地质雷达在挡墙检测中的应用

第!"卷第#期#$$%年&月

武汉大学学报!工学版"

’(*(++,*(./,(01.23/40(5(*6+,7*8))-9

:.1;!"<.;#

=,;#$$%>

文章编号#!"@BC@?""&&#$$%$#?$B&?$%

地质雷达在挡墙检测中的应用

安旭文@$侯建国@$王逢庆@$刘戈林#$华晓宾!

!湖北武汉!&@;武汉大学土木建筑工程学院$!$$C#%河南郑州!&#;河南省电力勘测设计院$%$$$C%湖北武汉!&"!;铁道第四勘察设计院$!$$CC

摘要#介绍了地质雷达检测挡墙的基本原理&方法及检测过程中相关参数的选择$并结合实际工程$对所测地质

雷达图像进行分析解释$结果表明$地质雷达检测技术不仅操作方便&检测效率高$而且其分辨率高$相对误差较小$值得在实际工程中大力推广应用;

关键词#地质雷达%挡土墙%检测

中图分类号#D5&C@!!!文献标识码#=

3-$&’($")"%1*",)#A/)/(*’($)’#’*("0,*B/$)/(’$)$)’--0AA1*61*17

@@@#!

$M\5-$3=<EI$M5=‘=<‘/?N+(*0(?/.+(?*(VH5E+?1*(*0.?R*())c)$

!$3/$3/%@;JK4..1.2F*6*10(G=,K4*8+K8/,01’(*(++,*(40(5(*6+,7*840(&!$$C#$F4*(0))9$%#;M+(0(_,.6*(K*01’1+K8,*K_.N+,J/,6+(G]+7*(H(78*8/8+a4+(S4./&%$$$C$F4*(090))

$3/"!;D4+I./,84H(6+78*08*.(0(G]+7*(H(78*8/8+.2L0*1N040(&!$$CC$F4*(0))9

#340(*’&(D4+R07*K>,*(K*1+70(G8+K4(*/+7.2),./(G>+(+8,08*(0G0,2.,G+8+K8*(+80*(*(0117>c),),)N0(G84+7+1+K8*.(7.2K.,,+108*6+>0,0Q+8+,7*(G+8+K8*.(0,+*(8,.G/K+G;D4+),./(G>+(+8,08*(0G0,),

$N$*K8/,+74*K4406+R++(7/,6++G0,++P./(G+GK.QR*(+GN*840(0K8/01>,.+K8;D4+,+7/18774.N>9>Y$840884+G+8+K8*.(8+K4(.1.*7(.8.(10(G1+G+07*1(G+22*K*+(8R/8017.*87,+7.1/8*.(,08*.*74*4)99490)0(G*87,+108*6++,,.,*77Q011;D4+,+2.,+84*78+K4(.1.4./1GR+>./10,*S+G0(G01*+G8.0K8/01,.?)97>>>>+K87;Y

#%%5/"*#0,./(G>+(+8,08*(0G0,+0,84?,+80*(*(011G+8+K8*.()),)N67!!地质雷达是利用电磁波在不同介质中的传播

和反射特性$对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的探测技术;它是近十几年发展起来的以其分辨率高&定位准确&工作效率一种高新技术$

高&操作方便的特点和无损检测的方法$正逐渐成

@(为地下隐蔽工程检测的一种有力工具’随着地质;

社会经济效益;

@!地质雷达检测原理

地质雷达检测挡墙厚度的基本原理#地质雷达通过发射天线&接收天线以及仪器和计算机共同工作;由发射天线D向墙后某一测点发射宽频带短脉冲的高频电磁波$电磁脉冲波在各种介质!墙体圬工&墙后回填层及墙后岩土"的传播过程中$遇到不同介质的分界面时发生波的反射和透射$反射波通过计算机和仪器记录经电由接收天线L接收$

雷达技术的不断发展和实践操作经验的不断积累$其应用范围也不断地扩大$现已广泛地应用于岩土工程勘察&工程结构无损检测&水文地质调查&城市并取得了显著的地下管网和考古探测等诸多领域$

收稿日期##$$&?$%?!$

万方数据作者简介#安旭文!"$男$甘肃民乐人$博士研究生$讲师$主要从事工程结构研究;@AC@?

