УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ АСФАЛЬТОБЕТОНА (БЕТОНА) НА БАЗЕ ГЕОРАДАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Асфальтобетон (бетон) является одним из наиболее дорогих материалов в конструкциях дорожных одежд, поэтому очевидно стремление дорожников обеспечить соответствие толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев проектным данным. Метод отбора кернов монолитных материалов позволяет выборочно контролировать толщину асфальтобетонных (бетонных) слоев после их устройства, при этом негативно влияет на долговечность дорожной конструкции, является ресурсоемким и приводит к существенным издержкам пользователей автомобильных дорог высокой интенсивности движения. Устройство для определения толщины асфальтобетона (бетона) на базе георадарного оборудования предлагается в качестве альтернативы отбору кернов при георадиолокационных измерениях.
Полезная модель описывает устройство, изготовленное на базе георадарного оборудования, применяемое в основном для измерения толщины пакета и отдельных асфальтобетонных (бетонных) слоев дорожной одежды на автомобильных дорогах и взлетно-посадочных полосах аэродромов в ходе операционного и приемочного контроля при выполнении дорожно-строительных работ. Но может применяться и для определения толщины слоев основания дорожной одежды в ходе послойного их устройства. Техническим результатом применения данного устройства является повышение точности измерения толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев не разрушающим способом, которое обеспечивается измерениями в режиме годографа и высокой плотностью точек годографа за счет использования раздвижного кронштейна (в т.ч. с узким диапазоном хода), при этом применяется исключительно бесконтактный (рупорный антенный) блок, оснащенный всего одним приемником и одним передатчиком.
Способ измерения толщины слоев подповерхностной среды, основанный на работе георадара в режиме годографа (когда передатчик перемещается относительно приемника), является довольно известным [1], однако он применялся для решения задач инженерной геологии (определение толщины слоев естественной геологической среды) с использованием контактных (грунтовых) антенных блоков.
Годограф отраженной волны описывается уравнением (1) [1].
где t - время прихода электромагнитной волны в точку на оси синфазности, снятое с радарограммы;
h - толщина слоя;
х - расстояние от передающей антенны до приемной;
V - скорость распространения волн в слое.
Поскольку величины h и V являются неизменными для узкого диапазона обследуемой среды, имея 2 точки годографа и более можно выразить величину h. Предлагаемое устройство позволяет получить большое количество точек годографа (в т.ч. в узком диапазоне обследуемой среды), что повышает точность измерения толщины слоев асфальтобетона (бетона). Стоит отметить, что при осуществлении измерений в режиме годографа оцениваются прямые, а не косвенные зависимости, наряду с использованием бесконтактных (рупорных) антенн это позволяет минимизировать погрешность определения толщины слоев асфальтобетона (бетона).
Измерение толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев дорожной одежды с помощью георадарного оборудования в настоящее время, преимущественно, осуществляется либо по методу георадиолокационного профилирования с заверкой путем отбора кернов, либо по методу амплитуд. В обоих случаях применяют бесконтактные (рупорные) антенные блоки георадара, в которых приемник и передатчик сигнала неподвижны относительно друг друга (измерения на постоянной базе). Такая конструкция антенного блока позволяет получать непрерывный разрез подповерхностной среды с заданным шагом зондирования, обеспечивает возможность контроля относительного изменения толщины слоя, но не позволяет определять его абсолютные значения без заверки буровыми работами.
В ходе измерений по методу георадиолокационного профилирования с определенной периодичностью по трассе осуществляется отбор кернов, который позволяет локально получать фактические значения толщины слоев и относительно этих значений определять глубину заложения подошвы слоев при помощи георадара. При этом существенно снижаются межремонтные сроки дорожных конструкций, на период бурения приходиться перекрывать полосу движения, в кратчайшие сроки к местам пройденных вырубок необходимо доставлять равнопрочный материал для их заделки, а на покрытии искусственных сооружений отбор кернов не допускается вовсе.
При использовании метода амплитуд [2] бесконтактный (рупорный) антенный блок георадара вывешивают над металлическим листом и выполняют георадиолокационные измерения. Затем осуществляют традиционные измерения методом георадиолокационного профилирования или зондирования. В ходе указанных процедур измеряют амплитуду отраженного сигнала от металлического листа и поверхности асфальтобетонного покрытия. Расчет толщины асфальтобетонных слоев при измерениях методом амплитуд производится по общеизвестной формуле (2) [2].
где, h - толщина слоя;
с - скорость света в вакууме;
Δt - двойное время пробега волны;
ε - диэлектрическая проницаемость.
При этом диэлектрическая проницаемость определяется по формуле (3) [2].
