（岩土工程专业论文）探地雷达检测路面含水量和压实度的应用研究.pdf

摘要 麟覆鹣含寐爨t 空狳率帮藤察发鼹公黯建诿串霈疆严格控制酌蓿瓣，冀如浆 迭不烈要黎，将缀丈蟪黪蛾裂公漆器嚣瀚使堞瞧戆。搀统鹣糗囊寅法爨玲骚蛙蟪 宠王滔采嗣铺张取慧对工程质餐避行糖蠢裣测评定，不仅散搴假、代袭瞧麓、糖 凄不禽。禚盈怼瑟楚袋瓣公路骞损舔，汪不鼹滚足姿蕊公路飞速发疑瀚器要，鸯 藏发展种快速、麓便、搿精度、麓效率黥公路质量露按埝溅鼓球是当务之慧。 鼹禳搽臻嚣逮怒遥忍苹发震鹣来鹃、疯羽予公路无损羧溯魏一项耨技术，它 琴l 翅越爨带辣潦瞧滋波怼躲溪髂糯鼷避舒臻测，蚩翳逸袭煞天线笈麓懿瞧磁渡在 髓蔼嚣秘层中健稽辩会谯介电特蛙突变处产生反射帮透射，反魃霞来瓣液缀巍按 渡天线接收菇转琵鸯数字痿号鼹毒趣寒，通过分援搽逮霉遮霹渡信号慕绩谤簿覆 结构属的性质、炊森鞠豫鬣等特惩。灏为霉选技术累寄燹搽、姨港、简易静突密 缆蠡，在公薅凄鬟溢楚嚣路基黪疆捡褥、糖瓣是高等缓公藏藏工鹃溪曩靛控疆演 养护譬方嚣将窟整爨广麴皮矮静爨。 秘前探她雷达搬公路上的应用还盘蘩禺隈予路醚缝糖鼹簿渡鹣检溯，怼潞落 路藩秘理力学据褥戆蠢损捡溺被广大叠鼹工终者寄予霪蘩，邃一技拳静应溪还畜 很多麴工作簧徽，魏了德熟早目藏援予蜜醛，实现探魅罄遮嚣薅疆含水攘、空涨 率窝嚣裳塞煞绦邃惹骥稔瓣，零究暴葵徽了菰下鹃一穰互露： ( 1 ) 箍予介罄数对撩熄雷迭羧涮憝整娶澎璃，瓣路藏鼹鞫嚣瓣斡奔媳穗隧避 嚣深入努褥，鼹籍瓣爨连帮逸秘窳霹寝麓溅蛩提供攥论莜辩。 ( 2 ) 鉴予探缝罄达麴发射频率越蒸捡鞭鹃稽度和深度餐会产囊重大影赡，黠奔 质的舟电鬻数送行频域分祈，分析介电常数随频枣鼬变豫趋势，并应鼹褥 藩蜘) 模墨l 羟零探邋爨这爨予藻蘩溪璧援溅瓣羧率蕊爨： ( 3 ) 对霖蛾褥达检测骆颡含水辩、黧黥率秘援实廉枫瑗搏灌论分橱，捺导凌薅 遮麓袈滚诗舞禽拳蘩、藤实凄嚣爨鬻搴簿鞲美骛或。 ( 4 ) 对路辫薅瑟、基瑟张地基静含承爨戳及沥青层空藩澉对甏达蜃射波麓彩蜒 进行分撰，势薄蒸稽翟波形透露攥叛，为分褥怒理蜜际波黟疆供参考。 s ) 翅探端霉这纛实际熬面采繁羧穗对路嚣食求鬟、空隙零嚣篷察瘦逃嚣裣溅， 邋过对数据豹分褥璐理探讨探蛾辫达检测潞翁质薰酌实朗髓、秘学蛙和麟 礁链。试验愁果豪孵秘蘧搽逸霉迭援溅黪嚣黪念拳爨藏爨实度是一令嚣之 肖效的方法。 美穗谰：无捅检测，探她霄运，介电常数，学水量，空骥灏，蒸实废 a b s t r a c t w a t e re o m e n t t h ev o i d sa n dt h ed e n s i t yo ft h ep a v e m e n ta i m p o r t a n ti n d e x e s t h e s ei n d e x e sh a v e + i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nq u a l i t i e so fr o a d t r a d i t i o n a lm e t h o d 栖 e v a l u a t er o a d ，s u c ha sb o r ea n ds a m p l i n g ，w i l ln o tm e e t t h ed e m a n d s ，b e c a u s e t h e yh a v e m a n yd i s a d v a n t a g e s s u c ha st o we i t i e i e n c ) ；l o w - p r e c i s i o n , b a dr e p r e s e n t a t i o na n d d e s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，an e w , r a p i d ，h l g h - p r e c i s i o n ，e f f e c t i v ea n d n o n d e s w d c t i v e t e c h n o l o g y i sr e q u i r e dt om e e tt h ee n g i n e e r i n gd e m a n d g r o t m dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i sd e v e l o p e dr e c e n t l ya n di san o n d e s t r u c t i v e t e c h n o l o g yf o rr o a dd e t e c t i o ni na f e w y e a r s g p r w a 最sn e a rt h es u r f a c eo ft h er o a d a n dt r a n s m i t s e l e c t r o m a g n e t i c 蠼m ) w a v e t ot h e p a v e m e n tl a y e r s ，w h e n t h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t e si nt h ep a v e m e n tl a y e r s ，i tw i l lb er e f l e c t e da t t h e i n t e r f a c eo ft w od i f f e r e n tk i n d s 、o fm e d i u m a sw ek n o w , d i f f e r e n tm e d i u mh a v e d i f f e r e n td m e c t r i cc o n s t a n t t h er e f l e c t e dw a v ew i l lb er e c e i v e db yt h er e c e i v ea n t e n n a a n dt r a n s f e r r e d 谁d i g i t a td a t a w e 鼬a n a l y z et h ed a t at _ h a ts a v e d 姆t h ec o m p u t e r 囊 g p rt od e d u c et h em e d i u m sp r o p e r t y , s i t u a t i o n ，l o c a t i o na n ds oo n 。b e i n gak i n do f n o n d e s t r u c t i v e , u n t o u c h e dm e t h o d ，i th a sm 8 娃ya d v a n t a g e ss u c ha sn o n d e s t r u c t i v e ， r a p i d n e s s ，s i m p l e n e s sa n dh i 酿p r e c i s i o n , i t w i l lh a v e 诚d e a p p l i c a t i o n s i nt h ew a y s o f e x a m i n a t i o n ，c o n t r o la n dm a i n t e n a n c et or o a dq u a l i t y , e s p e c i a l l yf o rh i g h w a y b u tu pt on o w , g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( o p r ) i sm a i n l ya p p l i e df o r 羚酲 t h i c k n e s sd e t e c t i o na n dh a ss t i l lm a n y j o b sn e e dt 0b ec o m p l e t e d m o i s t u r e ，t h ev o i d s a n dt h ed e n s i t yo f t h e p a v e m e n t a r ee x p e c t e df o rm a n y o p e r a t o r si nt h e r o a d d e p a r t m e n t 。 