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地质雷达检测
地质雷达检测
●地质雷达以其高分辨率和高工作效率而成为浅层地球物理检测的一种有力的工具,现己广泛应用到诸多工程领域。
雷达技术在路面检测中的试验研究开始于20世纪90年代,现在道路测厚中应用较为成功。
1991年前后,美国联邦公路局第一章绪论资助对GPR在道路工程中的应用进行了深入的研究。
1994年W.M.KimRoddiS等人对美国KansaS州的H种不同种类的道路利用探地雷达进行了分层检测工作,73个钻孔取样的结果对比,偏差仅为士5%士10%。
1996年,J.Hugensehmidt用0551sIRSYSTEM.roA型探地雷达仪及2.SGHz与900MHz天线在瑞士的Gotthard高速公路上进行了检测工作。
中国地质勘察技术院的牛一雄等人用探地雷达对西安一宝鸡高速公路进行了质量检测;1999年吕绍林用SIR.10H型地质雷达系统对益常高速公路结构层中高频电磁波的传播特征及雷达技术参数进行了理论研究和大量的现场检测试验。
该方法有效的克服了现行钻孔法的缺陷,检测中不仅能准确地提供基层厚度变化的真实情况,为施工提供可靠参数,同时通过改变天线频率可以检测基层以下路基及原状地基土内存在的病害隐患,尽早发现隐患,及时处理,确保高速公路的安全畅通。
因而无论是路基、路面厚度质量检测,还是病害隐患检测,都将产生显著的社会效益和经济效益。
●地质雷达方法
地质雷达是根据地下介质的电性差异,利用电磁波检测路基密实度分层的一种快速无损检测方法。
利用天线向地下发射电磁脉冲,并接收由地下不同介质界面的反射波。
电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度以及波形随所通过介质的电磁性质(河、川及几何形态的变化而变化引。
根据接收到的回波的时间、幅度、波形和频率等信息,可以判定地下介质的结构及界面的埋深。
常见的工程介质为非铁磁介质天线中心频率不同,其探测深度及分辨率也不同,可根据实际需要选择不同频率天线。
该方法可用于公路建设的全过程质量监控,具有快速、高效、准确、成本低、无破坏等优点。
地质雷达可定性检测路基碾压前后密实度的变化,原状土剖面与经振冲碾压后的剖面,雷达波频率的差异反映出密实度的差异。
●探地雷达是近几年才在国内开始应用于高速公路检测的一项新技术。
这种检
测方法具有无损、快速、信息量丰富的特点,探地雷达是根据高频(偶极子)电
磁波在地下介质传播的理论,将宽频带短脉冲电磁波经由地面的发射天线发送入
地下,经地层或遇异常反射体回到地面后,由接收天线接收其反射电磁波信号。
通过对返回电磁波的时频特征和振幅特征进行分析,便能了解到地下层的特征信
息,从而达到探测的目的。
因此探地雷达可用于初步确定全线相对不利路段。
其
作用原理见图3.2
雷达波的反射发生在不同介电常数物质的界面,介电常数与物质的导电性有关,通常情况下,某类物质的介电常数是比较固定的,但当它与其它物质混合时,表现出来的综合介电常数会改变,常见材料的介电常数见表3.6
●探地雷达初步检测
通过探地雷达的检测波形,可初步判断相对不利路段,从而确定后续需要进一步采用瑞利波检测的路段,缩小瑞利波检测范围,降低测试成本。
在高速公路建设工程路基检测项目中,通过探地雷达初步确定了瑞利波检测范围,对检测路段进行了路基填筑质量判别。
●异常段判断依据:
(l)检测路段彩色剖而图同正常路段相比有l刃显变化,见图3.3,图3.4;
2)检测路段探地雷达波形图与正常路段相比,有较明显的波峰,见图3.3、图3.4,表明此段路基区别于其它段,或者是含水量偏高,或者是有软弱层等等。
