探地雷达在公路路面变形沉降检测中的应用

路面变形沉降是公路深层隐性病害的外在表现,不仅会降低路面平整度和行车舒适度,甚至会诱发翻车、撞车等严重交通事故,而且也是路面塌陷的前期征兆.探地雷达是一种有效的浅地表地球物理成像方法,利用探地雷达对其进行精细化检测,可以快速查清路面变形沉降区域下方潜伏的深层隐性病害,依据探地雷达波场特征识别隐性病害的类型(如裂缝、土质疏松、沉降、脱空、空洞等),定位其水平位置、埋深、空间范围和走向,评价其严重程度或病害等级,找到路面变形沉降的根本原因,从而为对症下药,制定针对性的非开挖处治设计和维修治理提供科学依据.     

基于探地雷达波速层析的金属矿区勘探仿真

探地雷达技术在金属矿区得到广泛应用.由于金属矿区地质构造复杂,使用于探测层状介质的反射波探地雷达勘探方法在金属矿探查中受到限制.为提高接收信号能量强度以提高探测结果分辨率,实现探测复杂地质构造及隐伏岩体,将层析成像方法用于探地雷达对金属矿区的勘查中.建立了典型的金属矿区速度模型,并选取了代表性的切片,采用LSQR算法反演计算.仿真结果误差都在1‰的数量级,证明了雷达层析成像技术应用于金属矿区勘察的有效性.     

沙堆内小型管线的探地雷达模型实验研究

地质雷达作为一种新的探测技术,广泛应用于城市管线探测、特别是非金属管道(直径Φ为150～400 mm)探测,取得了良好的效果,但是对小口径管道的探测研究不多.本实验是对埋于中等湿度、均匀介质沙堆内的Φ为40～150 mm的管线不同组合模型,进行900 M、600 M、200 M雷达反射波图像观测,探讨单管、双管、三管的图像特征,研究探地雷达图像的影响因素.研究结果显示:雷达探测的实际分辨率达不到理论分辨率;高频率天线图像精细,适合探测浅小的管线;管道充填水后,多次波明显增强;路面街砖会削弱雷达的管线异常信号,出现类似倾斜岩层等干扰信号;利用多次反射波可求得管径.本实验有助于我们在城市地下管线探测中能够快速准确地识别各类地下异常体的探地雷达图像.     

探地雷达在地铁盾构施工滞后沉降监测中的应用研究

在成都地铁2号线盾构施工过程中,由于成都地层特有的砂卵石层地质结构,产生地表滞后沉降问题.论文首先对此问题,建立了以空隙率为表征的地下介质扰动随时间发展的四个阶段的数值模型,应用有限差分数值模拟方法论研究和分析了源于滞后沉降的地下扰动不同发展时期的探地雷达反射波特征.然后结合成都地铁2号线盾构施工滞后沉降监测的对应的四个阶段探地雷达数据,分析了实际的滞后沉降地下扰动不同发展时期的雷达特征和灌浆治理效果的评价.论文通过数值模拟与实际雷达资料的对比研究结果,可为类似的城市地铁地表滞后沉降的探测和检测方法提供理论和技术的支持.     

沥青心墙压实度的探地雷达探测研究

沥青心墙是水利水电工程的一种重要的防渗形式,其质量直接关系到工程的安全.压实度是评价其质量的重要指标,常采用取芯后实验室来测定,虽然探测结果可靠,但破坏性大、周期性长以及连续性差.我们采用探地雷达方法来评价沥青心墙的压实度.为消除沥青心墙的侧壁和两侧的堆石对探测结果的影响,本文模拟了雷达波在沥青心墙中传播,得出没有侧壁和堆石反射波影响的有效探测深度.并利用实测数据提取沥青心墙的雷达波属性如振幅、主频以及瞬态谱等,结合采样获得的孔隙度和密度,得出其与属性参数间的关系.研究表明,这种方法可以直观、快速、连续的反映心墙压实度变化,为工程质量的检测提供很好的依据.     

探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的应用效果研究

由于融土和冻土之间存在明显的电性差异,使探地雷达成为研究多年冻土的有效手段之一.本文结合工程实例,对探地雷达在青藏高原多年冻土工程地质勘察中的应用效果进行了现场试验研究.分析了探地雷达探测多年冻土的物理前提条件,总结了多年冻土主要地质要素的雷达图像特征和探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的实际应用效果.研究表明融土与冻土的雷达图像特征存在明显差异:融土雷达反射波为低频强宽振幅的稀疏波,波形较杂乱;冻土反射波为高频低振幅细密波,波形较为规则;探地雷达可较为准确地划分地层、识别多年冻土上限、确定多年冻土分布范围,但尚不能有效确定多年冻土的含冰量;另外,探地雷达对细颗粒土的探测效果要明显好于粗颗粒土.文章还指出了现场探测和图像解译分析中需要注意的事项和下一步需要研究解决的问题,建议在开展现场探测工作之前先在有钻探资料或天然地质剖面处进行对比试验,搞清测区内主要地层的物性参数,掌握有效波和干扰波的分布规律,从而提高雷达探测结果的准确性和可靠性.     

