路面雷达在沥青路面密度和压实度检测中的试验研究

第３１卷，第４期　２　０　０　６年８月　中　南　公　路　工　程　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２　００６　路面雷达在沥青路面密度和压实度检测中的试验研究　王子彬，蔡迎春，郭成超　（郑州大学环境与水利学院，河南郑州４５０００２）　［摘　要］提高沥青路面的压实程度是控制其工程质量重要措施之一。利用混合料的介电常数与其组成的固　体、液态、气态三相体的介电常数的均方根和体积比的关系，通过常规的室内试验，得到介电常数与沥青路面密度、　压实度之间的关系。利用该关系，可用路面雷达快速、实时地检测沥青路面的密实程度，从而实现对沥青路面的施　工过程进行控制。　［关键词］路面雷达；介电常数；密度；压实度　［中图分类号］Ｕ　４１６．０３　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００２—１２０５（２００６）０４—００９６—０３　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　ＷＡＮＧ　Ｚｉｂｉｎ，ＣＡＩ　Ｙｉｎｇｃｈｕｎ，ＧＵＯ　Ｃｈｅｎｇｃｈａｏ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００２，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎｏｒｍａｌ　ｉｎｄｏｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｏｏｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ’ｓ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｏｏｔ　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｏｌｉｄ，ｌｉｑｕｉｄ　ｎａｄ　ｇａｓ．ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ’Ｓ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｄｅ—　ｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ＧＰＲ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ａｎｄ　ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ（ＧＰＲ）；Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ；Ｄｅｎｓｉｔｙ；Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　０　引言　开展了不少研究…。沥青混合料的介电常数与其组　成成分的介电常数存在关系，因此开展介电常数与　沥青路面的厚度、压实度是路面工程质量控制　密度、压实度的研究，利用路面雷达实时分析路面材　和养护管理决策中需要严格控制的指标之一。而传　料的介电常数进而得到密度、压实度，从而实现路面　统的检测方法还主要依赖于钻孔取芯或现场开挖、　的密度、压实度快速检测具有重要实践意义。　手工量测的办法，这些传统的检测方法存在着效率　低、代表性差、破坏性等问题。路面雷达作为一种高　１　基本原理　效、快速、连续、无损的路面检测设备，正在成为路面　根据混合介质介电常数均方根模型，即混合料　检测的一种有力工具。目前路面雷达对于厚度的检　的介电常数的均方根等于其相应组成成分介质的介　测已经得到广泛的应用，而对于密度、压实度的检测　电常数的均方根乘以该介质所占？昆合料的体积比。　还处于探索阶段，本文就路面雷达检测密度、压实度　假定混合料由固态、液态、气态三相体组成，则混合　进行了一定的尝试。　料的介电常数与其组成的三相介质的介电常数的均　路面雷达并不能直接识别出密度、压实度等路　方根和体积比有关　］。　面性能指标。但可以基于介电常数的研究加以实　现，这是因为这些指标的改变将直接导致介电常数　￣／￡　＝０　、／￡　＋０　￣／￡　＋０　￣／￡　（１）　的变化，因此确定介电常数与这些指标之间的相关　式中：ｅ　为混合料的介电常数；ｅ　、ｅ　、ｅ。分别为固　关系是该问题研究的核心内容，国内外围绕这方面　态、液态、气态三相介质的介电常数；０　、０　、０　分别　［收稿日期］２００５　０６　０５　［作者简介】王子彬（１９８０一），男，河南郸城人，硕士研究生，主要从事路面雷达在商等级公路上的研究与应用。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　王子彬，等：路面雷达在沥青路面密度和压实度检测中的试验研究　９７　为固态、液态、气态三相体积比；　显然：０　＋０　＋０。＝１。　对于沥青混合料，固态、液态、气态分别指骨料、　沥青、空气。则沥青混合料的介电常数与其组成成　分的关系：　￣／￡。　＝０　￣／￡　十０　、／／　＋Ｏａｆｒ　Ｘ／￣ａｉｒ　（２）　式中：ｅ　、ｅ　、ｅ　、ｅ　分别为沥青混合料、骨料、沥　青、空气的介电常数；０　、ｅ　、ｅ　分别为骨料、沥青、　空气的体积比；这里：０。＋０　＋０。　＝１。　沥青混合料密度公式如下：　ｙ。。　