●地质雷达检测高速公路路面结构工作原理
地质雷达(GroundPenetratingRadar简称GPR)通过发射天线往地下发射高频率、宽带脉冲电磁波束,电磁波在地下传播过程中遇到地下介质结构、导电性、导磁性和介电常数的变化起传播路径也将产生相应的变化(如图1-1)。
这些变化了的电磁波被接收天线接收后传到主机将模拟信号转化为数字信号储存在存储单元中。
当目标体在天线信号范围之内、信噪比适当的时候便能够被雷达探测出来。
雷达真实记录的是电磁波从发射到接收这个过程的时差,电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的,因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT,即可根据公式(1-1)算出地下异常的埋藏深度H:
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差异越大,反射信号越强。
雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。
导电率越高,穿透深度越小;中心频率越高,穿透深度越小。
与探空雷达相比,地质雷达是在地下有耗介质中传播,因此其发射波形与天线设计都有自身的特点。
根据目前资料显示,地质雷达使用的电磁波发射波形主要有:
连续波、调幅脉冲波、调频脉冲波等等。
设计的形式一般有喇叭天线、对称振子天线、螺旋天线等等。
因为对称振子型调幅脉冲时域地质雷达输出功率大,能实时监测测量结果,做成的设备有便携的优点,因此在商用地面地质雷达中应用广泛,并且主要应用在中频和低频地质雷达中。
而喇叭状天线具有聚集能量的功能,地质雷达在地下传播过程中以指数形式衰减,频率越高衰减越快,因此对于高频天线经常使用喇叭状天线,以保证天线能在保证精的条件下探测得更深。
地质雷达发射的电磁波频率从十兆赫兹到数千赫兹的频率范围。
地质雷达探测的理论最大深度为电磁波波长的二十倍;地质雷达探测的理论最小分辨率为电磁波波长的十分之一。
而对于同一个区域,由于地下介质不可改变,能决定探测深度和分辨率的就是地质雷达天线的频率。
地质雷达天线频率高的其电磁波波长就越小,因此其探测深度就越浅,但其分辨率就越高;频率低的天线发射出的电磁波波长比较大,其探测深度大,但分辨能力就比较弱。
要求探测比较深的时候由于时窗设置的比较大,要得到更深的地下信息,所需要采集的样数就更多,电磁波来回的时间也更长,使得探测速度更慢。
因此在选择地质雷达进行探测的时候要根据实际情况综合考虑这些因素以选择频率合适的天线。
对于高速公路路面结构状态研究实际需求,我们选择意大利IDS公司生产的K2双通道地质雷达。
天线频率选择600MHz和1600MHz组合成的天线阵。
其中600MHz天线主要对面层以下路基和底基层的质量检测,根据地下含水量、面层和基层材料及密实程度等因素其探测深度能够达到地下0.5m-1m,探测精度能够达到0.8厘米;1600MHz天线主要对路面的表面层、中面层和底面层的质量检测,最大探测深度能够达到0.3m-0.6m,探测精度能够达到毫米级。
●公路病害地质雷达反射波响应特征
病害的形状不相同,它在雷达剖面上的异常曲线也不一样。
有拐点特征的病害一般都有绕射现象出现,例如空洞、脱空和疏松。
从公式(1-3)和数值模拟实验都可以知道,电磁波在从介电常数大的介质中传播到介电常数小的介质中时都会产生相位反转,否则不会。
如电磁波传播进地下空洞或者是气体的脱空区域,电磁波就会发生同相轴相位反转。