一种基于神经网络的探地雷达信号解释研究

运用人工神经网络理论和方法,建立了用于隧道衬砌厚度探地雷达探测信号解释的BP神经网络模型,对某公路隧道衬砌检测厚度进行了分析应用,并与钻孔取芯结果进行比较,实践证明,该方法可提高探地雷达信号解释精度和工作效率．     

探地雷达小波域三维波动方程偏移

阐述了矩阵多分辨分析理论中的标准形式与非标准形式,并以Hilbert算子为例,说明了算子多分辨表示的压缩效果,为小波域偏移算法奠定了理论基础.从三维雷达波动方程出发,利用爆炸反射原理和浮动坐标变换,推导出三维探地雷达波动方程差分格式,并通过方程分裂算法及小波多分辨算法,在小波域求解波场外推矩阵,进而得到探地雷达小波域三维波动方程偏移算法,在此基础上,开发了探地雷达小波域偏移处理程序,并把该程序应用于三个球体空洞的3-D正演结果及实际的雷达数据中,通过对比偏移处理前后的雷达资料,得知该三维偏移算法能使3-D正演剖面中的反射波归位、绕射波收敛,极大地提高了雷达剖面的分辨率,有利于探地雷达资料的地质解释.     

探地雷达方法测量近地表含水量模拟研究

为了充分地验证探地雷达方法用于探测近地表含水量的有效性和可靠程度,着重分析了探地雷达反射波法用于测量含水量的相关理论和技术特点,设计了适用于高频雷达信号的速度分析算法,建立了用于分析该问题的局部含水层模型.利用FDTD方法模拟分析了局部含水层的探地雷达响应,应用速度分析理论及Topp模型,反演得到了研究区域的含水量结果.     

利用探地雷达检测土壤质量的研究进展

土壤质量的研究正逐步成为国际土壤学的研究热点.探地雷达作为一种快速、无损、经济的土壤质量检测方法,正在被国内外学者所接受,然而由于土壤的复杂性,使得这一技术在具体应用时还存在一些问题.本文从探地雷达检测土壤质量时的方法入手,着重探讨了其在土壤的物理性质、介电性质、有机质检测方面的研究进展,并对检测后得到的探地雷达图像的处理算法以及存在的问题进行了研究,有利于指导探地雷达在土壤质量检测方面的进一步应用.     

雷达用于地震预测的基础实验研究

为将雷达技术应用于地震预测,在实验室对花岗岩等不同岩性的27个岩石试样进行了加压实验观测研究,使用的雷达测量仪器是美国HP公司生产的专用RSC测量系统,观测8mm,2cm,3cm和5cm四个雷达波段,在加压的过程中自动连续测量岩石试样的雷达波反射强度随压力的变化,实验表明：反映岩石试样微波反射特性的雷达波反射强度随压力变化而变化,在实验的27个岩石试样中,无一例外,只是在不同试样、不同波段或不同极化方式的实验中存在变化幅度和趋势的差异. 岩石试样反射波强度的相对变化量为百分之几到百分之十几,花岗岩的最大变化量达到202%(113号试样),砂岩的最大变化量达到279%(212号试样). 实验结果为将雷达技术应用于地震预测、岩体及岩土工程稳定性监测和稳定性评价提出了实验依据,奠定了物理基础.     

地质雷达在乌拉山山前断裂探测中的应用

地质雷达是利用电磁波对地下不同电性介质进行探测的地球物理仪器，其探测速率快、分辨率高，可弥补探槽和其他地球物理方法存在探测盲区的缺陷，正在越来越多地应用于活动断层探测领域。本文以乌拉山山前断裂为例开展地质雷达探测工作，使用无人机正射影像技术对测线进行地形校正，获得断层浅部地质雷达图像。研究结果表明，本文研究方法能有效反映探槽揭露的地层单元和断层分布。本次探测中，雷达波形图像特征为:浅地表的土壤层反射波总体较弱；粗粒沉积为主的砾石层反射波总体较强，同相轴连续性好；细粒沉积为主的砂层反射波弱于砾石层，波形以中、高频为主，同相轴具有弱连续性；对于洪冲积地区，地质雷达能分辨具有一定特征的地层单元，这为剖面图像的断层识别提供了标志；通过无人机正射影像技术对地质雷达测线进行地形校正，有利于获得更为准确的探测结果。     

Interaction study of permafrost and highway along Qinghai-Xizang Highway

Qinghai-Xizang Highway crosses permafrost areas, sporadic permafrost areas and seasonal frozen soil areas. It is very important to study the engineering geology of frozen soil in construc-tion of cold regions engineering, and the choices of engineering st…     

全波场映像技术以及其在高速公路路基缺陷检测中的应用

针对高速公路运营中的路基长期稳定性问题,研发了检测高速公路路基缺陷的全波场映像技术,即一种无损检测技术,主要由单点激发-单点接收的数据采集系统和三维全波场成像系统组成。为评价该技术应用于高速公路路基缺陷检测的准确性,首先使用有限元动力分析方法进行三维数值模拟。在研究三维缺陷模型中全波场传播特性的基础上,对响应波形的频谱特征进行详细分析,在此基础上合成的成像图显示缺陷区域位置与其在模型中的位置及区域大小相吻合。然后在实际预先设置缺陷的等比例高速公路路基模型上开展试验验证,试验结果证明了该技术的准确性,及其在检测高速公路路基缺陷区域及位置上有良好的应用空间。     

