探地雷达检测路面脱空大小的模型试验_葛如冰

物　探　与　化　探

GEOPHYSICAL＆GEOCHEMICALEXPLORATION

Vol.33,No.5　Oct.,2009　

探地雷达检测路面脱空大小的模型试验

葛如冰,孟凡强

司,广东广州　510080)

摘要:探地雷达能检测公路路面的脱空,但一直以来,其对脱空大小的定量计算问题一直没有解决。为此,按公路路面的结构,建立了路面脱空的实际模型,进行检测试验分析,取得了一定成果:得出了路面脱空的反射振幅大小与其垂向大小成正比的结论,从而建立了探地雷达检测路面脱空的定量计算公式。该结论使探地雷达检测路面脱空能够定量化,使脱空反射的快速准确追踪成为可能,有较强的实用价值。关键词:探地雷达;路面脱空检测;定量计算公式;无损检测

中图分类号:P631.3+25　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-18(2009)05-0599-04

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(1.广州市城市规划勘测设计研究院,广东广州　510060;2.广东省华南工程物探技术开发总公

　　当路面建成投入使用后,由于基层材质、接缝的移动与错动、水渗、板块移动等原因,导致了面层底

部脱空(面层底部形成空洞)的形成。众所周知,探地雷达在公路路面脱空检测中有着非常好的效果,该技术在国际、国内的应用已越来越普遍,越来越成熟。然而,影响该技术进一步发展与普及的关键问题是如何解决脱空大小的定量计算问题。由于公路路面的脱空非常小,大多在1cm以内,很多人认为,这样小的脱空能分辨出来,已经是很了不起了,怎么可能定量探测呢?但是,如果不能解决定量计算的难题,检测的准确性和速度都会受到很大影响。我国公路建设日新月异,对脱空检测的需求越来越大,其检测任务也越来越重,一次检测下来,其雷达测线动辄数十公里,甚至数百公里,因此,建立快速准确的脱空检测追踪程序势在必行。而要快速准确地检测追踪,没有定量的探测技术,基本上是不

可能的。目前市场上已经有一些雷达检测脱空的追踪软件,但效果都不尽如人意,其原因也就在于此。

在广东省地质科学基金的支持下,从2005年末开始进行脱空检测的定量研究。为了更好地研究路面脱空的雷达波反射机制,项目组决定进行实际模型制作,以研究不同大小脱空的雷达反射特征。在实际研究中,先后建立了2种模型:固定模型和活动模型。

1　固定模型

1.1　模型制作

按照路面脱空检测的需要,设计了4种类型的脱空固定模型,如图1a示,平面总尺寸为1500mm×4000mm。

模型纵向厚度为40cm。下部水稳层厚20cm,水泥含量为5%～7%,分层压实;上部水泥砼面层

图1　路面脱空模型施工设计(a)与成图(b)

收稿日期:2008-11-11

基金项目:广东省地质科学基金(200509)资助项目。·600·

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厚20cm,混凝土强度C20。

模型按脱空垂向大小分为4种不同类型,每种类型的平面尺寸为1000mm×1000mm。1号模块不脱空;2号模块垂向脱空≥10mm,实际预设脱空为12mm;3号模块为5mm≤垂向脱空≤10mm,实际预设脱空为8mm;4号模块垂向脱空≤5mm,实际预设脱空为4mm。

为便于脱空的预设,模型块的脱空范围仅为该块的2/3,如图1a中的红线范围内。相邻模块之间部位亦设置为固结不脱空。模型底板为原砼质地面,模型块自水稳层起均位于地面上,便于预设及观察(图1b)。1.2　试验研究

脱空模型于2006年上半年制作成功。项目组在其后约半年的时间里对模型进行了大量的试验工作。

模型的宽度为1.5m,测试用的900MHz单体天线的宽度为15cm。测试参数取为:天线主频900MHz,采样点数为1024Samples/Scan,采样率为50

Scan/s,测距轮采样设置为48Scan/m,时窗为7ns。

增益采用多点增益,在同一时窗的剖面里,所有的测试参数(含增益)都是相同的。

图2为模型块试验结果,其中图2b中单道波形均取自各试验模块中脱空反射波振幅最大处,图2c是从图2b中提取的各模块的典型单道曲线对比及其中脱空反射波的最大振幅值。典型曲线取的是各块中振幅为最大值时的曲线。