病害内部物质与周围物质的介电常数差异越大时在雷达剖面图上显示得越明显。
当病害的类型和规模大小相同的时候,倘若它们的电性参数不一样时,在雷达剖面上反映出来的形状也是不一样的,也就是纵向时延不同,此刻病害内部介质的电导率越大其对能量的吸收越明显,表现在电磁波上的形式为电磁波振幅衰减越快。
当病害内部充填物质杂乱无章的时候,在雷达剖面图上对应显示该区域的波形比较紊乱,能够看到明显的干涉现象。
此时看到的同相轴分布支零破碎毫无规律可言。
用地质雷达在检测脱空的时候,由于天线中心频率的限制,使得脱空区域不能太小。
当脱空区域的尺寸小于5厘米的时候,在雷达剖面上很难对脱空的上下界面进行区分。
不过,此时可以使用极点的幅值比来对脱空量进行半定量的解释。
水对雷达电磁波有较强的影响。
对于高含水的区域一般都存在比较明显的多次波,同时对病害区域下面的信号存在比较强的干扰,使更深部信息被埋没。
电磁波从道路介质传播到水中不会发生相位的反转。
通过数值模拟也可以验证电磁波的频率越高,其雷达剖面的分辨能力越强,图像越清楚,探测深度越浅;电磁波的频率越低,其探测深度越深,分辨能力越差,图像越不清晰。
从理论上讲,电磁波频率越低其波长越长,因此最大探测深度(约为波长的10倍)越深,分辨能力(约为波长的1/10)越差;电磁波频率越高其波长越短,探测深度越浅,分辨能力越强。
病害自身的大小尺寸越大,其在雷达剖面上的显示越明显。
●研究思路及技术路线
如图1-2所示,首先对道路进行雷达检测,将测量的数据使用专业的软件进行处理,找到典型的道路缺陷在雷达图上的反应;然后对一些有典型特诊的区域进行钻孔取芯验证,同时对典型道路病害建立模型,进行数值模拟研究。
在得到三个方面的结果后对其进行对比研究,得到道路典型病害和雷达图之间的关系和典型病害对电磁波传播的影响特征。
从地球物理观点看,路基路面的结构类型可视为典型的水平层状介质模型。
鉴于路基路面构筑材料、构筑方法的差异,使其存在着各种物性(电性、密度、弹性波或电磁波传播速度和吸收等)差异,同时由于是人工构筑比天然的水平层状地层要均匀单一,因此为应用地球物理方法进行无损检测提供了物理前提和有利条件。
同时,路基路面检测是一种超浅层至浅层的探测,要求检测方法精度高,分辨率高,信噪比高,能在自然和人文强干扰下适应工作,轻便高效[28,29]。
探地雷达是利用高频电磁脉冲波(10MHz~1000MHz或更高)以宽频带短脉冲形式由发射天线送入地下,该雷达脉冲在地下传播过程中,遇到不同电性介质交界面时,部分雷达波的能量被反射回地面,被接收天线接收。
探地雷达探测的是来自地下介质交界面的反射波,记录的每一雷达数据n(t)可看成是雷达脉冲子波b(t)与反射波系数序列R(t)的褶积[17]:
图2-1中,R0、A0分别表示地表反射波及振幅;R1、A1分别表示面层-基层界面反射波及振幅;R2、A2分别表示基层-土基界面反射波及振幅;△t1、△t2分别表示雷达波通过面层和基层的双程旅行时;ε0、ε1、ε2、ε3分别表示空气、面层、基层、土基的相对介电常数;h1、h2分别表示面层、基层的厚度。
我国现有高等级公路一般采用沥青混凝土或水泥混凝土路面,基层与路基材料一般为水泥土、水泥稳定粒料、石灰土、石灰稳定粒料、石灰粉煤灰土等。
空气的相对介电常数为1,混凝土面层相对介电常数为6~9,沥青面层相对介电常数为3~5,基层与路基的相对介电常数随其材料不同而不同,但由于其湿度较大,且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的材料,其相对介电常数一般都大于8[16]。