i no r d e rt op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fo p rt od e t e c tp a v e m e n tq u a l i t ya sq u i c k l ya s p o s s i b l e , i nt h i sp a p e rs o m e r e s e a r c hw o r k sw e r ez o n e 。t h em a i n l yr e s e a r c hr e s 妇s i n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) s i n c et h ed i e l e c t r i ce o n s t a t l t so f p a v e m e n tm e d i u mh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo n r a d a rd e t e c t i o nr e s u l t s , d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f p a v e m e ml a y e r sm a 挺r i a l sa l e a n a l y z e df o r t h ed e s i g no f p r a c t i c a lg p r s y s t e m a n df i e l da p p l i c a t i o n 。 ( 2 s i n c ec e n t r a lf r e q u e n c yo ft h ea n t e n n ah a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nd e p t ha n d p r e c i s i o no fd e t e c t i o nr e s u l t s ，f r e q u e n c y w d e p e n d e n c eo fd i e l e c t r i cc o n s t a n t so f p a v e m e n tm e d i u m 辩a n a l y z e d ，a n dt h er a n g eo f c e n t r a lf r e q u e n c ya r ed e d u c e d u s i n gd e b y e n m o d e l ( 3 ) 髓e p r i n c i p l eo fo p r t od e t e c tm o i s t u r e , t h ev o i d sa n dt h e d e n s i t yo ft h e p a v e m e n t i sa n a l y z e da n dr e l e v a n tf o r m a l a ei se d u c e d 。 ( 4 ) i n f l u e n c eo nr e f l e e t e dw a v eo ft h em o i s t u r eo fs u r f a c e b a s ea n ds u b g r a d ea n d | i v o i d so fa s p h a i ts u r f a c ei sa n a l y z e da n dc h a r a c t e r i s t i cw a v e sa l es i m u l a t e dt o o f f e rr e f e r e n c et oa n a l y z i n ga c t u a lw a v e 。 ( 5 ) g p rt e s t sw e r et r i e do u ti na c t u a lh i g h w a y , t h e nt h ep r a c t i c a b i l i t y , r a i o n m i t y a n da c c u r a c y8 糙d i s c u s s e di nt h eb a s e so fa n a l y z i n ga c t u a ld a t a t h er e s u l t s s h o wt h a tu s i n gg p rt os u r v e yp a v e m e n tm o i s t u r ea n dv o i d si sa l le f f e c t i v e m e t h o d k e y w o r d s ：n o n d e s t r t i c f i v e t e s t i n g ，g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t ， m o i s t u r e ，v o i d s ，d e n s i t y i l l 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 交通是国民经济的基础，其发展状况直接影响着国民经济发展的速度，高等 级公路通车里程已成为一个国家经济发达的标志【l j 。我国自改革开放以来，每年国 家投资成百上千亿用来修建公路，特别是这几年高速公路迅猛发展。在公路建设发 展过程中，路面检测与评价是极其关键性、基础性技术，它不仅对于检验和控制工 程质量是至关重要的，而且直接影响路网养护决策的科学性和养路资金分配的合理 性【2 l 。怎样保证又快又好地检测施工质量，如何提高公路养护管理的水平等，都是 些亟待解决和探讨的问题。 道路一般由面层、基层和路基三层结构组成，在路面质量评价中，路面的压 实度与含水量是必须严格控制的重要指标【3 】。面层、基层或路基压实度不够，公路 在使用过程中就容易产生辙槽、沉陷和裂缝。含水量过高，不但影响路面结构的强 度、刚度和稳定性，而且在冬季会产生冻融破坏。对于沥青路面，如果沥青面层中 含水量过高，往往意味着沥青层出现剥落，沥青和骨料产生分离，导致结构松散( 在 钻心取样时不能成为一个整体) ，空隙率大，密度低，开放交通后路面很容易被破 坏【4 】。对于由水硬性结合材料的矿渣、粉煤灰等构成的基层，只有含水量达到最佳 时，才能在载荷下达到逐渐压实，并形成类似于刚性层的力学性质。而在水泥混凝土 面层下的基层，要求有很好的透水性，以保证不会在水泥板下形成脱空层。总的来 说，如果基层的含水量过高，就会影响路面的强度和刚度，在道路开放运行后面层 容易产生裂缝，因此，基层含水量是基层质量的一个重要指标。 在公路施工中，为确保工程质量，从夯实地基、碾压每层路基，到灌注水泥 混凝土路面或沥青路面，每道工序都需要对压实度和含水量进行检测。传统的检测 方法( 灌砂法、环刀法、钻孔取芯法) 是根据规程随机选点，钻孔取样、进行室内 分析处理，从中获取厚度、深度、强度、压实度和含水量等工程参数【5 】，这种常规 方法存在一定的局限性：被测点是随机选择的，因而检测结果往往缺乏代表性； 根据现行公路质量评定标准，在沥青混凝土面层厚度检测中，每公里每车道取五 个芯样，由于检测点的密度稀，有些局部压实度达不到标准、厚度偏小、水泥混凝 土或沥青内部存在的缺陷等不良区段极易漏检，给后续工程工作留下隐患；在道 路投入使用后的日常监察管理中，通常对路表面出现的破损、凹陷、裂缝、平整等 问题可以及时发现，但对道路内部存在的隐性灾害如：路面下的空洞、积水、脱空、 基础疏松等却没有有效的检测手段，难以做到防患于未然，随着冬冰夏融、热胀冷 缩以及日积月累的冲压，往往容易导致重大交通事故的发生。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 由统计学分析表明，欲对路面质量做出比较准确的评价，每公里至少要有6 0 - - 7 0 个样点，传统的钻孔取芯法显然不能满足这一要求，否则将给公路造成难以 估量的病害和隐患，降低公路的正常使用寿命。正因为传统方法其固有的测速慢、 人为因素影响大、精度低、代表性差、对原有路面破坏性大等难以克服的缺点，已 不能适应现代高速公路飞速发展的需要，为了提高工作效率和加快施工进度，迫切 需要研制快速准确的含水量和压实度检测方法，如果能够研究开发出一种无损、快 速、直观、能显示道路内部状态的检测设备和技术手段，必将使道路建设质量和养 护管理水平进入一个新的水平。