从彩色成果剖面图上看,在不脱空位置测得的图形(图2a),面层底部反射波不明显;而在有脱空预设处测得的图形(图2b)中,采样波型的振幅与脱空的大小有一定的对应关系:不脱空时反射最弱,振幅最小;脱空最大处(12cm)反射最强,振幅最大;随着脱空值的减小,其脱空反射逐渐减弱,振幅逐渐减小。依据图2c中的振幅数据,可以更直观地看出振幅与脱空大小的对应关系:脱空反射波振幅随着脱空的增大而增大,随着脱空的减小而减小,呈近似的正比关系。

a—未脱空测线的雷达实测成果剖面;b—脱空测线上的雷达实测成果剖面;c—模型块雷达单道波形对比

图2　路面脱空模型试验结果

2　活动模型

2.1　模型制作

我们在固定模型的试验中取得了良好的成果,但固定模型有它的局限,如取点的数量、代表性都很有限。为了使成果更具代表性,决定在固定模型的基础上,增设活动模型。

活动模型的大小为1500mm×1000mm,活动

图3　固定模型雷达反射波振幅与脱空大小关系

　　图3是固定模型雷达反射波振幅与脱空大小的

关系图示。从图中可以看出,脱空反射波振幅A与脱空大小h成正比关系,可以近似总结出如下的公式:A(h)=10000+20000h,h以cm为单位。模型纵向厚度为40cm,其材料与固定模型完全相

同。其独特之处在于,模型的面层与水稳层完全分离,在模型面层块的四周设有钢支架,可采用千斤顶进行人工调试脱空的纵向大小,如图4所示。这样就可模拟不同纵向大小的脱空,从而可以进一步研　5期葛如冰等:探地雷达检测路面脱空大小的模型试验

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了4种不同的增益参数,按上述步骤采取雷达成果,

并将其成果绘制在同一幅图中(图5)。

从图5中可以看出,在4种不同参数情况下,当h≤8cm时,脱空反射波振幅A与h成正比关系,很容易总结出如A(h)=A(0)+K·h的计算公式,分别是:A=6500+1350h、A=12400+1850h、A=5900+1590h、A=5300+1080h;而在h>8cm时,A与h之间没有明显的对应关系。当然在图中可以看出,当脱空越来越大时,其振幅值又开始呈现出减小的特征。在这里,我们注意到8cm实

图4　活动模型

究脱空的定量关系。2.2　试验成果

脱空模型于2006年下半年制作成功,其后约半

年的时间里对模型进行了大量的试验工作。图5给出了这次模型研究最重要的成果资料。

试验使用SIR-10H型探地雷达和900MHz的探地雷达天线,采用常规的雷达采集参数进行数据采集。工作时,应用千斤顶将路面层与其下水稳层的距离不断升高。同样的参数采集16次,对应的脱空h为0～15cm的整数值。提取活动模型中的同一点的反射波振幅值A,然后以脱空大小h为横坐标,以振幅A为纵坐标绘制A-h关系图。由于SIR-10H型探地雷达可通过增益控制改变反射信号的振幅值,于是,为了保证研究成果的普遍性,分别采用

际上与900MHz为主频的试验雷达波的λ/4相近

(λ≈33.3cm)。

3　相关理论

从试验的成果看,当h≤8cm时,脱空反射波振幅A与脱空大小h成正比关系。这样的结论是否有理论支持呢?

通过文献[1]可知,1973年,Wideds在研究地层厚度对雷达反射波的影响时,得出过以下3个重要结论:

(1)当地层厚度超过λ/4时,复合反射波形的第一个波谷与最后一个波谷的时间差正比于地层厚度。在这种情况下,地层厚度可以通过测量顶界反射波的初至和底界反射波的初至之间的时间差确定出来。

(2)当地层厚度小于λ/4时,反射波形的变化很小。在这种情况下,地层厚度正比于反射波振幅。

(3)当地层厚度等于λ/4时,来自顶底界面的反射波发生相长性干扰,其复合波形的振幅达到最大值。

目前所研究的脱空检测中,900MHz天线雷达波的λ/4约为8.3cm,当h<8.3cm时,满足第二项的预定条件,只不过这时的“地层”变为空气层。也就是说,从理论上讲,路面脱空的厚度应该与雷达反射波的振幅成正比。