因此道路各层之间都存在介电常数的差异,这为雷达检测道路结构提供了可靠的地球物理依据[17]。
在用探地雷达对道路结构进行检测时,如果道路的局部地段受到破坏,则介质的电性将发生变化,从而导致雷达波反射信号的双程旅行时、振幅及频谱特征发生明显变化,根据这些变化特征,就可以推测路面下基层、路基等的状况,达到检测目的
根据上述原理,可用探地雷达探测出路面结构及路基结构层厚度、压实度、脱空、空洞、含水量等情况。
●路基路面质量指标与雷达参数的关系
式中:
h为道路结构层底界面深度,即厚度,单位为m;v为雷达波速,单位为m/ns(ns为纳秒,即10-9秒);Δt为雷达脉冲双程旅行时间,单位为ns。
求出波速,即可求出厚度[17]。
2、脱空用探地雷达方法能直观有效地查明脱空区段,并确定其深度、大小、范围。
同时可判别脱空中是充空气还是含水[28-35]。
路基构筑层之间交界面处反射系数R12为:
式中:
1ε、2ε分别是结构层1与结构层2的介电常数。
一般路基填筑土1ε=3~5,湿度较大的填筑土2ε=4~15,则R12=-0.09~-0.26。
当存在脱空时,正常结构层与异常结构层(脱空层)相接,设脱空层介电常数为pε,这时的反射系数为Rp:
由此可知,脱空层的存在使反射系数增大2倍左右,所以来自路基底界面的反射波强度大大增加。
要区分脱空的区域是充水还是充空气可以从波峰的特征加以判断,充水的脱空第一个较强的峰是正峰,多次反射较弱;充气的脱空第一个较强的峰是负峰,峰值强,且伴随很强的多次反射波。
●探地雷达的应用
探地雷达的应用是多方面的,主要应用于地质调查、工程地质和环境地质、农业、工程检测及考古调查等方面[8I。
按其探测深度一般可分为:
①浅部应用:
中心主频大于loo0MHz,探测深度小于巧m,主要用于公路路面、机场跑道、墙厚及墙内空洞和隐藏物的探测等②中深度应用:
中心主频100一90OMHz,探测深度15一sm,主要用于地下管线、地下空洞、考古研究、混凝上质量检测等③大深度应用:
中心主频小于100MHz,探测深度10一50m,主要用于岩土工程勘察,以探明地下岩溶穴、堤坝隐患、地基勘察、岩土层划分、基岩埋深及其构造破碎带的分布形态等。
此外,GPR也己应用于航空、.卫星测量及一些特殊领域,可以推定,随着人们对GPR研究的不断深入,它的应用范围也将进一步拓宽。
探地雷达在水利水电工程建设中以大、中深度的应用为主,在查明地下地质结构,进行岩土分层,探测坝体隐患等岩土工程勘察项目中,发挥着愈来愈大的作用。
()l用于结构层厚度检测
探地雷达检测路面厚度的工作过程为:
雷达系统中的发射机通过宽频带发射天线向地下发射无载波电磁脉冲,此脉冲在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射,由接收天线接收的后向散射和反射信号,转化为数字信息并传输到主机内,再通过数据、图像处理,就能计算出反射体的某些参数,从而区分不同介质层面,并精确标定不同层面物体的深度。
其具体工作流程见图2一9。
路面结构层厚度是衡量公路施工质量的重要指标之一。
《公路路基路面现场测试规程》中的测试方法是钻芯取样法和挖坑检查法,这两种方法盲目、费时、效率低,且破坏原有路面结构,在开放交通的情况下尤其危险,因此应用GPR进行厚度检测是目前常用的方法。
速度与电磁波在结构层中往返时间一半的乘积,即该结构层的厚度。
检测原理如图3.1.4,面层厚度为
反射系数递推法就是利用反射系数与反射波幅的关系,由电磁波在上一结构层中的速度推导出其在下一结构层中的速度,电磁波在空气中的传播速度通常为定值,利用该定值便可计算出在其他结构层中的传播速度。
