探地雷達(dá)探測精度影響因素研究

摘 要:探地雷達(dá)作為一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，由于其具有高效、快速、連續(xù)、無損傷、低成本和高分辨率成像等特點(diǎn)，目前已成為公路、機(jī)場、隧道、水壩和堤防等基礎(chǔ)工程設(shè)施無損檢測技術(shù)的重要組成部分。本論文針對目前探地雷達(dá)探測中出現(xiàn)的一些難點(diǎn)問題做了一些研究。研究了在進(jìn)行探地雷達(dá)勘察時不同的介電常數(shù)設(shè)置值對探測結(jié)果的影響，并通過對建筑物的實(shí)際探測驗(yàn)證不同介電常數(shù)設(shè)置值對探測精度的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞:探地雷達(dá) 介電常數(shù) 混凝土含水率

中圖分類號:U456文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0009-02

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜(1MHz～1GHz)電磁技術(shù)。探地雷達(dá)利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度和波形資料可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況[1]。

在利用探地雷達(dá)進(jìn)行勘探的過程中，介電常數(shù)設(shè)置值是影響探地雷達(dá)探測精度的一個重要參數(shù)，本文通過利用探地雷達(dá)進(jìn)行探測過程中的介電常數(shù)設(shè)置值的變化，通過試驗(yàn)獲得不同介電常數(shù)設(shè)置值對探地雷達(dá)探測精度的影響規(guī)律，為探地雷達(dá)的高精度探測提供數(shù)據(jù)支持。

1 探地雷達(dá)探測實(shí)驗(yàn)

在本次試驗(yàn)中將鋼柱放置在300mm的混凝土試塊后，利用探地雷達(dá)在試塊正面進(jìn)行探測，測線布置圖如圖1所示:

在本次勘測中，通過設(shè)置探地雷達(dá)參數(shù)中不同的介電常數(shù)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得了以下數(shù)據(jù)(如表1）:

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過模擬公式計(jì)算獲得混凝土試件的介電常數(shù)值為=9.03，從這個表里可以看出，當(dāng)探地雷達(dá)介電常數(shù)設(shè)置接近9的時候其探測深度最接近實(shí)際深度，而隨著介電常數(shù)的變化，其探測深度也呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。其變化曲線如圖2所示:

通過圖2可以看出，在進(jìn)行探地雷達(dá)探測時，介電常數(shù)的設(shè)置值對探測結(jié)果影響是很大的，通過計(jì)算，混凝土的相對含水量為4.1%，等效介電常數(shù)為9.03，觀測圖2可以看出，當(dāng)混凝土的相對介電常數(shù)為9.00時，其探測深度值最接近實(shí)際深度值，較好的驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 檢測試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證性探測:

通過實(shí)驗(yàn)獲得了介電常數(shù)設(shè)置值對其探測深度影響的變化規(guī)律，為了驗(yàn)證所測結(jié)果，對某一建筑物的地板進(jìn)行了驗(yàn)證性探測(如圖3）。

在驗(yàn)證型探測過程中，為了檢測探地雷達(dá)介電常數(shù)設(shè)置值對探測結(jié)果的影響規(guī)律，在探測過程中我們依次對探地雷達(dá)介電常數(shù)設(shè)置值為20、15、8、6。探測結(jié)果如表2所示。

通過對比可以看出，當(dāng)介電常數(shù)值設(shè)定為20時，通過對雷達(dá)圖像進(jìn)行分析，得到的鋼筋網(wǎng)深度大約在0.05～0.08m之間，介電常數(shù)值設(shè)定為15時探測其筋網(wǎng)深度在0.08～0.10m之間，介電常數(shù)值設(shè)定為8時探測其筋網(wǎng)深度在0.12～0.16m之間，當(dāng)介電常數(shù)值設(shè)定為6時探測其筋網(wǎng)深度在0.15～0.20m之間。干燥混凝土的介電常數(shù)值一般在8左右，通過對實(shí)驗(yàn)室出露的部分進(jìn)行測量得到鋼筋網(wǎng)的實(shí)際厚度為0.13m，因此，通過改善參數(shù)設(shè)置可以達(dá)到提高探地雷達(dá)探測精度的目的。

3 探地雷達(dá)探測實(shí)例研究

探地雷達(dá)作為一種高分辨探測技術(shù)，可以對深淺地質(zhì)問題進(jìn)行詳細(xì)填圖和對地下目標(biāo)體進(jìn)行無損探測等。自20世紀(jì)80年代末以來，探地雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，它己應(yīng)用到各行各業(yè)中，如采礦工程、水利水電工程、地質(zhì)工程與巖土工程勘察、建筑工程、公路工程、隧道工程、管線工程、環(huán)境工程、考古等等。在工程建設(shè)與維護(hù)過程中，探地雷達(dá)可用于各種工程災(zāi)害隱患的探測，為工程設(shè)計(jì)、施工以及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

探測路段為某線電氣化改造三標(biāo)段擋墻左側(cè)K56+945里程，目的是通過探測擋墻了解由于使用時間較長擋墻后部是否有雨水沖刷而造成的空洞。在進(jìn)行探測時，考慮到了混凝土含水率將會對探地雷達(dá)的探測精度有很大影響，因此，在進(jìn)行探地雷達(dá)測前，通過化驗(yàn)獲得被探測檔墻的含水率為3.8%，其介電常數(shù)理論值為8。因此在進(jìn)行探地雷達(dá)測量時將其介電常數(shù)參數(shù)值設(shè)為8。圖4為探地雷達(dá)探測測線布置圖。

探測效果圖如圖5所示:

此圖由淺至深可以解釋為:

(1)0.00m附近的顏色為黃色反射層為天線和擋墻之間的偶合層，厚度較小，由此部分可以看出此墻結(jié)構(gòu)較好，面板連接緊密。表層較為平滑，符合現(xiàn)場實(shí)際情況。

(2)0.00～0.10m之間標(biāo)號為A層反射較強(qiáng)，經(jīng)推測應(yīng)為加筋土，反射角為強(qiáng)烈的藍(lán)色帶狀區(qū)域?yàn)榻罹W(wǎng)。周圍是用混凝土砂石澆注的填料層。

(3)0.10～0.25m的B層經(jīng)反射效果也比較好，在B層中出現(xiàn)的幾個藍(lán)色亮點(diǎn)經(jīng)推測為起到加固擋墻作用的回裹筋、主筋、以及構(gòu)造筋。由于金屬的介電常數(shù)電磁波的吸收效果較好，因此會出現(xiàn)亮點(diǎn)強(qiáng)反射這種情況。

(4)0.25～0.50mC層反射較A、B層差，經(jīng)推測應(yīng)為反濾層。其反射較無規(guī)律，但在各拉筋周圍由于與山體連接且與周圍性質(zhì)差異顯著，因此在附近也出現(xiàn)異常，探測結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。

通過探測得到了擋墻后部填料層的結(jié)構(gòu)情況。

在利用探地雷達(dá)進(jìn)行探測時，介電常數(shù)的設(shè)置值對其探測精度影響是很大的，因此，在探測前通過各種手段對被探測物體的介電常數(shù)進(jìn)行確定尤為必要，將會為探地雷達(dá)的高精度探測提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]李大心.地質(zhì)雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].地質(zhì)出版社.1994