路用探地雷达g p r ( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 正是这种适时产生的物探方法，亦称地质雷达，它是一种通过发射和接收高频率、 宽脉冲电磁波( 1 0 0 删z lg h z ) ，并根据接收到的电磁波的振幅、波形和频率等运 动学和动力学特征来分析和推断地下介质结构、地层岩性特征的浅层地球物理探测 技术【6 】。探地雷达技术具有高采样率、无损连续检测等优点，探测精度和分辨能力 达到毫米级。测量时，它由地面通过天线的发射器向地下发射高频、宽带、短脉冲 电磁波，经地层或目的体反射，为另一天线所接收，并以脉冲反射波的波形形式记 录，经处理得到二维雷达图像，以灰阶或彩色显示地下垂直剖面，从而获得路面的 结构状况。探地雷达因不破坏原有路面，避免了后期路面修补工作，可节约大量 的时间和费用。探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上读出探测 结果，现场打印成图，为及时掌握施工质量提供资料，提高了检测速度和科学水平 f j 。并且通过数据分析，还可以了解道路的结构情况，发现道路路基的变化和隐性 灾害，使日常管理和维护更加简单。无载波电磁脉冲技术与高频聚能天线的组合使 探地工作完全避开了人为因素，它能有效地探测出道路的结构和内部变化。在车载 工作方式下，测试速度大大提高，测点密度不受限制，工作方式很灵活，可以连续 普查某一段路面的质量，也可随时对道路的异常区域进行重点探测和分析。 1 2 国内外研究概况 探地雷达的研究始于本世纪初。第一个提出应用发射脉冲电磁波技术探测地 下结构思路的人是h u l s e n b e c k 口】，他于1 9 2 6 年指出，电磁波在介电常数不同的介 质交界面会产生电磁波反射，这个结论也成为了探地雷达研究领域内的一条基本理 论根据。1 9 5 6 年，j c c o o k 又提出了应用无载波脉冲雷达探测地下目标。随着科 学技术理论与应用实践，瞬态无载波脉冲雷达技术得到了较快的发展，但因为地下 介质比空气具有较强的电磁衰减特性，加上地质情况的多样性，电磁波在地下的传 播要比空气中复杂得多，因此，探地雷达的初期应用，仅限于对电磁波吸收很弱的 冰层、岩盐等介质中。7 0 年代以来，随着高速脉冲形成技术、取样接收技术及计 算机技术的应用发展，探地雷达技术得到了迅速的发展，从探测对电磁波吸收较弱 的冰川、冰山厚度，逐渐扩大并渗透到许多部门中。如工程地质探测( 1 9 7 4 年 2 郑卅大学硕士学位论文 第一章绪论 r m m o r e y ：1 9 7 6 年a p a n n a n 和j l d a r i s 等) 、煤矿井探测( 1 9 7 5 年j c c o o k ) 、 泥炭调查( 1 9 8 2 年c p f u i r i k s e n ) 、放射性废物处理调查( 1 9 8 2 年d l w r i g h t ) ， 以及地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、掩埋物探测和 水坝、隧道、古墓遗迹探查、环境污染调查等等【外。同时，国外开始出现各种形式 的试验性探地雷达，美、日、加拿大等国都相继开放出了自己的产品。经过不断革 新，目前已推出多种功能强大的商用探地雷达，如美国地球物理探测设备公司 ( g s s i ) 的s i r 系列，加拿大探头及软件公百q ( s s i ) 的p u l s e e k k o 系列，日本应用 地质株式会社( o y o ) 的g e o r a d a r 系列，瑞典地质公( s g a b ) 的r a m a c 钻孔雷 达系统等【1o 】【1 1 】。这些雷达所使用的中心频率在1 0 - - 1 0 0 0 m h z 范围，探测深度可达 5 0 多米【1 2 】f 1 3 1 ，分辨率达厘米级 1 4 1 。 路用探地雷达技术真正在公路勘测和检测上应用始于2 0 世纪8 0 年代后期， 欧、美最早应用。世界上第一个公路型探地雷达( 脚一，删地质雷达) 于1 9 9 4 年 由美国发明【l5 1 。目前，这种技术用于路基路面质量的检测也仅仅是刚刚开始，大 部分仍是局限于高等级公路路面厚度、路基空洞与缺损的检测与评价。芬兰和美国 的得克萨斯州曾做了大量的研究工作，在芬兰，g p r 主要用于探测路面结构层的厚 度；在北美，g p r 主要与f i n d 结合进行路面结构层材料特性的反演。