《岩土工程检测中对探地雷达技术的应用分析研究》-工学论文，工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

岩土工程检测中对探地雷达技术的应用分析研究

范文

郭君

摘要：探地雷达技术属于雷达技术与地质科学技术相融合的地球物理探测技术。拥有非常高的探测效率，且操作较为简单，具备无损失探测，精度非常高，是运用高频电磁波反射来探测地下目标的高分辨率电磁方法。文章主要分析了岩土工程检测中对探地雷达技术的应用，旨在为工作人员提供参考。

Abstract： Ground penetrating radar technology is a geophysical detection technology that combines radar technology and geological science and technology. It has very high detection efficiency， simple operation， lossless detection， and high accuracy. It is a high-resolution electromagnetic method that uses high-frequency electromagnetic wave reflection to detect underground targets. The article mainly analyzes the application of ground penetrating radar technology in geotechnical engineering inspection， and aims to provide reference for staff.

關键词：岩石工程;探地雷达技术;应用分析

Key words： rock engineering;ground penetrating radar technology;application analysis

中图分类号：TU19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）10-0272-03

0? 引言

自上世纪60年代中期，美国研究人员便开始研究地雷达技术，将其运用到矿业，确定各个地下水位的位置。其中，在地下水域土壤中都有污染探测方面的应用，地雷达属于非破坏性地表原位探查技术，可以清楚地为现场提供实时剖面记录，使得图像清晰、工作效率高。探地雷达技术作为新兴的方法，可以直观、准确的为工程提供检测数据。

1? 探地雷达的探测原理

近阶段，我国国内经济呈现快速平稳的速度发展，使得工程建设项目逐渐的增多，工程质量变为各地方逐渐注重的核心问题。以往传统的监测方法依然没办法达到当前施工水平，在此背景下，全新的检测技术逐渐孕育而生—无损检测。探地雷达属于较为直观、连续以及准确的非破坏性地球物理检测技术，当前，普遍受到工程技术人员的注重，并大范围的运用到岩土工程、地基工程以及隧道工程等区域，获得了非常显著的成果。探地雷达采用宽带短脉冲的方式的高频电磁波，采用天线经由地面输送到地下，通过地层输送到地下，在通过地层亦或目标体反射后再回到地面，之后，运用另一天线来接收，在已知地下介质波速V为已知，能准确测定走时t，通过上面已知的数根据公式（1）求出反应物的深度[1]。

其中：α为相位系数;σ为导电率（1/ρ）;ε为介电系数;μ为磁导率。

脉冲波的双程方向是经由反射脉冲测得走的时间，再通过上式求出反应物的深度。脉冲波的双程走方向，是通过反射脉冲对于发射脉冲的延时进行确定的，探地雷能依照本身的发射高频电磁波产生的反射波优秀探测地下地质结构，并通过向地下发射中心为50-900兆赫的短脉冲电磁波与运用和发射电波的天线距离，进而接受两个天线中点下面的物质，从而发射的回波，这时候雷达仪便能取得此剖面方向上底质层间的反射回波图形，如图1。

此外，雷达仪融合钻孔对回波图形的分析，便可得到地质剖面的图形与地质资料。在进行岩土工程过程中，雷达的接收功率会受到很多原因的影响，如：测线附近地物的干扰、地形干扰、耦合效应引起的干扰、空中输电线干扰、地表金属物影响等，其中由于天线耦合不好而引起的干扰波，在记录自始至终都存在，其频率接近工作主频，信号强，衰减慢，像无阻尼振荡。

2? 岩土工程中探地雷达监测技术分析

进行岩土工程施工前期，需清楚探测工程区域内的基层岩土物质分布状况以及物理力学的原理，了解影响其因素是什么[2]。在岩土工程勘探中，以往的工程师需指导探钻与工程试验的方法进行工作的完成。基于钻探属于耗费时间的工作，并且对工程的预算拥有非常显著的制约，因此，运用探底雷达，运用少量的钻探孔与探地雷实现相应的组合，在通过探地雷达的扫描准确探测出浅层地质分布情况以及改变，进而指导工程师做好前期的勘测工作。通过事实证明，探地雷达与钻探参照孔的良好融合属于科学有效且数据非常准确的。