来自海底高速层径向波的理论地震图研究

本文利用各向异性反射率技术计算理论地震图,提出海底高速薄层会产生沿高速层水平传播的波（简称径向波）,这种波在水层中作为P波,在固液界面激发下行横波,该均匀横波以临界角入射高速薄层,在层内作为超临界角的非均匀横波水平传播,再以临界角转换为上行传播的均匀横波,最终在固液界面上行透射转换为水层中P波.高速薄层传播的径向波不同于界面折射波,也不同于具有频散的面波和通道波.理论地震图的研究表明,径向波具有线性时距,能与海底强反射具有同等振幅水平;径向波有其振幅、时距位置和斜率这些观测记录参数,分别对应高速层的厚度、深度和近似的横波速度;径向波可以克服折射波解释中遇到的振幅强弱和高速层速度等困难.径向波可作为探测海底高速薄层的有力工具,对于研究高速层屏蔽、海底反射类型的多样性和相应的资料处理解释有重要意义.     

Hilbert谱分析在探地雷达薄层识别中的应用

针对实际勘探中的需要,本文对薄层的电磁波反射特性进行了深入研究.薄层在反射电磁波时,会对入射电磁波进行滤波作用.薄层的类型和厚度会影响其滤波特性,利用此特点,本文将Hilbert谱分析方法引入到薄层识别中.该方法能将探地雷达对递变型薄层的垂直分辨率提升至λ/8.本文利用该方法对实测探地雷达资料进行了层位识别研究,该方法能很好地提高探地雷达的层位识别能力.     

机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

New approach to analyzing soil-building systems

A new method of analyzing seismic response of soil-building systems is introduced. The method is based on the discrete-time formulation of wave propagation in layered media for vertically propagating plane shear waves. Buildings are modeled as an extension of the layered soil media by assuming that each story in the building is another layer. The seismic response is expressed in terms of wave travel times between the layers, and the wave reflection and transmission coefficients at layer interfaces. The calculation of the response is reduced to a pair of simple finite-difference equations for each layer, which are solved recursively starting from the bedrock. Compared with commonly used vibration formulation, the wave propagation formulation provides several advantages, including the ability to incorporate soil layers, simplicity of the calculations, improved accuracy in modeling the mass and damping, and better tools for system identification and damage detection.     

井间电磁法综述

地面电磁法在实际工作中在很大程度上受到了探测深度和分辨率的限制.为了克服这些缺点,出现了井间电磁法.井间电磁法指的是在两个(或多个)钻孔中分别发射或接收电磁波信号,利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法.由于发射机和接收机可以分别放置在很深钻孔中,其具有大透距、大探测深度的特点,因而广泛应用于工程环境物探、矿产勘查、石油勘探等中.针对不同的应用,产生了各具特点的一些特殊方法,包括井间无线电波成像、跨孔雷达、井间电磁成像.井间无线电波成像仪目前只测量电场强度数据,工作频率低,一般是单频的电磁波,频率范围通常在1 kHz至10 MHz.由于缺少走时数据修正射线路径,井间无线电波成像主要是进行基于直射线追踪的衰减层析成像.井间无线电波成像既可用于工程与环境地球物理也可用于找矿.跨孔雷达是钻孔雷达的一种探测方式,用高频电磁脉冲探测两个井孔间介电常数和电导率的变化.跨孔雷达层析成像也叫地质雷达CT,既可进行走时成像,还可进行衰减成像.一般来说,地质雷达CT的电磁波工作频率较高,中心频率通常在10 MHz和1 GHz之间,因此在分辨率指标上占有优势,跨孔雷达主要用于工程与环境地球物理.井间电磁成像采用更低的频率,测量复电磁信号,适合油气储集层监测,是一种地球物理前沿技术.经过在多个试验区初步试验表明,井间电磁成像是油藏研究的有效手段,可用于分析剩余油分布,寻找油气富集区,进而达到提高钻探高效井成功率和提高采收率的目的.本文详细介绍对比了这三种方法在理论和实践中的一些特点,并对未来的发展进行了展望.     

频散介质中地质雷达波传播的数值模拟

地质雷达所探测的地球介质常常具有频散性．为了研究地质雷达在频散介质中的探测能力，提出了频散介质中时间域有限差分法计算麦克斯韦方程的方法，给出了满足Debye关系的频散介质中的电位移和磁场的迭代算法，以及由电位移计算电场的算法．只有在电场计算时才用到介质的物性参数．提出一种新的吸收边界条件的算法，通过增加假想的介电常数和磁导率，实现了吸收层中波的无反射衰减，克服了以往Berenger完全匹配层计算时对场进行分裂带来的麻烦，从而提高了计算效率．计算实例表明，频散介质中电磁波的衰减更快，测量信号变得很弱．