＝ｙ　＋ｙ∞　＋ｙ。ｉｒＶａ　（３）　式中：ｙ。。，　分别为混合料的密度与总体积；ｙ　，　分别为沥青的密度与体积；ｙ　，　分别为骨料的　密度与体积；７　，　分别为空气的密度与体积。　考虑到混合料中空气的质量远小于固体颗粒的　质量与沥青的质量，则有：　ｙ　Ｖａ　＝ｙ　＋ｙ　（４）　Ｖ　ａｅ　（５）　７　７　７　７　７　２　２　常见骨料、沥青、空气的介电常数、密度见表１。２　２　２　２　２　８　　８　表１　常用路面材料的介电常数、密度　Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｐａｖｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　当已知各组成成分的体积比、介电常数及其密　２　２　２　２　２：度，根据式（２）和式（５）可计算出混合料的介电常数　６　６　６　６　６　＝兮　和密度，结果见表２。　由上表可以看出，当空气的体积比越来越大（骨　料的体积比越来越小）时，沥青混合料的密度和介电　常数随之越来越小。实际工程中沥青混合料油石比　相对较稳定，对于新铺沥青面层其含水量微弱。因　此，当沥青混合料介电常数较小时，可以肯定其空气　含量大、密度小。路面雷达正是利用沥青混合料的　介电常数、体积比、密度三者之间的内在联系，实现　密度、压实度的快速检测。　２沥青混合料介电常数与密度、压实度关系　的试验研究　为了进一步寻求沥青混合料介电常数与密度之　间的关系，针对工程中常见的沥青混合料的不同设　计，进行了介电常数与密度的相关试验。其中介电　常数利用Ａｄｅｋ的Ｐｅｒｅｏｍｅｔｅｒ介电常数测试仪进行测　表２沥青混合料介电常数和密度随其组成成分变化的　试算结果　Ｔａｂｌｅ　２　Ｐｉｌｏｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｓ　ｉｉｌａｋｅｓ　ｕｐ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　路面材料　介电常数　体积比，％　密度，（ｇ・ｃｍ一　）　６．３０　２．３９３　５　５９　２．３ｌ５　沥青混合料　５．２４　２．２３８　４．７８　２．１６ｏ　４．３４　２．０８３　９０　８５　骨科　８０　７５　７０　沥青　５　ｌ０　空气　ｌ５　２０　２５　２　２　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　量，沥青混合料的密度利用沥青混合料密度的试验　８　８　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　方法（蜡封法、体积法）　进行测量。　２．１　试验１　沥青混合料按ＡＣ一１３Ⅱ和ＡＣ一１６　Ｉ及油石比　４％、５％、６％设计Ｈ　，矿料级配组成见表３。按照沥　青混合料试件制作方法　制作试件，试件尺寸为中　１０１．１　ｌ　６　ｍｍ×６３．５　ｍｍ圆柱体试件。试件制备完成　后，首先采用介电常数测试仪测定试件介电常数，最　∞∞　后由蜡封法和体积法分别测得试件毛体积相对密　度，结果见图１。　２．２　试验２　某高速公路改性沥青介电常数与密度的试验：　表３沥青混合料矿料级配（方孔筛）　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｏｆ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｍｉｘｔｕｒｅ　（ｓｑｕａｒｅ　ｈｏｌｅ　ｓｉｅｖｅｓ）　２　８　∞维普资讯 http://www.cqvip.com

９８　中南公路工程　第３１卷　５　４　４　赫船　３　３　２　２　∞∞∞∞∞∞∞　毛体积相对密度（蜡封法）　毛体积相对密度（体积法）　图１沥青混合料介电常数与密度的相关关系　Ｆｉｇｕｒｅ　ｌ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｅｌｅｃｔｉｒｃ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｒ—　ｍａｌ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｍｉｘｔｕｒｅ　利用钻芯取样方法现场获取沥青混合料试样，分别　用介电常数测试仪和水中重法得到其介电常数和密　度，上面层和中面层的试验结果见图２。　图２某改性沥青面层介电常数与密度相关关系　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ—ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　２．３试验３　介电常数与压实度试验：利用介电常数测试仪　和核子密度仪分别测试某旧沥青路面的介电常数和　压实度，结果见图３。　图３介电常数与压实度相关关系　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｃ—　ｌｉｏｎ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　由上述试验可以发现沥青混合料的介电常数与　密度、压实度存在一定的关系，利用常规试验得到该　关系后，可用路面雷达快速、实时地检测沥青路面的　密度或压实度。　应用实例１：　利用介电常数与密度的室内相关试验结果，对　某机场道面沥青压实度的检测，检测结果见图４。　