由式(3.1.1)可知相邻层的介电岸数相差越大反射系数越大,那么反射波越明显,越容易区分。
(2)用于脱空检测
总结以前利用探地雷达检测脱空的方法,多是通过观察雷达信号剖面图来确定病害位置[25j。
对于填土脱空,一般规模较大,多发生在涵洞两侧,由于介电常数差异很大,因此雷达剖面上有很强的发射波组,且发射波规模也较大。
对于路面基层与填土层之间的脱空,脱空范围一般较大,脱空区空气层厚度一般为数厘米到数十厘米,脱空区介质的介电常数差异较大,雷达剖面上反映明显;对于一般的空洞,由于空气介电常数与周围介质有明显差异,因此存在很强的发射界面,在地质雷达剖面上产生多组连续的反射波组即共振现象。
本文研究用程序实现脱空的自动检测。
(3)用于地下目标物的探测
地下目标的无损探测、地下电波传播和瞬态电磁场理论的研究己经原来越为人们所重视,并对目标物的探测做了大量的研究工作。
探地雷达作为一种无损探测技术对于考古研究,探矿研究,特别是对探测埋藏在地下的目标物,检测目标物的分布范围有着积极的作用。
地下目标之所以在雷达剖面上很好地反映出来,主要是因为目标物和周围介质在电性(主要是电导率和介电常数)上存在差异,当电磁波遇到这层界面时发生发射。
探地雷达这方面的应用可以用于探测地下古墓,埋藏在地下的矿藏以及地下的管线等等。
●探地雷达初步检测
通过探地雷达的检测波形,可初步判断相对不利路段,从而确定后续需要进一步采用瑞利波检测的路段,缩小瑞利波检测范围,降低测试成本。
在沪宁高速公路扩建工程路基检测项目中,通过探地雷达初步确定了瑞利波检测范围,对检测路段进行了路基填筑质量判别
异常段判断依据:
(1)检测路段彩色剖面图同正常路段相比有明显变化,见图2-2、图2-3;
(2)检测路段探地雷达波形图与正常路段相比,有较明显的波峰,见图2-2、图2-3,表明此段路基区别于其它段,或者是含水量偏高,或者是有软弱层等等。
●雷达病害识别的原理与方法
在道路结构层内部的检测中,结构层内部的病害主要表现为如下三种形式[38]:
(1)层间脱空:
沥青面层与基层表面之间出现空隙,这主要是两个层面之间施工时粘合不好或是透水性设计不当造成的。
比如:
有许多钻孔资料显示,在脱空部位常常存在1mm~2mm的灰土层,这是由于施工期间清理不完善的所造成的;另外,如果基层透水性较好,则很容易在层间形成充气脱空;如果基层透水性不好就很可能会使面层与基层之间形成充水脱空。
(2)层内蜂窝:
这主要是在施工时由于压实度不够造成的。
若是深入了水则会形成层内富水区。
(3)地基基础变形:
主要会引起沥青面层发生裂隙、脱空甚至塌陷等现象。
由此可以看出,结构层的病害的表现千差万别,但具体原因主要是由于空气或水的进入而造成的,这便成了我们应用路面雷达进行病害检测的前提[39]。
根据第3章现场取芯标定试验反算出来的相对介电常数的结果来看,道路沥青层的介电常数大致在6~9的范围内变化;而在这类低损耗介质中,反射系数R主要取决于介电常数[40]。
根据先前的公式(2-9)我们知道有如下公式:
根据表3-1,可以看出空气的相对介电常数为最小,为1;而淡水的相对介电常数最大,为81;均与道路沥青层的介电常数相差较大。
由2.3节的内容知道,反射电磁波相位如何改变,直接取决于地层分界面的物性变化,当反射系数R的符号为负时,说明上层的波阻抗要大于下层的波阻抗,反射电磁波的相位将同入射电磁波的相位反向。
反之,亦然。
这样,若是在正常的道路结构中加入了水、空气或其它介质,则可以根据反射电磁波在不同地层中其强度被衰减的程度和相位的变化,相对定性地推断目标物的性质和变化。
