地质雷达检测

地质雷达检测●地质雷达以其高分辨率和高工作效率而成为浅层地球物理检测的一种有力的工具，现己广泛应用到诸多工程领域。

雷达技术在路面检测中的试验研究开始于20世纪90年代，现在道路测厚中应用较为成功。

1991年前后，美国联邦公路局第一章绪论资助对GPR在道路工程中的应用进行了深入的研究。

1994年W.M.KimRoddiS等人对美国KansaS州的H种不同种类的道路利用探地雷达进行了分层检测工作，73个钻孔取样的结果对比，偏差仅为士5%士10%。

1996年，J.Hugensehmidt用 0551sIRSYSTEM.roA型探地雷达仪及2.SGHz与900MHz天线在瑞士的Gotthard高速公路上进行了检测工作。

中国地质勘察技术院的牛一雄等人用探地雷达对西安一宝鸡高速公路进行了质量检测;1999年吕绍林用SIR.10H型地质雷达系统对益常高速公路结构层中高频电磁波的传播特征及雷达技术参数进行了理论研究和大量的现场检测试验。

该方法有效的克服了现行钻孔法的缺陷，检测中不仅能准确地提供基层厚度变化的真实情况，为施工提供可靠参数，同时通过改变天线频率可以检测基层以下路基及原状地基土内存在的病害隐患，尽早发现隐患，及时处理，确保高速公路的安全畅通。

因而无论是路基、路面厚度质量检测，还是病害隐患检测，都将产生显著的社会效益和经济效益。

●地质雷达方法地质雷达是根据地下介质的电性差异，利用电磁波检测路基密实度分层的一种快速无损检测方法。

利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度以及波形随所通过介质的电磁性质(河、川及几何形态的变化而变化引。

根据接收到的回波的时间、幅度、波形和频率等信息，可以判定地下介质的结构及界面的埋深。

常见的工程介质为非铁磁介质天线中心频率不同，其探测深度及分辨率也不同，可根据实际需要选择不同频率天线。

该方法可用于公路建设的全过程质量监控，具有快速、高效、准确、成本低、无破坏等优点。

地质雷达可定性检测路基碾压前后密实度的变化，原状土剖面与经振冲碾压后的剖面，雷达波频率的差异反映出密实度的差异。

●探地雷达是近几年才在国内开始应用于高速公路检测的一项新技术。

这种检测方法具有无损、快速、信息量丰富的特点，探地雷达是根据高频(偶极子)电磁波在地下介质传播的理论，将宽频带短脉冲电磁波经由地面的发射天线发送入地下，经地层或遇异常反射体回到地面后，由接收天线接收其反射电磁波信号。

通过对返回电磁波的时频特征和振幅特征进行分析，便能了解到地下层的特征信息，从而达到探测的目的。

因此探地雷达可用于初步确定全线相对不利路段。

其作用原理见图3.2雷达波的反射发生在不同介电常数物质的界面，介电常数与物质的导电性有关，通常情况下，某类物质的介电常数是比较固定的，但当它与其它物质混合时，表现出来的综合介电常数会改变，常见材料的介电常数见表3.6●探地雷达初步检测通过探地雷达的检测波形，可初步判断相对不利路段，从而确定后续需要进一步采用瑞利波检测的路段，缩小瑞利波检测范围，降低测试成本。

在高速公路建设工程路基检测项目中，通过探地雷达初步确定了瑞利波检测范围，对检测路段进行了路基填筑质量判别。

●异常段判断依据:(l)检测路段彩色剖而图同正常路段相比有l刃显变化，见图3.3，图3.4;2)检测路段探地雷达波形图与正常路段相比，有较明显的波峰，见图3.3、图3.4，表明此段路基区别于其它段，或者是含水量偏高，或者是有软弱层等等。

●地质雷达检测高速公路路面结构工作原理地质雷达（Ground Penetrating Radar 简称 GPR）通过发射天线往地下发射高频率、宽带脉冲电磁波束，电磁波在地下传播过程中遇到地下介质结构、导电性、导磁性和介电常数的变化起传播路径也将产生相应的变化（如图 1-1）。