近几年，人们 开始致力于研究用g p r 探测路表下的病害和缺陷，诸如面层中沥青的剥落、混凝土 板下的脱空和高速公路路面结构中的排水沟的定位等。最先提出应用g p r 来计算 基层含水量和压实度的是美国t e x a sa & mu n i v e r s i t y 的r o b e r t l l y t t o n 教授，后来 美国、芬兰的许多学者也开展了这方面的研究，并初步应用g p r 进行含水量的评 价和压实度的控制。 我国在1 9 8 3 年由铁道部引进了第一台探地雷达s i r 一8 ，从8 0 年代中期开始 进行探地雷达技术的研究和试验，最初是由航天部2 5 所用于军事地雷的探测。经 过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、目标信号提取、目标识别、目标成像等方 面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提 高了分辨率和清晰度，使探地雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行 列。近年来，北京爱迪尔国际探测技术有限公司一直在从事探地雷达的研制与开发， 并成功地研制出了c b s - 9 0 0 0 道路专用探地雷达。中国地质大学的李大心、长沙交 通学院的郭云开等人也相继开展应用g p r 来探测路面结构的研究工作。 1 3 路用探地雷达原理及设备系统组成 1 3 1 探地雷达原理 探地雷达系统是根据电磁脉冲反射原理而设计的。由振源产生的雷达波是一种 宽带、高频脉冲电磁波，频率一般在l o o 一1 0 0 0 m h z 之间，穿透能力很强，由天线 定向成一定角度向路基路面发射进入道路铺垫层中。道路一般可分为3 层结构，根 郑螂大学硕士学位论文 第一章绪论 掇材质和道路等级，其各层的厚度会有所变化，一般面层的厚为8 3 0 c m ，基层厚 2 0 4 0 c m ，路蒸厚度变化范围较大。电磁波在传播过程中通翻介电常数脊差异的 媒质时会产生反射，殿为道路镶砌器层毒孝燃的分电常数存在差异，所以将焱界厦上 将发生反射，反射信号的强弱取决于上下层之间介电常数的麓异。如果路面各层之 阉结合很好，会毫差器小，则反射波缀徽鼹，不易被搽地雷达接受系统分嬲塞来， 因此介电差异是探地雷达检测路面的先决条件。雷达波由天线向路基路面发射时， 浚静一部分在第一器露( 路面与空气赛瑟) 反射，另一部分两下穿透。由予空气鹣 介电常数为1 ，而路蕊面层的材料介电常数均大于1 ，因而，穿透波的大部分能擞 被该种材料蔽救，同时，波在其中产生折射，折射角小于波的入射角。当折射波磁 到第二界面( 谣层与蒸层界砸) 时，波的一部分在爨露反射，穿过西层到空气，赕 为波的一次小循环。舅一部分继续向下，穿透界面到基层，一部分能量损耗于该层， 嬲时，产生折射，扳射燕大小与否，主要决定于基层的分电鬻数，当基层黪套电豢 数大于面层的介电常数时，折射角小于面层至基层的入射角，但当介电常数小于面 藏熬奔龟零数辩，慰掰慧角大予嚣鼷靛入甓重惫。魄磁波糖射惹，又磁戮第三赛嚣( 基 层与路基界面) ，同样，波一部分向上反射，并穿透面层到空气，成为波的一次中 循环。同理，波的另一部分继续向下，穿透界面到达基层，掰射角的大小，理论上 与上述相同。当路基均质无限、无异常体时，从理论上说，穿透折射波的剩余能量 究全损耗于无限体内，没有向上反射。但情况并非如此，路基中由于种种原因，包 攒分层压实形成戆人为晃露、路基巾的软层甚至异常传等，形成的异豢赛纛，馒这 些区域的介电常数发舷变异，因而，入射的电磁波就在这些区域的界筒处向上反射， 穿透路面面层裂达空气，形成入射波斡一次大循环。 由上面的分析可以知道，雷达波与其它波一样，具有相同的传播特点与规律。 冀中一个最突感静特蠢，就是雷达波碰裂舞瑟就要反射，主甏所叙述的波静一次循 环大、中、小三种循环状态，就体现了波的这种性质。也正是由于波的这三种状态 的循环，给路慕路面酌物理力学指标的稔颟0 提供了条件，雷遮检测技术正怒利用了 电磁波在传播中的这榉特性。 雷达波( 脉冲电磁波) 从入射到第一次小循环的旅行对间t ：完全由仪器的时窗 信号记录到，第一次枣捱环的旅行孵阕t 。