多相离散随机介质模型及其探地雷达波场特征研究

沥青混凝土是由骨料、沥青胶浆、空气按照一定的体积百分比混合而成的多相非匀质混合物,其骨料、沥青胶浆和空气的体积不等、形状各异、介电特性不同、空间位置随机分布,具有明显的多相、离散、随机介质特征.本文基于随机介质模型理论,(1)测量与统计了介电常数在典型沥青混凝土芯样空间上的随机分布统计特征;(2)估算了沥青混凝土介质的自相关函数及其特征参数(自相关长度、自相关角度等),确定其随机介质类型;(3)提出了量化约束下的多相离散随机介质建模算法,以混合型椭圆自相关函数为基础,构建了不同粗糙度因子的多相离散随机介质模型;(4)构建了不同空隙率的多相离散随机介质模型,正演模拟与对比分析了探地雷达波在均匀介质、连续型随机介质和多相离散随机介质中的传播特征.结果表明:多相离散随机介质模型不仅描述了沥青混凝土的多相、离散与空间随机分布统计特征,而且进一步描述了其各组成物质体积百分比,能更全面、准确地描述沥青混凝土的介质特征,同时也为描述其他类似材料或介质提供了新的方法和途径;在多相离散随机介质模型中,探地雷达波散射强烈,随机、无序传播的散射波相互叠加干涉,形成了明显的随机扰动和"噪声",致使异常体反射波扭曲变形、不连续,降低了探地雷达回波的信噪比和分辨率.研究探地雷达波的随机扰动特征与多相离散随机介质模型参数之间的关系,将为定量评价多相离散随机介质的属性参数提供参考和帮助.     

探地雷达多剖面联合解释方法及应用

在城市道路塌陷隐患探测中,相邻车道地下介质差异性较小,其探地雷达剖面之间具有较高的一致性和关联性,为了提高探地雷达资料解释的准确性和速度,综合对比分析相邻车道探地雷达剖面之间的相关性,提出了探地雷达多剖面联合解释方法,首先同时对多个相邻车道探地雷达剖面中的塌陷隐患病害同步进行分类和分级判释,然后将每个病害异常输出为单体病害文件至单体病害文件库,并基于人机交互方式对单向或双向多车道探地雷达剖面中的任意病害类型或病害等级进行综合统计、自动排序,可用于生成严重病害的现场加密复测验证单和最终的检测报告.结果表明:探地雷达多剖面联合解释方法能够同时对多个相邻车道探地雷达剖面同步进行对比分析、相互验证,能有效克服单剖面信息量不足的局限性,不仅可以快速辨别和剔除外界干扰形成的虚假异常,减少多解性,而且可以估算地下病害异常的面积范围和空间展布,有效提高解释的自动化、准确性和可信度,明显加快解释速度.     

多相离散随机介质探地雷达波传输特性研究

混凝土是最常用的人工合成建筑材料,属于典型的多相离散随机介质,为研究探地雷达波在此类复杂介质中的传输特性,基于量化约束多相离散随机介质模型建模方法,通过精准调节混合物中各组成物质的体积含量百分比和自相关长度,建立不同空隙率和不同尺度的多相离散随机介质模型,进行探地雷达数值模拟,研究探地雷达波在多相离散随机介质模型中的传输特性及其影响因素.结果表明:多相离散随机介质模型可以直接表征多相混合物的空隙率,为数值模拟研究多相离散随机介质的空隙率与其探地雷达波场特征之间的函数关系提供了模型基础;与均匀介质相比,探地雷达波在多相离散随机介质中发生了明显的电磁散射,形成了大量的无规则扰动,造成了电磁波能量损失,致使其相同空间位置处的探地雷达波波前振幅小于均匀介质,且随机、无序传播的散射波相互干涉叠加,会降低探地雷达回波信号的分辨率;对于多相离散随机介质,其空隙率越大,则混合物等效介电常数越小,介质非均匀性越强,致使电磁波传播速度越快,电磁散射越强烈,能量损失越大,波前振幅越小;随着自相关长度的增大,其对应的多相离散随机介质模型中骨料粒径随之增大,电磁散射越强烈,波前到达距离相同点的走时差越大,振幅变化越大,波前形状扭曲变形越强烈.研究结果可为探地雷达无损检测混凝土工程质量提供指导和借鉴.     

双相混合物等效介电常数探地雷达数值研究

等效介电常数是混合物微观结构的宏观表征,与介质的属性参数密切相关.在传统随机介质建模理论的基础上,通过增加量化约束限定条件,精准控制双相混合物各组成物质的体积占比,建立了 22个体积占比相同、孔隙粒径尺度不等和20个孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物介质模型,进行探地雷达数值模拟,研究超宽频带条件下双相混合物各组成物质体积占比和孔隙粒径大小对其等效介电常数及探地雷达波场特征的影响.结果表明:对于各组成物质体积占比相同、孔隙粒径尺度不等的双相混合物,其等效介电常数基本相同,说明混合物等效介电常数主要取决于其各组成物质的体积占比及其介电常数,但由于混合物内部孔隙粒径尺度不等,其电磁散射强度和能量衰减损失存在明显差异;对于孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物,其空气体积占比越小,等效介电常数越大,与Rayleigh模型、CRIM模型等混合物等效介电常数经验公式计算结果差值越小、吻合越好,同时,其散射波振幅强度和波形杂乱程度越弱,研究结果可为解译双相混合物介质属性参数提供参考和指导.     

探地雷达检测桥梁隐蔽病害方法研究

常规桥梁检测方法无法检测梁板内部裂缝及空心板顶板厚度等空心板桥梁的常见隐蔽病害。本文采用电磁波散射叠加原理,分析了垂直裂缝和倾斜裂缝的电磁波响应特征;研究了商用屏蔽型探地雷达天线普遍采用的平面蝶形偶极子天线的极化特性,平面蝶形偶极子天线激发一个电场主要极化方向与天线长轴方向平行的线性极化波,利用平面蝶形偶极子天线的极化特性使电磁波能量按指定方向传播,压制浅部钢筋等强干扰,增强探地雷达检测深部目标的能力,从而查明空心板内空洞的数量、位置及深度变化情况等。试验检测结果表明,探地雷达能快速、准确的检测桥梁裂缝及空心板顶板厚度。检测结果可以为旧桥维修加固提供更全面的技术数据。     

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.