公路结构检测中探地雷达资料自动解释技术

探地雷达技术正被广泛应用于公路结构检测。根据平面电磁波在具有不同物理性质的介质分界面发生的反射和折射规律,利用雷达实测信号的幅值和走时信息实现了路层厚度的快速自动解释;利用数值模拟分析和实测资料对解释技术进行检验,证明了技术的有效性。     

地下多层介质土体等效介电常数的计算方法

城市道路包括路面层和路基层,路面层和路基层又由不同的介质层组成,各层介质的相对介电常数不相同,在城市道路上进行探地雷达探测时,用一个相对介电常数解释所有深度的数据是不准确的.为此,从不同相对介电常数的三层介质出发,推导了n层层状介质条件下地下各深度处的等效介电常数的计算公式,并分别设计了地下两层和三层介质的模型,计算得到地下各深度处的等效介电常数和深度—时间的对应关系.最后利用两层介质的探地雷达正演模拟数据,对等效介电常数计算公式的准确性进行了验证.结果表明,在地下介质呈层状分布的情况下,利用等效介电常数能够更准确地对探地雷达数据进行深度解释.     

探地雷达测量土壤水含量的进展

包括探地雷达(Ground Penetrating Radar)在内的许多电磁方法正越来越多的应用于近地表水文地质领域。探地雷达技术基于介质的电磁特性,通过介质介电常数和速度的变化来反映土壤的体积水含量。水的相对介电常数为81,而周围介质的相对介电常数约为2~30,这样大的介电常数差异使探地雷达成为监测和分析地下水的有效工具。介绍4种应用探地雷达测量土壤水含量的方法,包括:探地雷达反射波法、探地雷达地面波法、钻孔探地雷达方法、以及探地雷达地表反射系数方法4种方法各有不同的适用条件,其中反射波方法最为常用。     

公路施工中如何开展节能降耗

总结了公路施工节能减排的有效途径,主要包括使用节能机械,加强设备管理与维护;发展温拌沥青技术,推广散装水泥;促进路面沥青、煤矸石和粉煤灰等再生资源的利用。     

探地雷达测量近地表含水量的研究

为充分验证探地雷达方法用于测量近地表含水量的有效性和可靠程度,基于探地雷达的反射波法,根据介电常数、电磁波传播速度和含水量三者之间的关系,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方法模拟分析了不同测量方式下,局部含水层的探地雷达响应,借助速度分析理论及Topp公式,反演得到了研究区域的含水量。     

探地雷达测定地基土含水量的实验研究

利用室内模型槽,采用探地雷达开展了测定地基土含水量的室内实验研究。通过对探地雷达反射波法测定的介电常数和烘干法测定的含水量之间的曲线拟合,提出了实验用粉土的含水量与介电常数之间的经验公式。与实测含水量的对比分析表明,Topp公式在一定含水量范围内有良好的适用性,而本文提出的经验公式较Topp公式具有更宽的含水量适用范围和更高的预测精度;针对不同类型土建立相应的含水量和介电常数之间的经验公式是必要的,将有助于提高探地雷达测定地基土含水量的精度。     

三维步进频率探地雷达在沥青层厚度检测中的应用

目前应用于道路沥青层厚度检测的探地雷达主要为1GHz以上的高频单通道天线,检测覆盖范围小,存在以线代面的问题。为了在兰州市市政道路工程竣工验收中实现沥青层厚度全覆盖无损检测,采用三维步进频率空耦探地雷达结合钻芯量厚验证其在沥青层厚度检测中的可靠性。文中通过分析步进频率探地雷达系统的工作原理和深度分辨率,并根据三维步进频率探地雷达的实验结果和验收实例,说明其适用于道路沥青层厚度检测,并具有直观、高效、分辨率高等特点。     

基于梯度法和L-BFGS算法的探地雷达时间域全波形反演

探地雷达全波形反演充分利用雷达波场的运动学和动力学信息,来反演地下介质电导率和介电常数等参数,这里从TM模式下的麦克斯韦方程组出发,利用单轴各向异性(UPML)吸收边界条件,进行雷达波场时域有限差分正演模拟,给出了电导率和介电常数梯度方向的求取方法,并以步长为自变量通过求取目标函数为极值的方式来确定最优步长。从反演结果可以看出,对于单参数反演,无论是电导率还是介电常数,反演结果都十分接近于真实模型;对于双参数同时反演,反演结果的异常体形态接近于真实模型,但是由于电导率和介电常数之间的耦合影响,使在数值上相比单参数反演得到的反演结果较差;考虑到近似Hessian矩阵中的非对角块元素能够反映不同参数之间的相互作用,因此在双参数同时反演时对比了梯度法和L-BFGS算法,结果显示,利用L-BFGS算法可以更好地解决电导率与介电常数之间的耦合影响。     

注浆材料介电常数在雷达图像识别中的应用

利用探地雷达(GPR)方法探测软土盾构隧道盾尾壁后注浆分布效果时,电磁波在介质中的传播速度是准确识别介质界面的关键。在估计波速时常常将介质的介电常数假设为固定不变的常数,这不符合实际情况。为保证探测图像识别的精度,首次利用网络分析仪对不同配比、不同探测频率和不同龄期下软土隧道壁后注浆材料的介电常数进行了测定,对测定结果进行了基于射线追踪原理的GPR数据二维正演分析,并将分析结果与模拟的探地雷达隧道壁后注浆分布探测结果进行了比较。结果表明,针对不同的探地雷达探测频率而采用相应的介质介电常数来进行探地雷达探测图像的准确识别是十分必要的。     

探地霄达在公路路面检测中的应用

公路建设的发展对路面质量提出了更高的要求,相应也要求更为先进的路面质量检测方法。本文探讨了探地雷达技术在公路路面检测,公路病害检测中的应用,有助于探地雷达在公路建设中的推广。     