太循环的旅行露弱t 。也可回洋缮到。对 于波所行走的躐离完全与波的旅行时间对应，时间和距离确定后，电磁波所行进的 邃疫龟夔之霹叛褥邂。鑫予路基鼯瑟的戆壤力学指标蔽及宅稍豹冗傅尺寸都与电磁 波的旅行时间、行程以及行速有密切关系，因而，测知了电磁波的旅行时闻、行程 与彳亍速后就能疆快她算盘路基路面各项指标的具体参数，以及各种异常体的位置， 例如，材料的厚度、密实松软状况和异常物( 土洞等) 实际使最等。因此，在习惯 上把雷达技术的检测称为“时距法”检测。路面结构层相互间介电差异越大，则反 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 射波的能量越大，对应的反射波的波幅也越大，因此我们可以从雷达反射波的波幅 反算出路面各层的介电常数，再通过介电常数与含水量和压实度的关系式，进而获 得路面的含水量和压实度状况。 在利用雷达技术检测路面结构时作了两个假定：( 1 ) 各个结构层是均质的； ( 2 ) 各结构层是非传导性的。道路路面的各层介质，严格意义上来说，都是由铺 垫材料组成的有耗非均匀介质，然而，当中心频率为1 g h z 的电磁脉冲波在常规铺 砌材料组成的介质中传播，其可视为均匀介质。如果在修建沥青公路分层压实时相 邻沥青层介电特性不连续，或者在原有沥青公路上加铺新的沥青层都会使得第一个 假定不成立，这时将会在沥青层内部出现多次反射波。第二个假定对于沥青路面来 说一般是成立的，但对于水泥混凝土路面则可能不成立，对于路面基层和地基中如 果含水量较多也可能使得第二个假定不成立。 1 3 2 探地雷达系统组成 在我国，主要路用探地雷达设备有：美国p “觇雷达公司的r a d a r 系列雷达； 美国地球物理探测设备公司( g s s i ) 的s i r 系列雷达；美国p e n e t r a d a r 公司 的系列雷达；加拿大探头及软件公司的e k k o 系列雷达；北京爱迪尔国际探 测技术有限公司的c b s 9 0 0 0 车载式道路探测雷达等。各种型号的探地雷达基本 组成是一样的，主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备( 计算机) 等组成，典型的路用探地雷达系统如图1 1 所示。 分离器 i - 一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一一。一一! 图1 1 探地雷达系统 ( 1 ) 发射机 发射机利用控制电路通过储存能量的短时释放形成脉冲或单周期雷达信号。脉 冲宽度一般为o 5 一l o 0 n s ，脉冲间隔常为lx 1 0 4 _ 一5 x 1 0 s ，脉冲幅度1 0 0 一1 5 0 v 。 高频脉冲电磁波，经分离器( 收发开关) 后传输给天线，再由天线将此电磁波定向 辐射入路面系统。 ( 2 ) 接收机 探地雷达的接收机主要部分是一个高速采样电路，用于捕捉微弱的反射信号 并对其进行放大，然后将这些信号传递给信号处理机对信号进行处理。由于采样脉 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 冲的频谱不能与接收脉冲的频谱很好匹配，使得接收机的信噪比很低。另外，高速 采样电路的动态范围小于信号的动态范围，脉冲雷达系统不得不利用时变增益来压 缩接收信号水平，在2 0 一1 0 0 n s 的短时间内对接收信号采用时变增益是相当困难 的，这也是获得高保真目标信号的关键。 ( 3 ) 天线 天线的作用是发射电磁波信号和接收反射信号。路用雷达使用的天线类型有 两种：空气耦合天线和地面耦合天线。空气耦合天线的工作频率范围为0 5 g h z _ _ 2 5g h z ，可满足不同范围的探测需要，测试速度快且精度高。地面耦合天 线的工作频率范围为3 0m h z - - 1 0 0 0 m h z ，其长处是具有较高的探测深度和良好的 垂直分辨率，但是由于地面耦合天线在进行路面测试时必须与地面接触，数据收集 速度慢，不适于在路面上快速检测的需要，因而应用探地雷达进行路面评价时，常 采用空气耦含天线。 ( 4 ) 分离器 在射频发射过程中，在发射机和天线之间由分离器联结，短期发射后，分离 器切断发射机和天线的联结，把接收机和天线联结起来。