0
где, А - амплитуда отражения от поверхности асфальтобетонного покрытия;
м
А - амплитуда отражения от поверхности металлической пластины.
Недостатком таких измерений является относительная точность данных, поскольку для определения толщины слоя используются не прямые, а косвенные зависимости. Кроме того, метод амплитуд позволяет определять толщину лишь первого слоя относительно поверхности.
Известен ряд других приборов и устройств измерения толщины асфальтобетонных слоев.
Существует прибор оперативного контроля толщины и качества дорожных покрытий, разработанный М.И. Фильковским и Ю.А. Дашевским [3], [4]. Прибор работает по принципу бурового зондирования (определяется удельное сопротивление слоев). Осуществляется бурение с покрытия и с помощью математического алгоритма, записанного в блок обработки прибора, на основании полученных значений удельного сопротивления происходит построение графиков, по которым возможна интерпретация и картирование разреза по слоям. Несмотря на малый диаметр бура (0,8 см), прибор относится к разрушающим, при этом его применение сопровождается теми же недостатками, связанными с ограничением движения и необходимостью заделки вырубок.
Известно устройство для определения толщины асфальтобетонных слоев, работающее по принципу емкостного способа [5]. В данном случае слой асфальтобетона рассматривается как конденсатор, а по его емкости можно судить о геометрических размерах, в том числе и толщине. Для получения результатов требуются базы предварительно рассчитанных зависимостей емкости от расстояния между электродом и поверхностью покрытия. В свою очередь на расчетные значения существенным образом будет влиять геометрия слоя, подстилающего асфальтобетонный слой, а он скрыт и не доступен для прямых измерений. Указанное обстоятельство является ограничением практического применения данного устройства.
За рубежом для определения толщины асфальтобетонных слоев применяют устройства производства MIT Mess- und  GmbH (Германия) [6]. Данные устройства подобно георадарам излучают в дорожную конструкцию электромагнитный импульс, но для расчета толщины слоя им требуется металлический отражатель на границе раздела слоев, заложенный в конструкцию еще на этапе строительства. Поэтому применение подобных приборов на эксплуатируемых дорогах, без интегрированных отражателей становиться нецелесообразным.
В последние годы становятся очень перспективными георадары, антенные блоки которых содержат большое количество приемников и передатчиков, например 3-D Radar (Норвегия) [7]. Именно эти приборы являются наиболее близкими аналогами предлагаемого устройства. За счет большого количества приемников и передатчиков они могут эмитировать работу георадара в режиме годографа, при этом сами приемники и передатчики остаются неподвижными относительно друг друга. Плотность точек годографа определяется количеством приемников и передатчиков, а также расстоянием между ними. Неподвижная конструкция не позволяет получать такую плотность точек годографа, в т.ч. в узком диапазоне обследуемой среды, как посредством использования перемещающихся относительно друг друга приемника и передатчика, при этом наиболее существенным недостатком является высокая себестоимость подобных систем.
В основу полезной модели положена задача создания производительного неразрушающего устройства, обеспечивающего возможность определения толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев дорожной одежды с минимальными погрешностями измерений, не требующего дополнительных калибровок, не имеющего ограничений по конструктивным особенностям дорожной одежды, имеющего максимально простую и надежную конструкцию, позволяющего решать указанные задачи при минимальной себестоимости его производства.
С целью решения поставленных задач устройство для определения толщины асфальтобетона, представляющее собой георадар с бесконтактным (рупорным) антенным блоком, будет отличаться тем, что в антенном блоке будет всего один приемник и один передатчик, расстояние между которыми будет изменяться в процессе измерений за счет использования раздвижного кронштейна (в т.ч. с узким диапазоном хода).
При этом устройство может устанавливаться на автомобиль (мототехнику), каток или тележку, буксируемую оператором.
Кроме того устройство может быть произведено по типу моноблок (антенный блок, блок управления, блок обработки, датчик перемещения и блок питания в одном корпусе), либо состоять из отдельных компонентов. При этом приемник и передатчик рупорного (бесконтактного) антенного блока, закрепленные на раздвижном кронштейне, могут быть установлены в едином корпусе, либо иметь отдельные корпуса.
Кроме того, устройство может работать как в режиме годографа, так и по методу георадиолокационного профилирования или зондирования (когда во время измерения расстояние между приемником и передатчиком не изменяется). При этом георадиолокационные измерения в режиме годографа могут производиться по способу общего пункта возбуждения (взрыва), общего пункта приема и по методу общей глубинной точки.