由上图可以看出，沥青道面的压实度的路面雷　达检测结果与钻芯值吻合较好。　应用实例２：　图４路面雷达对沥青遒面施工过程中压实度测试结果　与钻芯值对比　Ｆｉｇｕｒｅ　４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＧＰＲ　ｄｅｔｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｎｄ　ｃｏｒｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　根据现场试验得到介电常数与密度的相关关　系，并进行路面雷达密度检测，下面是某沥青路面面　层的对比试验结果：　介电常数与密度的相关关系为：　ｄ＝０．０７１　６￡＋１．８２０　２　式中：￡为沥青路面面层的介电常数；ｄ为沥青路面　面层的密度。　雷达测试值与室内试验值见表４。　表４路面雷达沥青混合料密度测试结果对比　Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｏｍｐａｒｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｓｔｅｄ　ｂｙ　ＧＰＲ　ｏｆ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　雷达测试值与室内试验值的相关系数为：Ｒ　＝　０．８３７　３，其相关性较好。　３　结语　研究表明，结合室内试验所得到的介电常数和　（下转第１０１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　胡庆立，等：基于ＦＲＰ—ＯＦＢＧ复合智能筋的基桩内力监测　Ｌ二　１０１　ｂ　底后抽水完成时，实际增加的竖向静荷载的总量约　北岸２　为３６４００ｔ，平均至各桩为１　２１３　ｔ。所监测的２根基　桩轴向力约大于平均值１４０　ｔ，原因在于群桩效应，　上游１　该效应使边桩所承担的竖向力大于内部基桩。从所　监测两根基桩各自的上下游传感器应变数值来看，　应变增量有差异但很小，表明在这两个时间点之间　基桩弯矩变化不大，原因在于套箱水平定位的锚索　南岸４　一直没有解除，水流速度变化也不大，即作用于基桩　图５传感器在基桩横断面内平面位置　的水平荷载变化不明显。基桩传感器在运营阶段作　表１基桩监测数据　用是：监测基桩内力；风载、车辆荷载等作用下的基　桩响应。　［６］　陈志坚．江阴大桥南塔墩地基基础安全监控模型［Ｊ］．岩土＿［程　技术，２００１，（１）：４１—４４．　［７］Ｚｈｏｕ　Ｚ．ＯＵ　Ｊ．Ｐ．ａｎｄ　Ｗａｎｇ　Ｂ．Ｓｍａｒｔ　ＦＲＰ—ＯＦＢＧ　ｂａｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　［参考文献］　杨林德．岩土工程问题的反演理论与工程实践［Ｍ］．北京：科学　出版社．１９９６．　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｎｆｒａｓｔｕｃｔｒｕｒｅｓ，１３—１５。Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００３，　贾延刚，曹大明，杨建宏．地下工程智能监测系统的开发和应用　［Ｊ］．铁道标准设计，２００４，（８）：５２～５４．　Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ．Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｍａ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ。Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：８６１　～８６６。２００３．　赵锡宏，陈志明，胡中雄．高层建筑深基坑围护工程实践与分析　［Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９９５．　李永盛．城市基坑工程施工监测及其环境监测（一）［Ｊ］．建筑施　工，１９９９，２１（１）：５９～６３．　［８］《桩基工程手册》编写委员会．桩基＿丁程手册［Ｍ］．北京：中国建　筑工业出版社．１９９５．　［９］胡人礼，桥梁桩基础分析和设计［Ｍ］．北京：人民铁道出版社．　１９７６．　左明福．黄石长江公路大桥５号主墩基础施工［Ｊ］．桥梁建设，　１９９４，（４）：４８　５２．　［１０］　中华人民共和国交通部标准．公路桥涵设计规范（合订本）　［Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９８９．　（上接第９８页）　密度、压实度的关系，利用路面雷达检测路面结构的　［参考文献］　［１］　郭成超．路面结构层材料介电特性反演及路面雷达应用［Ｄ］．　郑州大学硕士学位论文，２００４．　密度、压实度是可行的，其精度可以达到工程要求，　同时可以满足快速、无损、连续地检测全线路面工程　质量状况，能够达到评定路段密度、压实度的目的。　［２］孙宇瑞．非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究［Ｄ］．中　国农业大学博士学位论文，２０００．　［３］　圳０５２—２０００。公路工程沥青及沥青混合料试验规程［Ｓ］．　［４］　删０１４—９７，公路沥青路面设计规范［Ｓ］．　采用路面雷达技术检测高速公路路面结构具有广阔　的应用前景。