!第#期

安旭文等!地质雷达在挡墙检测中的应用

B%

缆传输的反射波信号"并在计算机中存储每一个测点上波形序列的振幅及波的旅行时间""然后根6据电磁波在介质中的传播速度C#波的旅行时间"采用公式:XCi"$即66#求出反射面的深度""

可确定测点处墙体的厚度:和目标体的空间位

#"!&置%沿墙面测线匀速移动天线"可获得测线上;

常数"

由式’(可知"电磁波的反射系数主要取决于!探测界面两侧介质相对介电常数的差异"介电常数反射系数也越大"雷达图象就越清晰"检差异越大"

测前"在现场选定合适的墙体’砂浆粘结良好的墙体#砂浆粘结不良的墙体(进行标定检测"测定各种情况下墙体#岩土#空隙和水的电阻率和介电常数"据现场实测及验证资料分析"浆砌片石墙体的相对介电常数值1岩土的相对介电常数!"之间"K在&

无数测点相应的波形序列"形成一整条测线的雷达剖面记录"利用电磁波反射信号的波形特征’包括相位#振幅#周期等(和波的同相性等运动学和动力学特点对地质雷达剖面记录进行对比分析处理"从而可以推断出墙体的结构特征及墙后的回填情况;

;8!电磁波在介质中的传播速度

挡墙检测过程中"雷达电磁波被近似为均匀平面波"在挡墙介质中传播时"其传播速度C主要取决于墙体介质的相对介电常数1K"

即C,B$K

’@(式中!B为电磁波在空气中的传播速度"BX$"!Q$7)1K则由已知墙体的厚度:按公式’#(反演计算求得!

:,

#"6,#’(6#K

式中!:为同类已知墙体的厚度)"6为电磁波的双程走时"

为确定墙体介质的相对介电常数"在检测现场选取有代表性的已知厚度和墙背岩土性质的挡墙进行测试标定"求得墙体圬工#岩土等相关物性参数"作为实际检测工作的依据"墙体的相对介电常数1K与墙体的含水率#

砂浆饱满度及片石电导率等因素有关"本次实测砂浆饱和墙体相对介电常数的平均相对介电常数1KX%"%"由此可得电磁波在墙体内的平均传播速度CX$"@!Q$(7)而对于砂浆不饱和墙体"相对介电常数的变化范围则为"B!%"!"电磁波传播速度在$"@!!$"#&Q$(7之间"

"9!电磁波的反射

由雷达天线发射的电磁波在向地下各介质的传播过程中"遇到不同电性物质的界面时将发生反射"电磁波反射信号的强弱与界面的反射系数及穿透介质时对电磁波的吸收能力有关"对于单置式天线"电磁波在遇到介质界面时"其反射系数0为0,@7#$@1#’!(式中!1@"1万方数据#分别为@

"#两种不同介质的相对介电值1K在A!@B之间"空隙的相对介电常数值1KX"$"水的相对介电常数1KX"@"由于上述几种介质的物性差异较大"因而用地质雷达方法检测挡墙厚度"可以满足地质雷达工作的基本前提条件"

!现场检测与勘察

"8!概述

外业工作包括挡墙检测和简易测量两大部分;其中挡墙检测主要采用地质雷达仪测定结构物主要尺寸#判别墙体砌筑质量和墙后回填情况"并相应了解回填层密实程度以及墙后岩土含水情况;在检测中辅以坑探#

钎探等简易测量方法"以此作为地质雷达检测的辅助手段"对墙体厚度#砂浆饱和程度#回填层及墙背岩’土(体性质#含水情况等予以验证;

;9!测线布置

检测采用横断面’沿墙面垂直路基方向(形式"原则上测线沿墙纵向间距取B!@$Q"

每条测线上采用连续密集测量方式"

测线间距视挡墙的高度#墙体质量等情况可适当调整;在现场检测时应及时对取得的资料进行初步分析#研究"如需加密测线"应作补充检测;

;:!检测仪器及测量参数的选择

外业工作采用美国地球物理公司’EJJH(生产的JHL?#$型彩显地质雷达系统进行检测;

地质雷达的探测距离与分辨率是地质雷达应用中的两个重要的技术参数"直接受天线的中心频

率的影响%@&

"因此正确选择天线频率将直接影响到

检测效果的好坏;天线频率高"可提高地质雷达分辨率"但探测距离减小"测不到墙后的回填层)降低天线频率"可增大地质雷达的探测距离"但其分辨率下降;一般来说"在满足分辨率的前提下"应尽量使用中心频率较低的天线;根据现场挡墙高度#厚度的差异"分别采用#$$[MS和&$$[MS收发单