Устройство позволит повысить точность измерения толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев за счет более высокой плотности точек годографа (в т.ч. в узком диапазоне обследуемой среды), при этом использование всего одного приемника и одного передатчика позволят обеспечить более простую конструкцию устройства и минимальную себестоимость его производства.
На фиг. 1 показан рупорный (бесконтактный) антенный блок 1 устройства по измерению толщины асфальтобетонных (бетонных) слоев, закрепленный на автомобиль 2 при помощи подвески 3 с раздвижным кронштейном 4.
На фиг. 2 показана схема конструкции рупорного (бесконтактного) антенного блока устройства, состоящего из раздвижного кронштейна 4, закрепленных на нем приемника 5 и передатчика 6.
На фиг. 3 и 4 показана схема работы устройства в режиме годографа на примере метода общей глубинной точки.
Принцип работы устройства основан на изменении расстояния между приемником и передатчиком бесконтактного (рупорного) антенного блока георадара в ходе осуществления записи георадиолокационных данных. На фиг. 3 и 4 дорожная конструкция представлена пакетом асфальтобетонных слоев 7, уложенных на щебеночное основание 8. Антенный блок устройства, состоящий из раздвижного кронштейна 4 с закрепленными на нем приемником 5 и передатчиком 6 вывешен над поверхностью покрытия с отрывом в несколько десятков сантиметров. До выполнения измерений приемник 5 и передатчик 6 находятся в исходном положении (см. фиг. 3), при этом расстояние между ними минимальное. Во время измерения приемник 5 и передатчик 6 равномерно начинают удаляться друг от друга, достигая своего крайнего положения (см. фиг. 4), при этом расстояние между ними становиться максимальным. По окончании измерения приемник 5 и передатчик 6 возвращаются в исходное положение (см. фиг. 3).
Рупорный (бесконтактный) антенный блок устройства, установленный на автомобиль (каток, мототехнику, передвижную тележку) совместно с другими компонентами образует комплекс георадарного оборудования. Во время измерения в режиме годографа георадарный комплекс, преимущественно, не меняет координаты планового положения (стоит на месте), либо двигается с минимальной скоростью. Далее при движении комплекса запись георадиолокационных данных осуществляется методом традиционного профилирования на постоянной базе (расстояние между приемником и передатчиком не меняется). Периодически георадарный комплекс останавливают (замедляют) и выполняют измерения толщины слоев асфальтобетона (бетона) в режиме годографа. На основании полученных значений толщины, измеренных в режиме годографа, производится перерасчет значений толщины слоя, полученных по методу георадиолокационного профилирования.
Передвигая приемник относительно передатчика, передатчик относительно приемника или равномерно перемещая приемник и передатчик относительно друг друга, с помощью раздвижного кронштейна, предоставляется возможность определить скорость электромагнитной волны в слое асфальтобетона (бетона), его диэлектрическую проницаемость и собственно толщину слоя. При этом высокая плотность точек годографа (в т.ч. в узком диапазоне обследуемой среды) позволяет повысить точность измерений толщины слоя.
При работе по способу общего пункта возбуждения приемник двигается относительно неподвижного передатчика, и, наоборот, при работе по способу общего пункта приема передатчик двигается относительно неподвижного приемника.
Источники информации принятые во внимание.
1. ВЛАДОВ М.Л., СТАРОВОЙТОВ А.В. ВВЕДЕНИЕ В ГЕОРАДИОЛОКАЦИЮ // Учебное пособие - М.: Издательство МГУ, 2004. - 153 с.
2. Curtis Berthelot Ph.D., P. Eng., Tom Scullion P.E., Ron Gerbrandt P. Eng., Larry Safronetz APPLICATION OF GROUND PENETRATING RADAR FOR COLD IN-PLACE RECYCLED ROAD SYSTEMS // Journal of Transportation Engineering American Society for Civil Engineers / Jul/Aug 2001 Vol. 127 No 4.
3. Аннотированный сборник научных разработок в сфере дорожного хозяйства (2000-2005 гг.) ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР» Москва - 2005.
4. Наука и транспорт. Транспортное строительство. 2012. №4.
5. Фильковский М.И., Дашевский Ю.А. Емкостный способ определения толщины асфальтобетонного покрытия - RU №2295701 С2 - 2005.
6. MIT Mess- und  GmbH [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mit-dresden.de/fileadmin/MIT-Dateien/Downloads/pdf/SCANT2/Description_of_the_Measuring_Method_042013.pdf - дата обращения - 22.02.2016.
7. Lapland University of Applied Sciences [Электронный ресурс] - http://maranord.ramk.fi/static/content_files/3d-Radar_MARA_Nord_2012.pdf - дата обращения - 22.02.2016.