探地雷达在淡水区浅水域的探测试验

通过堤防护岸水域抛石探测、水下砼格及碎石层探测、江边堆场滑坡水域探测三个案例,说明探地雷达在淡水区浅水域探测效果。重点分析了探测对象所处环境的电导率、介电常数和探测所采用天线频率对探测效果的影响。探地雷达填补了浅水域工程勘察空白,研究成果对非水域探地雷达探测与检测具有借鉴意义。     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

水泥混凝土路面脱空的探地雷达图像特征分析

脱空是水泥混凝土路面的常见病害,也是行车安全的主要隐患。探地雷达法通过观测分析高频电磁波反射信号特征来研究探测目标体的性质与规模,可以快速、有效地确定路面脱空的位置与充填情况。GprMax2D模拟结果、雷达实测资料和开挖验证情况的综合分析成果表明,充泥和充气空洞的雷达图像十分相似,特征明显,在空洞正上方都会出现一组非常明显的强反射信号,同相轴呈弧型,由于介电常数的明显差异,使得空洞充泥时反射波与直达波相位相反,而充气时反射波与直达波相位相同;不密实区域同相轴错断,显示出多条不规则弧形曲线。      

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

基于随机分布的断裂破碎带GPR剖面特征分析

为了验证探地雷达在查找基岩中断裂破碎带的有效性、以及进一步认识破碎带在探地雷达反射剖面上的表现特征,结合概率论和数理统计知识,通过设置断裂破碎带中介质的介电常数在一定空间范围内随机分布,建立了更为贴合实际的断裂破碎带模型,使用时域有限差分方法正演模拟其二维GPR反射剖面,较好地揭示了断裂破碎带的GPR剖面特征。通过对不同破碎程度和基岩具有不同介电常数的破碎带模型进行正演模拟,分析其正演GPR剖面的图像差异,较为深入地认识了断裂破碎带在GPR剖面上反映出的特征。最后,进一步引入工程实例,发现通过正演模拟揭示的断裂破碎带GPR 剖面特征在断裂破碎带的实际探测剖面上也是存在的,说明通过正演模拟来指导实际资料的解释是现实可靠的。     

地球物理学方法在区分多年冻土区咸水层和淡水融化层中的应用

Direct current resistivity and ground penetrating radar surveys were employed to obtain the value of the resistivity and dielectric constant in the brine near the Barrow, Alaska. The geophysical surveys were undertaken together with the permafrost drilling program for the measuring of the ground temperature regime and for the core sampling. The sampled cores were measured for their physical and chemical properties in the laboratory under different temperature conditions (-60 to 20 ℃). Laboratory results support field observations and led to the development of a technique for distinguishing freshwater taliks and brine layers in permafrost. These methods were also employed in freshwater taliks near Council,Alaska. The electrical resistivity is a powerful and sensitive parameter for brine detection. However, the resistivity is a less sensitive indicator of the soil type or water content under highly saline conditions.High frequency dielectric constant is an ideal second parameter for the indication of the soil type, liquid water content and other physical properties. The imaginary part of the dielectric constant and resistivity have a significant dependence upon salinity, i.e. upon freezing temperature. The ground temperature regime and the freezing point of the brine layer are important parameters for studying the electric properties of permafrost terrain.     

基于探地雷达的路基地下异常体全波形反演

路面塌陷及地下空洞隐患往往较为隐蔽且事发突然,造成了人们生命和财产的巨大损失,对于道路塌陷及地下空洞隐患的检测分析显得至关重要。探地雷达(Groud Penetrating Radar, GPR)因其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点,是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法。针对GPR传统目标函数全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)中激励源子波估计不准确而导致反演准确性和可靠性降低的问题,提出了一种褶积型目标函数FWI算法。对于路面塌陷及地下空洞2种情况,通过建立合成数据模型,与传统目标函数FWI的反演结果进行对比,说明了褶积型目标函数FWI算法在激励源子波估计不准确的情况下依然可以得到良好的反演结果,验证了该算法的有效性;最后将该算法用于2组不同灾害类型的GPR实测数据中,分析反演得到的地下介质相对介电常数分布情况,验证了褶积型目标函数FWI算法对于实测数据的实用性,从而为路基地下异常体探测提供理论依据。      

The Influence of Conductivity on the Reflected Ground Penetrating Radar SIgnal Amplitude

Within the ground-penetrating radar (GPR) bandwidth a subsurface materials is considered to be an ideal dielectric, which is not always the case. We have developed the dependence of the reflection coefficient of electromagnetic waves with regard to conductivity, which showed a significant effect of the difference in conductivity on the reflectivity and signal amplitude. This was confirmed by physical modeling. The electrical conductivities of a geological media should be taken into account when solving direct and inverse problems, survey design planning, etc. Ground-penetrating radar can be used to solve the problem of mapping of the halocline or to determine water contamination.     

管线渗漏异常探地雷达数据的电场分量成像分析

探地雷达（GPR）是管线渗漏探测的有效方法,但是当地下介质分布较为复杂时,难以直接从GPR数据剖面图中准确识别出渗漏异常区。为此,针对渗漏异常区含水量高的特点,根据反射波系数与介电常数的关系,提出了GPR数据的电场分量成像技术。利用时间域有限差分法（FDTD）模拟了不同介电参数的地质模型在GPR中的电磁波响应,由正演模拟结果可知分界面两侧介质的介电常数差异性越大反射波能量越强。最后将GPR数据的电场分量成像技术应用于某工业区管道渗漏探测中。试验结果表明,管道渗漏异常区在电场分量图谱中表现为高幅值区。