采用探地雷达对岩土进行勘探一般步骤为：

①建立测区坐标，确定测线的平面位置。

测线布置原则：如果测线目标是一维体，假设管线的方向是已知的定向，则应遵循测线垂直管线长轴的原则;假设管线为未知方向，则应遵循测线与管线呈方格网原则;若测线目标是二维体（如基岩面），应遵循测线与二维体整体走向垂直，且根据二维体走向的变化程度调整线距;如目的体的体积较小，应遵循先大网格后小网格、大比例尺的原则来确定目的体的范围。

②测试方法的制定。

一般分为三种：剖面法、透射法、宽角法。

③测量参数选择。

探地雷达的测量参数不是固定不变的，需要根据实地情况，具体的选择、设置测量参数，测量参数的选择对测量的最终结果是否准确具有直接的影响。一般探地雷达的测量参数需要考虑以下几个方面：

1）天线中心频率。

天线中心频率受目的体的深度与目的体的体积影响，若场地条件许可且分辨率较高的情况下，选择中心频率较低的天线，反之，则选择中心频率较高的天线。

2）时窗。

时窗长度可由公式（2）估算：

w=1.3*（2*hmax/v）? ? ?（2）

w为时窗，单位：ns;

hmax为最大探测深度，单位：m;

v为地层电磁波速度，单位：m/ns。

由公式（2）可以看出，时窗的选择主要受最大探测深度和地层电磁波速度影响，两者呈反相关性，即v越大，w越小，考虑到hmax和v的变化，通常时窗的选择都应预留出30%以上的余量。

3）扫描点数。

探地雷达所反应出的是波形曲线图，为了使数据更为准确，在一定頻率下，通常都需要设置多个采样点，扫描点数p与时窗w和天线频率s的关系应该满足：p≥10w·s。

4）扫描速率。

即为每秒扫描的次数，直观反应为扫描线的密集程度，若扫描线过于密集，则可增加天线的移动速度，增加采集范围，为了确保采集的扫描线符合后续分析的要求，同一探测范围内应至少确保20条扫描线。

④电磁波速的估计和标定。

如公式（3）所示，其中h为雷达探测目标深度，t为反射时间，v为电磁波速度，t值和v值的大小与h值呈正相关，t值和v值呈反相关，t值主要受探地雷达设备的影响，因此v值的设置就成为了影响探测精度的主要参数，我们可以从以下三个方面来估算v值：

h=t·v? ? ? （3）

1）通过测量对象材质的介电常数，运用速度公式进行估算;

2）利用已知埋深物体的反射走时进行估算;

3）利用地下点孤立目标产生的反射双曲线进行估算。

⑤雷达图像的数字处理。

探地雷达所呈现的图形，一般都不能直接反应出我们所要的结果，因此，必须对采集到的雷达图形进行数字处理：

预处理：对数字滤波，低通、高通及带通、中值滤波等进行点平均、道平均处理。

偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法（波动方程偏移）。

特殊的数据处理方法：复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率。

⑥雷达图像解释。

在进行雷达图像数字处理后，就能够对雷达剖面图像进行解释，基于被测介质中存在的电性差异，在图中找到对应反射波。同一界面的反射波形的追踪需要注意同相性、振幅显著性变化、波形的特点。在水平电性分界层的反射波组，通常存在与之对应的一组光滑平行的同相轴，这就是反射波形的同相性;反射界面两侧的介质如果在性质上存在差异，则会体现出不同的振幅，振幅显著性变化的规律一般遵循：空气—混凝土，振幅反相;混凝土—空气，振幅不反相;混凝土—水界面—空气，振幅反相;混凝土—钢筋—空气，振幅反相。波形特征分析需要根据不同介质的不同结构特性来判断，而不同的介质反表现出来的频谱特征也会存在不同。

3? 探地雷达技术应用分析

对于研究探地雷，我国已经有了多年的经验，获得了些许研究成果，积累了较为丰富的工程探测经验。

3.1 探地雷达技术研究

从理论方面进行研究，可以看出，当前依然聚集在信号处理上，一些物质技术人员为了更好的区分图像以及解释地质，通常会采用较为先进的数据处理方法。例如：分形、小波分析等适用于数据处理中[5]。这主要是由于探地雷达接收的信号较为繁琐，当脉冲电磁波通过地下介质时，会导致波形与波幅发生较为严重的改变，然而，发生脉冲余震、系统内部干扰以及地表不光滑方面，都会导致散射、剖面旁侧绕射等方面的干扰，造成分辨不出实际记录图像。然而，在处理信号时，只约束在时间波形方面的处理。另外，还探讨了聚焦技术，通过集中目标体的空间响应，增加信号反褶积等数值处理技术，以此加大地表被初至的高强电磁波模糊反射体波形特点。