@8(#999@8

置屏蔽天线测试#以提高探测深度和精度;另外在检测过程中根据墙体厚度的不同#记录长度分别设置为%#采样记录线为B#采样$(7和C$(7&根$7迭加次数为@点数为%@#个$记录线#B位$样点;

由于墙体内存在较多%较大的空饱满或干砌时#

隙#电磁波散失%形成不规则反射#雷达反射界面就不够清晰;

根据反射波振幅%相位%频率等波形特征判断回填层;

!充分掌握地质%钻探%岩土工程等资料#识#"

别干扰波;

在根据波的四个标志进行波的对比分析时#还应当认识到实际情况的复杂性;外业工作中#地质!!检测资料处理与解释

地质雷达图像的地质解释就是结合测区已知的地质资料#综合应用地质雷达波的运动学%动力学特征和墙体%墙后回填层及岩土%空隙的电阻率和介电常数的差异#对现场收集的各类检测数据%量测资料和数据处理后的雷达图像进行详细%系统的分析%解释#以获得整个测区的最终成果#从而达到地质雷达检测的目的;

;8!资料处理流程

资料处理采用L=]=<&;$专用软件#处理流程见图@

;

图8!地质雷达资料处理流程图

;9!雷达图像的识别原则

利用地质雷达有效波的运动学特点和动力学特点来识别和追踪同一界面的波#进行波的对比分析是地质雷达图像解释的基础工作#故在地质雷达图像解释时#应遵循如下基本原则&

!@

"掌握地质雷达反射波组的特点;根据各种波的同相性%振幅显著性增强%波形特征和时差变化规律等四个标志#充分利用时间剖面的直观性和范围大的特点#纵观整条测线#重点研究强振幅%能长距离连续追踪%波形稳定的特征波#识别剖面的主要特点#同时还应分析时间剖面上的绕射波#解释同相轴不连续的原因;

根据雷达反射界面的清晰程度判断墙体砌筑质量;当墙体砌筑砂浆饱满时#挡墙成为一个良好的整体#与墙背回填物有较大的物性差异#此

时雷达反万方数据射界面清晰’反之#当墙体砌筑砂浆不

雷达在接受有效信号的同时#往往也会受到各种不确定因素的干扰#使波的相位%振幅和波形等发生变化#因此要综合分析现场的地质%钻探%岩土工程等资料#弄清波形变化的原因;

!!

"识别墙后可视目标体和非目标体的反射#进行雷达图像的地质解释;

;:!实例分析

根据上述雷达图像的判释原则和方法#下面结合几组典型的地质雷达图像对其进行说明;

!@

"典型的地质雷达图像

;图9!典型的地质雷达图像

图#为典型的正常地质雷达图像#此图由浅至深的地质解释为&

’$;

$Q附近的第一同相轴为雷达初始信号与墙体表面的偶合层#即图中=层’($;$!$;CQ范围内反射波波形稳定%规则%振幅强#同相轴为可连续追踪的比较宽粗的水平层状#该同相轴推断为浆砌片石在雷达图像上的反映#同时雷达反射界面清晰#故推断墙体砂浆饱满#砌筑质量较好;

)$;CQ附近的白色标注线即为墙体与山体的分界面#其依据是&墙体与岩!土"体之间两者介电常数差异较大#电磁波到达该界面时反射

:::

波能量增强"反映在雷达图像是一个较明显的反射界面#与墙体接触的山体岩$土%多为强风化层"该岩$土%体多表现为颗粒均匀&粒径较小"在一定厚度范围内可视为一个匀质体"故电磁波在其中传播时无断面波&绕身波等突变反射波产生"反射波同相轴对比性较好"故山体的全$强%风化层表现在雷达图像上为多组彼此近似平行&规则的彩色条带#另外"由于风化层围岩粒径较小"故彩色条带一般较窄小;

$#

%墙后有回填层的地质雷达图像;图!为墙后有回填层的地质雷达图像"图中;CQ以上的解释同图#类似"

主要说明的是;C!@;BQ白色标注线之间的回填层"自$;CQ以下的右部为回填物"因为回填物大小不一&结构不同&空隙度大&空隙内的空气与回填物之间存在较大的物性差异"故对应的地质雷达波呈现出反射层位零乱&起伏变化较大"同相轴杂乱&连续追踪性差;斜向标注线以下反射波振幅强"多组近似平行的同相轴呈连续斜向层状分布"显然是强风化的岩$土%体

;

图:!墙后有回填层的地质雷达图像

$!