这些变化了的电磁波被接收天线接收后传到主机将模拟信号转化为数字信号储存在存储单元中。

当目标体在天线信号范围之内、信噪比适当的时候便能够被雷达探测出来。

雷达真实记录的是电磁波从发射到接收这个过程的时差，电磁波在特定介质中的传播速度 V 是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，即可根据公式（1-1）算出地下异常的埋藏深度 H：反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。

导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小。

与探空雷达相比，地质雷达是在地下有耗介质中传播，因此其发射波形与天线设计都有自身的特点。

根据目前资料显示，地质雷达使用的电磁波发射波形主要有：连续波、调幅脉冲波、调频脉冲波等等。

设计的形式一般有喇叭天线、对称振子天线、螺旋天线等等。

因为对称振子型调幅脉冲时域地质雷达输出功率大，能实时监测测量结果，做成的设备有便携的优点，因此在商用地面地质雷达中应用广泛，并且主要应用在中频和低频地质雷达中。

而喇叭状天线具有聚集能量的功能，地质雷达在地下传播过程中以指数形式衰减，频率越高衰减越快，因此对于高频天线经常使用喇叭状天线，以保证天线能在保证精的条件下探测得更深。

地质雷达发射的电磁波频率从十兆赫兹到数千赫兹的频率范围。

地质雷达探测的理论最大深度为电磁波波长的二十倍；地质雷达探测的理论最小分辨率为电磁波波长的十分之一。

而对于同一个区域，由于地下介质不可改变，能决定探测深度和分辨率的就是地质雷达天线的频率。

地质雷达天线频率高的其电磁波波长就越小，因此其探测深度就越浅，但其分辨率就越高；频率低的天线发射出的电磁波波长比较大，其探测深度大，但分辨能力就比较弱。

要求探测比较深的时候由于时窗设置的比较大，要得到更深的地下信息，所需要采集的样数就更多，电磁波来回的时间也更长，使得探测速度更慢。

因此在选择地质雷达进行探测的时候要根据实际情况综合考虑这些因素以选择频率合适的天线。

对于高速公路路面结构状态研究实际需求，我们选择意大利 IDS 公司生产的 K2 双通道地质雷达。

天线频率选择 600MHz 和 1600MHz 组合成的天线阵。

其中 600MHz 天线主要对面层以下路基和底基层的质量检测，根据地下含水量、面层和基层材料及密实程度等因素其探测深度能够达到地下 0.5m-1m，探测精度能够达到 0.8 厘米；1600MHz 天线主要对路面的表面层、中面层和底面层的质量检测，最大探测深度能够达到0.3m-0.6m，探测精度能够达到毫米级。

公路病害地质雷达反射波响应特征病害的形状不相同，它在雷达剖面上的异常曲线也不一样。

有拐点特征的病害一般都有绕射现象出现，例如空洞、脱空和疏松。

从公式(1-3)和数值模拟实验都可以知道，电磁波在从介电常数大的介质中传播到介电常数小的介质中时都会产生相位反转，否则不会。

如电磁波传播进地下空洞或者是气体的脱空区域，电磁波就会发生同相轴相位反转。

病害内部物质与周围物质的介电常数差异越大时在雷达剖面图上显示得越明显。

当病害的类型和规模大小相同的时候，倘若它们的电性参数不一样时，在雷达剖面上反映出来的形状也是不一样的，也就是纵向时延不同，此刻病害内部介质的电导率越大其对能量的吸收越明显，表现在电磁波上的形式为电磁波振幅衰减越快。

