出，由于道路结构层的介电常数从上至下依次增大，故沥青面层与水泥稳定碎石基层、水泥稳定碎石基层与填土路基之间分界面处的反射系数为负，致使其雷达反射波极性与入射波相反.但层状均匀介质模型正演剖面中的反射波同相轴平直连续无起伏、振幅均匀无变化，相比较而言，探地雷达高频电磁波在多相离散随机介质中传播时存在明显的电磁散射现象，随机、无序传播的散射波相互干涉叠加，致使接收波形也具有相应的随机扰动特征和“噪声”，其正演剖面中的反射波同相轴出现扭曲变形、上下略有起伏、连续性较差、振幅强弱不均，与道路结构层实测剖面更相符，更有利于指导探地雷达实测剖面的数据解译.

2 沥青混凝土材料松散病害探地雷达波场特征分析

空隙率变化是影响沥青面层介电特性的主要因素(程博文等，2020).沥青混凝土越松散，其空隙率越大，且随着沥青混凝土空隙率的增大，胶浆与骨料的级配不变，但两者的体积占比在保持相同比率的情况下同比例减少，基于此可以建立不同空隙率的沥青混凝土多相离散随机介质模型.为了对比研究不同松散病害程度的探地雷达波场特征，在层状多相离散随机介质道路结构层模型中，深度为11~18 cm，水平剖面距离为0.8~1.2 m的范围内设置空隙率分别为10%, 20%和30%的松散类病害区域，其松散病害区域对应的相对介电常数均值分别为7.1501、6.4667和5.7834，与上层非松散区域介质介电常数均值的差值率分别为5.42%、14.46%和23.5%, 介质模型如图 3所示.其对应的探地雷达数值模拟剖面如图 4所示.

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图3 沥青面层松散病害模型图

Fig 3 Loose model of asphalt mixture

(a)Porosity=10%;(b)Porosity=20%;(c)Porosity=30%.

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图4 沥青面层松散探地雷达剖面图

(a)空隙率=10%;(b)空隙率=20%;(c)空隙率=30%.

Fig 4 GPR profile of loose asphalt pavement

(a)Porosity=10%;(b)Porosity=20%;(c)Porosity=30%.

从沥青面层松散介质模型图(图 3)及其对应的探地雷达剖面图(图 4)可以看出，随着松散病害区域中沥青混凝土空隙率的增加，其介质越不均匀，材料越松散，对应的介电常数均值越小，与周围介质的介电特性差异越大，其对应的探地雷达剖面图中的振幅强度随之增强、波形杂乱程度随之增加、松散病害区域边缘绕射现象愈发明显.

为了研究松散病害区域探地雷达波场特征，去除图 4中层状多相离散随机介质道路结构层模型对应的探地雷达剖面(图 2a)，得到仅包含松散病害区域对应的探地雷达剖面图，如图 5所示.从图 5中可以看出，当电磁波由上层密实区域进入松散病害区域时，其反射系数为正，反射波与入射波相位相同，但振幅强度差异很大.如当空隙率为10%时，其对应的反射系数为0.0139，此时反射系数较小，反射振幅强度较弱，且反射波与周围介质还存在干涉叠加现象，致使图 5中反射波与入射波同相位特征并不明显.但当空隙率为20%和30%时，其对应的反射系数分别为0.039和0.0669，此时反射波振幅明显增强，致使图 4中松散病害区域上边缘的反射波相位特征比较突出，此特征有助于识别和圈定松散病害区域.

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图5 沥青面层松散探地雷达波场特征

(a)空隙率=10%;(b)空隙率=20%;(c)空隙率=30%.

Fig 5 GPR wave field characteristics of loose asphalt pavement

(a)Porosity=10%;(b)Porosity=20%;(c)Porosity=30%.

对于实际的探地雷达剖面图，无法去掉道路结构层所对应的探地雷达剖面图，无法得到仅包含松散类病害区域所对应的探地雷达剖面图，因此，只能通过波形杂乱程度和振幅强度来圈定散射病害区域及其松散程度.在选择统计范围时，应尽量避免界面反射波的影响.选取图 2和图 4中的时窗2~4 ns范围进行振幅强度统计，其振幅强度统计结果如图 6所示.

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图6 振幅强度随沥青面层松散程度变化曲线

Fig 6 Variation curve of amplitude strength with loose degree of asphalt pavement

从图 6中可以看出，虽然松散病害区域的实际范围为0.8~1.2 m，但由于松散病害区域存在绕射波，因此其对应的探地雷达剖面图中的振幅强度曲线异常范围比实际病害区域的范围更大.且松散程度越高，其振幅强度越大，波形变化也更剧烈，据此可以准确圈定病害区域范围，并可以根据不同区域振幅强度变化大小，直观对比空隙率的大小，为采取针对性的处治修复措施提供依据.