%墙后含水的地质雷达图像;图&为墙后含水的地质雷达图像;因水的介电常数为"@"远大于一般岩土体的介电常数"因此含水后的岩土体产生很强的反射信号"故区分这两种介质比较容易"如图&所示;另外"墙体背侧的雷达图像出现不连续的部分"即可推定该墙体背侧砂浆不饱和"砌筑质量较差;

!检测数据误差分析

为保证测试数据的准确性和雷达参数调整的

合理性"在检测过程万方数据中"选择厚度不同而墙厚

已知

图;!墙后含水的地质雷达图像

的墙体进行对比验证是非常必要的;根据现场实际情况"分别选择b#&"e@A"&b#"$e!!#&b!!Ae

AA处的挡墙进行了验证;经现场量测表明"b#&"e@A"&b#"$e!!#&b!!Ae&AA处的墙体实际厚度

见表@;对地质雷达成果进行分析确定的墙体厚度及误差对比结果也一并列于表@;

表8!雷达检测厚度与实测墙体厚度的对比结果测线里程$距墙底%误差b#&"e@A"&;$Q@A%B"’@@B%;BUb#"$e!!#C;$Q@B$%#’@$@&;&Ub!!Ae&AA

&;$Q

B$

B!

%;$U

!注!

雷达结果一栏中分子表示墙体的砂浆饱和层"分母表示砂浆不饱和层;

从表@可以看出"当墙体的相对介电常数1K

取为%;%时"与墙体实际厚度相比雷达结果的相对误差最大不超过BU"排除偶然误差和本次检测资料下述几个方面的主要误差来源"可以认为本次挡墙检测中所取相对介电常数是基本合适的;本次检测资料的误差主要来源于以下几个方面!

$@

%反射波双程走时的读取误差;该误差虽属于人为随机误差"但经过多次读取"然后取其平均值可以将该误差影响降低到最低限度;

$#%定位误差;

由于墙体表面凹凸不平"天线在移动过程中很难保持绝对匀速上升"而在地质雷达图像解释过程中认为天线是匀速运动的;$!

%电磁波在砂浆不饱和墙体中的速度误差"该误差是解释结果的最大影响因素;因为墙体砂浆不饱和"墙体内形成较多空隙"电磁波反射不规则"界面不清晰"增加了界面分辨的难度"且电磁波的传播速度变化范围较大"难于准确确定;而在砂浆饱和墙体中"介质相对单一"电磁波速度能比较准

$$&&

确地求得;

根据以上分析#在图像解释过程中#应用验证结果调整参数并仔细读取反射波双程走时来降低误差;

一般选择天线频率将直接影响到检测效果的好坏;来说#在满足分辨率的前提下#应尽量使用中心频率较低的天线;

!"地质雷达数据的采集受现场环境因素的!

影响较大#故在实际应用中#应结合现场的地质%钻探%岩土工程等资料排除各种干扰因素#并不断积累经验#对地质雷达图像作出正确的判释;参考文献&

%!结束语

!"应用地质雷达对铁路挡墙进行检测#可不@

影响铁路的正常运营$是一种操作简便的方法#且对挡墙无破坏作用$能够获得连续的图像剖面#检测效率高$检测结果以实时深度或时间剖面显示#直观明了$检测数据和图像可由计算机通过雷达测试专用软件进行处理#实用方便$检测结果与实际情况接近#误差较小#故在实际工程中应大力推广应用;!#

"地质雷达的探测距离与分辨率是两个均受天线频率影响但相互对立的技术参数#因此正确

万方数据

’@(!夏才初#潘国荣;土木工程检测技术’

[(;北京&中国建筑工业出版社##$$@;

’#(!李!力#

侯建国#杨成林#等;探地雷达和瑞雷波方法在水工混凝土质量检测中的应用’-(;水利水电技术##$$@!%"&!%?!A;

’!(!刘成军;铁路路基挡土墙质量无损检测的研究’

-(;铁道工程学报##$$@!&"&#$0"

#!;