3.2 探地雷达探测技术的应用

随着探地雷达技术研究的开展，我国具备了多台探地雷达，可以说是覆盖了全国各个部门，例如：国家研究院、高等学校、地矿、铁路等，几乎都运用上了探地雷达。工程技术人员在各自工作区域实施了进一步的系统研究，根据研究程度的逐渐深入，会进一步加大探地雷达技术的运用区域，使得我国探地雷达应用技术一直位列世界先进行列。

我国探地雷达主要涉及如下几个区域：

①建筑工程质量检测。此区域属于探地雷达运用最为有效的区域，最基本的便是工程质量检测，最主要的要求便是数据需准确有效，然而，很多探测对象却较为隐蔽，因此，平常的方法不能得到相应关照，但是，使用探地雷达便能很好的解决此项问题。工程缺陷部位介质和健全的部位介质对于常规的介质具有明显的不同，所以，可采用雷达来查清施工中隐蔽的质量缺陷。探地雷达可以很好的检测混凝土浇筑质量、土体含水量等相对应的指标，同时也能检测建筑物结构、混凝土中钢筋分布、混凝土保护层厚度检测等方面。

②城市基础设施探测与检测。城市基础设施探测涵盖了许多金属与非金属管线探测、地下空洞探查、城市路面塌陷检测等。基于城市中存在的干扰源，很多物探方法没有办法无能为力。然而，基于探地雷达天线具有屏蔽功能，在此方面拥有一定的优越性，使得高速精准的探测特点获得有效的发挥。有关应用研究有许多，其效果也各具特色，在地基与桩基基础工程检测方面获得了很大的突破，当前运用探地雷达可以达到精准的探测地基加固处理效果。

4? 存在问题与分析

通常情况下，探地雷达运用的是高频宽频带短脉冲电磁波与高速采样技术，在探测分辨率方面都高于其余物理方法。然而，这不能说明探地雷达没有缺陷，在实际运用探地雷达方面还是存在约束性，需进一步研究解决。例如：怎样提升仪器发射功率与发射效率，可实现加大探测深度的目的;怎样更进一步的压制探测现场存在的电磁干扰信号，以便提升仪器信噪比，提升雷达图像分辨率？以上问题都需我们在今后的探测工作中逐渐研究解决。探地雷运用的区域非常广泛，检测区域对雷达技术的要求也在逐渐提升。因此，需在探地雷达探测强衰减介质、解决多区域工程实际问题与缺陷等方面急需提升，这同样也为探地雷达技术发展指明了方向。

5? 结束语

综上所述，自分析探地雷达技术后，熟练掌握相应仪器设备、探测现场、数据处理等方面的知识，能够很好在岩土工程勘探方面为公路、铁路、隧道工程的施工提供帮助。探地雷达相对于工程中常用的其它无损检测方法，其优势在于：

①深度适应性。主要体现在不同天线频率的选择能够适应不同的探测深度;

②分辨率适应性。主要体现在改变天线中心频率和频带宽度，可实现不同分辨率的检测;

③连续适应性。主要体现在扫描速度快，可移动进行大面积检测;

④介质分辨性。主要体现在可穿透介质中的空隙探测到内部质量情况，可对有装修层的结构和构件进行检测;

⑤图像分辨性。主要体现在雷达检测的图像可以根据需要显示为二维切片图或三维立体图。

参考文献：

[1]王奕刚.分析岩土工程中的无损检测技术[J].中国住宅设施，2018（08）：70-73.

[2]詹金锚.波速检测技术在岩土工程勘察中的应用探讨[J].能源与环境，2018（04）：8-9.

[3]赵一儒，谢伟文.关于岩土工程特点分析及勘察技术探讨[J].冶金与材料，2018，38（04）：108-109.

[4]王新建.岩土工程桩基检测技术应用探析[J].城市建设理论研究（电子版），2018（13）：63.

[5]殷文博.综合勘察技术在岩土工程勘察中的应用分析[J].西部资源，2018（02）：95-96.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。