因此,此次试验的成果与Wideds的结论是一致的。

4　定量公式及其参数定义

通过试验,得出了探地雷达检测脱空的定量公式:A(h)=A(0)+K·h。

结合实测经验,对公式中的参数作进一步的定义。

图5　不同参数的雷达反射波振幅与脱空大小的关系

A(h)为脱空位置的反射波振幅峰值。

A(0)为脱空振幅临界参数,其物理含义是,如·602·

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果面层底的反射波振幅峰值小于此值,即可视为不脱空。这与以前实测中的经验是吻合的,对雷达资料进行钻芯验证时,可以发现,在不少不脱空的位置,其振幅并不相同,是有一定的取值范围的。

K为脱空常数,对同一工地、同种观测参数,其值为常数。从图5可以看出,观测时的雷达参数对脱空公式、脱空常数的影响很大。造成这种情况的原因在于,因为地下介质的吸收和雷达波的衰减,接收天线能获得的雷达反射波已经很微弱,为了能更清晰地了解反射波的特性,几乎所有的雷达仪器都会采用增益技术对反射波进行放大。如果要利用反射波振幅进行资料解释的话,保证其观测参数的一致性是非常必要的。

h为脱空垂向值,单位以cm为宜。

实际工作中,在进行剖面探测后,运用以上公式就可以以钻孔值标定出A(0)及K值,并进行全测区脱空h的量值计算:h=[A(h)-A(0)]/K。

以上公式由实际的模型试验得出,又与理论相符,应该是可信的。

应该说建立探地雷达检测路面脱空的定量计算公式,这在雷达检测领域还是第一次。这使探地雷达检测路面脱空的定量化得以完成,从而使路面脱空反射的快速准确追踪成为可能,必将对雷达检测路面脱空领域产生重大的影响!

但是,由于时间及经费的关系,还未将其进行大规模的实测验证,这将是我们下一步的研究重点,也希望各位同行能在实测中检验本公式的可靠性,并给予指正。参考文献:

[1]　李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.[2]　葛如冰,孟凡强.探地雷达探测路面脱空大小的定量计算公式

[J].工程勘察,2008,(9).

[3]　李金铭,罗延钟.电法勘探新进展[M].北京:地质出版社,

1996.

[4]　林尤聪,黄伟义,葛如冰,等.透地雷达检测路面脱空与灌浆补

强的应用效果[J].物探与化探,2001,25(3).

[5]　葛如冰,林维芳,孟凡强.探地雷达在公路工程建设中的应用

5　结论与建议

通过物理模型的试验研究,建立了探地雷达探测路面脱空的定量公式,其成果由试验得出,与理论相符。

[J].地质与勘探,2004(增刊).

[5]　葛如冰.探地雷达检测公路路面脱空的现状与展望[J].地质

与勘探,2005(增刊).

THEMODELTESTOFTHEGROUNDPENETRATINGRADAR

FORDETECTINGTHEROADSURFACEVACANCY

GERu-bing,MENGFan-qiang

(1.GuangzhouUrbanPlanning＆DesignSurveyResearchInstitute,Guangzhou　510060,China;2.SouthChinaCorporationofEngineeringGeophysicalDevelopment,Guangzhou　510080,China)

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Abstract:It'sknowntoallthattheGPRcanbeusedtodetecttheroadsurfacevacancy.Nevertheless,thedetectionoftheexactheightoftheroadsurfacevacancyremainsanunsolvedproblem.WiththefinancialsupportbytheGuangdongGeologicalFunds,theauthorsestablishedthemodelsfortheroadsurfacevacancyinaccordancewiththeroadstructureandmadetests.ItisconcludedthatthereexistpositivecorrectionbetweentheamplitudeoftheGPRreflectionandtheheightoftheroadsurfacevacancy.TheformulafordeterminingtheheightoftheroadsurfacevacancybytheGroundPenetratingRadarwasthusestablished.ThismeansisverypracticalbecausewiththeformulathedetectionoftheroadsurfacevacancybytheGroundPenetratingRadarbecomesveryfastandtheprecisioncanbeen-sured.

Keywords:GroundPenetratingRadar;detectionofroadsurfacevacancy;quantitativecalculationformula;nondestructiveinspection作者简介:葛如冰(1971-),男,汉族,安徽省潜山县人,1996年毕业于中国地质大学(北京),获硕士学位,高级工程师,已发表学术论文十余篇,现主要从事工程物探技术开发应用研究工作。