3 沥青混凝土材料松散雷达实测数据分析

某国道的道路结构层结构从上至下依次为20 cm的沥青混凝土面层、18 cm的水泥稳定碎石半刚性基层和填土路基.采用主频为900 Mhz的屏蔽型地面耦合天线，探测其沥青混凝土面层内部松散情况.采集参数分别为：采样时窗为20 ns，时间采样间隔为0.0585 ns，道间距为3.5 cm，获得的探地雷达原始数据剖面如图 7所示.受波前扩散、吸收衰减和反射透射等因素的影响，雷达波能量随着传播距离的增加而指数下降，迅速衰减.在图 7所示的雷达剖面图上，浅层介质的回波能量大、振幅强，而深层介质的回波能量小、振幅弱，雷达剖面中的深部信息辨识性不强.图 8a是图 7中Distance为15 m处的一道雷达数据.图 8a中9 ns与13 ns附近的2个反射波振幅微弱，反射波同相轴模糊不清.为此，采用与雷达波衰减物理机制相符的SEC(Spreading Exponential Compensation)增益，对雷达波振幅进行补偿，SEC函数如图 8b所示.图 8c为图 8a经SEC振幅补偿后的波形图，从中可以看出，经SEC振幅补偿后，9 ns和13 ns附近的2个反射波振幅得到了显著增强，反射波清晰可见.图 9为经SEC振幅补偿后的探地雷达剖面图，与图 7所示的雷达剖面图相比，处理后雷达剖面图的辨识度明显增强.

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图7 探地雷达原始数据剖面

Fig 7 GPR raw data profile

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图8 SEC振幅补偿前后单道波形图

Fig 8 Single trace waveform before and after SEC amplitude compensation

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图9 SEC振幅补偿后的探地雷达剖面图

Fig 9 GPR profile after SEC amplitude compensation

以图 9中的5.4~7.8 ns时间段(黑色虚线之间的时间区域)为统计区域，对雷达各道数据该时间段内的采样点振幅绝对值求和，并归一化后的区域振幅曲线变化情况如图 10所示，可以看出，10.8~16.2 m范围内的振幅明显增强，变化剧烈，能够更清晰、直观地显示出该区域沥青混凝土材料松散.正常道路的各结构层间粘结成一个整体，使路面结构具有连续性，具有较好的防水性，故正常道路的波组特征表现为面层与基层、基层与路基之间分界面的雷达反射波极性与入射波极性相反，其同相轴连续、稳定，幅度均匀，反射波能量和振幅稳定.而图 9中松散病害下方的沥青混凝土面层与水泥稳定碎石半刚性基层分界面处的反射波同相轴(白色虚线内)振幅明显增强，说明该分界面处已出现层间粘结不良，需要采取针对性的处治修复措施.

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图10 时间连续区域振幅变化统计曲线

Fig 10 Statistical curve of amplitude change in time-continuous area

4 结论

沥青混凝土材料松散是道路面层常见的典型病害.沥青混凝土材料越松散，其空隙率越大、介电常数越小、介质越不均匀、物性差异越大，与传统的层状均匀介质相比，层状多相离散随机介质模型能更准确的描述沥青混凝土材料松散病害的真实状态.随着沥青混凝土材料松散程度的加剧，探地雷达散射波和反射波越强，波形越杂乱，振幅变化越剧烈，两侧绕射波越明显.层状多相离散随机介质模型的数值模拟结果更符合实测雷达数据，对解译沥青混凝土材料松散更有指导意义.根据探地雷达波的杂乱程度和振幅变化剧烈程度，能够更直观、准确的定位沥青混凝土材料松散区域，定性对比沥青混凝土的松散程度，为采取针对性的处治修复措施提供依据.

感谢审稿专家提出的修改意见.

References

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Cheng

B W

, Luo

, Sun

. Interpretation and analysis of ground penetrating radar images of road subsidence and loose diseases. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2020, 44(4): 728 732

Diamanti

, Redman

. Field observations and numerical models of GPR response from vertical pavement cracks. Journal of Applied Geophysics, 2012, 81 106-116

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0 引言

1 道路结构层介质模型及数值模拟

表1 道路结构层多相离散随机介质及对应均值模型参数

图1 道路结构层多相离散随机介质模型(a)及其对应的层状均匀介质模型(b)

图2 道路结构层多相离散随机介质(a)及其对应的均匀层状介质(b)探地雷达剖面图

2 沥青混凝土材料松散病害探地雷达波场特征分析

图3 沥青面层松散病害模型图

图4 沥青面层松散探地雷达剖面图

图5 沥青面层松散探地雷达波场特征

图6 振幅强度随沥青面层松散程度变化曲线

3 沥青混凝土材料松散雷达实测数据分析

图7 探地雷达原始数据剖面

图8 SEC振幅补偿前后单道波形图

图9 SEC振幅补偿后的探地雷达剖面图

图10 时间连续区域振幅变化统计曲线

4 结论

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