当病害内部充填物质杂乱无章的时候，在雷达剖面图上对应显示该区域的波形比较紊乱，能够看到明显的干涉现象。

此时看到的同相轴分布支零破碎毫无规律可言。

用地质雷达在检测脱空的时候，由于天线中心频率的限制，使得脱空区域不能太小。

当脱空区域的尺寸小于 5 厘米的时候，在雷达剖面上很难对脱空的上下界面进行区分。

不过，此时可以使用极点的幅值比来对脱空量进行半定量的解释。

水对雷达电磁波有较强的影响。

对于高含水的区域一般都存在比较明显的多次波，同时对病害区域下面的信号存在比较强的干扰，使更深部信息被埋没。

电磁波从道路介质传播到水中不会发生相位的反转。

通过数值模拟也可以验证电磁波的频率越高，其雷达剖面的分辨能力越强，图像越清楚，探测深度越浅；电磁波的频率越低，其探测深度越深，分辨能力越差，图像越不清晰。

从理论上讲，电磁波频率越低其波长越长，因此最大探测深度（约为波长的 10 倍）越深，分辨能力（约为波长的 1/10）越差；电磁波频率越高其波长越短，探测深度越浅，分辨能力越强。

病害自身的大小尺寸越大，其在雷达剖面上的显示越明显。

研究思路及技术路线如图 1-2 所示，首先对道路进行雷达检测，将测量的数据使用专业的软件进行处理，找到典型的道路缺陷在雷达图上的反应；然后对一些有典型特诊的区域进行钻孔取芯验证，同时对典型道路病害建立模型，进行数值模拟研究。

在得到三个方面的结果后对其进行对比研究，得到道路典型病害和雷达图之间的关系和典型病害对电磁波传播的影响特征。

从地球物理观点看,路基路面的结构类型可视为典型的水平层状介质模型。

鉴于路基路面构筑材料、构筑方法的差异,使其存在着各种物性(电性、密度、弹性波或电磁波传播速度和吸收等)差异,同时由于是人工构筑比天然的水平层状地层要均匀单一,因此为应用地球物理方法进行无损检测提供了物理前提和有利条件。

同时,路基路面检测是一种超浅层至浅层的探测,要求检测方法精度高,分辨率高,信噪比高,能在自然和人文强干扰下适应工作,轻便高效[28，29]。

探地雷达是利用高频电磁脉冲波(10MHz～1000MHz或更高)以宽频带短脉冲形式由发射天线送入地下,该雷达脉冲在地下传播过程中,遇到不同电性介质交界面时,部分雷达波的能量被反射回地面,被接收天线接收。

探地雷达探测的是来自地下介质交界面的反射波,记录的每一雷达数据 n (t )可看成是雷达脉冲子波 b (t )与反射波系数序列 R (t )的褶积[17]:图 2-1 中，R0、A0分别表示地表反射波及振幅；R1、A1分别表示面层－基层界面反射波及振幅；R2、A2分别表示基层－土基界面反射波及振幅；△t1、△t2分别表示雷达波通过面层和基层的双程旅行时；ε0、ε1、ε2、ε3分别表示空气、面层、基层、土基的相对介电常数；h1、h2分别表示面层、基层的厚度。

我国现有高等级公路一般采用沥青混凝土或水泥混凝土路面，基层与路基材料一般为水泥土、水泥稳定粒料、石灰土、石灰稳定粒料、石灰粉煤灰土等。

空气的相对介电常数为 1，混凝土面层相对介电常数为 6～9，沥青面层相对介电常数为 3～5，基层与路基的相对介电常数随其材料不同而不同，但由于其湿度较大，且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的材料，其相对介电常数一般都大于 8[16]。

因此道路各层之间都存在介电常数的差异，这为雷达检测道路结构提供了可靠的地球物理依据[17]。

在用探地雷达对道路结构进行检测时，如果道路的局部地段受到破坏，则介质的电性将发生变化，从而导致雷达波反射信号的双程旅行时、振幅及频谱特征发生明显变化，根据这些变化特征，就可以推测路面下基层、路基等的状况，达到检测目的根据上述原理，可用探地雷达探测出路面结构及路基结构层厚度、压实度、脱空、空洞、含水量等情况。