根据公式(4-1),计算得知,脱空层的存在将使得反射系数增大2~3倍,所以来自面层的底界面的反射强度将大大增加,使得成功探测病害成为可能[41][42]。
当使用1GHz天线或更高频率的天线一般可以定性地或半定量地评估病害的情况。
若病害较为严重,产生了较大的脱空(气洞或水洞),则得到的反射信号往往表现出较为规律的强反射,波形图中相应位置会出现信号变化,在雷达剖面图上的表现为高亮区或高暗区,并且产生不同轴的错位(如图4-1或4-2);若病害只是蜂窝状、疏松或裂隙,里面充气或充水并未形成严重脱空,则得到波形图的信号比较杂乱,且能量衰减很快,在雷达剖面图上的表现为同轴的上下错位甚至断裂(如图4-3),病害周围产生较多无规律的杂波。
在数据处理和资料解释上,为了更好地分析病害,我们对信号进行了详细的处理,目的就是扩大信号的频带宽度,减少水平干扰。
在处理过程中先后试用了FIR滤波、IIR滤波、反褶积滤波、各种增益滤波和平均滤波等多种滤波方式,主要是使病害处在经过处理后信噪比得到提高[43]。
下面通过几种典型实例来说明病害检测的方法:
图4-1,在亮度均匀区出现高暗区,说明此处的介电常数相差较大。
由此可见A处有一明显的裂隙,层间己经存在小块脱空异常,如不及时发现,就会有形成较大范围层间脱空的可能;B与C处是两处明显的脱空异常,经钻孔取芯验证,均发现了脱空。
从图像54米处(正常情况)的单道波形分析中,可见,Dˊ指的位置无明显反射信号,而从56米处(脱空)的单道波形中,可以清晰地看出,在D〞所指的地方与Dˊ相应的地方出现了明显的波形相位及幅值变化,呈强负相反射异常,说明此处有充水脱空情形,这与上文分析的脱空产生时应有的异常特征是完全对应的。
图4-2也是脱空的典型实例。
在地下1m处,产生了持续4m长的高亮区,由于其正相反射强烈,怀疑为充气脱空区,后经实地开挖验证,发现确实为大面积的脱空区,说明脱空病害识别的正确性。
图4-3是疏松裂隙的.6m处,产生了持续30m长的典型实例。
在地下深0.3~0高亮区,由于其同轴的上下错位,病害周围产生较多无规律的杂波,所以判断其为疏松;而在940米处左右,有一纵向严重错位,但其长度较短,判断其为裂隙,后经实地取芯验证,推测正确。
上述就是利用雷达来识别道路结构层病害的简单原理和实例。
雷达病害识别属于是反问题研究的领域,同一雷达信号对应着无数种解,究竟如何判断和取舍较多的依赖于工程师个人基于经验的积累。
以上给出的实例是在检测过程中一些比较典型的情况,但实际的过程要远远复杂得多。
但无论如何,路面雷达向我们提供了一种可以用来无损识别结构层病害的方法,识别准确性的提高需要路面雷达的技术进一步的成熟。
●小结
通过探地雷达检测波形,可初步判断相对不利路段,作为瑞利波检测路段,以缩小其检测范围,同时可对检测路段进行路基填筑总体情况判别。
在进行数字编辑处理时,要消除由于扩散或高频传输诱发的低频组分;消除由于天线接地条件和温度环境造成的零点漂移现象;消除强噪声干扰;选择适当的增益(十分重要);必要时需进行振幅谱、频率谱分析,并根据分析结果确定各种滤波器的参数,进行滤波处理,以突出有效反射波,压制无效干扰波。
还需要根据工作目的进行各种处理前后的数据相加、相减,以研究或感受各种处理的作用和功能。
探地雷达以其高速快捷、高精度的特点在公路工程质量无损检测中得到广泛应用,试验表明效果良好。
探地雷达的应用初步解决了无破损检测公路工程质量的问题,为新建公路、改扩建公路、旧路的维护保养等的质量检定评价提供一种高速简捷的方法,具有较高的技术推广价值[7,8]。
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