分离器的作用在于保护接 收机的输入元件，使其不被发射机的高能输出破坏。 ( 5 ) 信号处理机与计算机 信号处理机用于处理接收到的反射信号，计算机则用于数据的采集、处理、 存储、显示与分析。 1 4 本文的任务及主要内容 当前探地雷达在公路上的应用主要还是在测量路面结构层厚度方面，探讨由 探地雷达检测路面含水量、空隙率和压实度的科学性、实用性，并将此技术发展到 实际应用阶段是本文的主要目的和任务。因为传播介质的介电常数对电磁波的传播 产生主要影响，要应用探地雷达测量路面的含水量、空隙率和压实度等路物理力学 参数，就必须了解这些因素对路面介电常数的影响，并需要探讨从探地雷达反射波 形精确计算路面材料介电常数的方法，为探地雷达检测路面含水量、压实度和空隙 率作理论依据。 本文在理论的基础上，结合试验对应用探地雷达检测路面含水量、压实度和 空隙率作了一些有益的探讨，主要工作如下： ( 1 ) 鉴于介电常数对探地雷达检测的重要影响，对路面结构材料的介电特性进行 深入分析，为路用探地雷达的实际应用测量提供理论依据。 ( 2 ) 鉴于探地雷达的发射频率对其检测的精度和深度都会产生重大影响，对介质 的介电常数进行频域分析，分析介电常数随频率的变化趋势，并应用德拜 ( p e b y e ) 模型推导探地雷达用于路面质量检测的频率范围。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 对探地雷达检测路面压实度、空隙率和含水量的机理作理论分析，推导由雷 达反射波计算含水量、压实度和空隙率等相关公式。 ( 4 ) 对路面面层、基层和地基的含水量以及沥青面层空隙率对雷达反射波的影响 进行分析，并对其特征波形进行模拟，为分析处理实际波形提供参考。 ( 5 ) 用探地雷达在实际路面采集数据对路面含水量、空隙率和压实度进行检测， 通过对数据的分析处理探讨探地雷达检测路面质量的实用性、科学性和精确 性。 郑州大学硕士学位论文 第二章电介质材料及介电模型 第二章电介质材料及介电模型 由于探地雷达是通过接受反射波的信息来探测目标体，而反射信号的强弱取 决于介电常数的差异，路面材料介电常数的差异是路用探地雷达应用的先决条件； 雷达接收到的反射波的波幅和时距是介电常数的函数，g p r 图像的解释、判读和反 演都依赖于介质的介电性能，可以说路面电介质材料的介电特性分析是路用探地雷 达应用发展的基础，也是能从探地雷达图像数据中获取多少有用信息的关键，所以 在讨论探地雷达对路面的质量检测以前，先对路面材料的介电特性及相关知识进行 阐述。 2 1 电介质材料及介电常数 2 1 1 电介质材料 电磁波的传播过程中会遇到各种性质的媒质，它们当中许多在微波波段呈现为 有损耗的绝缘体，我们称之为电介质，一般都是非磁性的。非磁性的各向同性材料 从电磁性质考虑，均可用相关的三个物理常数来描述。这三个物理常数是绝对复介 电常数占、电导率盯、磁导率u 。当电导率盯非常大时，材料在本质上可看作是金 属，而当盯小时，就可将其看作介质。在导电媒质中存在两种电流密度，一是传导 电流密度，且j = o 匠，二是位移电流密度以，对于简谐波而言，以= ，d 脚， 通常是用传导电流密度与位移电流密度的幅度之比 ( g ，= 一j ( 仃ic o s ) ) 对媒质进行 分类的【1 7 l ，其类别划分如下： 理想导体盯嬲_ o o 良导体盯c 0 6 1 0 0 半导电介质 l 1 0 0 o - c o o o 1 0 0 低损介质0 0 9 6 1 1 0 0 理想介质盯t o e = 0 2 1 2 ，介电常数 电介质中几乎没有可以在内部自由穿行的带电质点，在原子或分子里有被束 缚的正负电荷，这些电荷被原子力或分子力束缚着不能自由的移动( 见图2 1 【1 8 j ) ， 但在电场的作用下，将朝它们相反的电极方向作微观的移动，这种现象称为电介质 被极化。按极化方式电介质被分为两种类型，一种是内部具有固有偶极矩的，称为 极性电介质，另一种不具有固有偶极矩，叫非极性电介质。 郑州大学硕士学位论文第二章电介质材料及介电模型 ol l 图2 1 典型原子图a ) 没有外加电场b ) 存在外加电场 介电常数实际就是反映电介质在电场作用下极化特性的一个物理量，极化能 力越强，介电常数值越大。在高频电磁场的作用下，介质的带电粒子的运动跟不上 高频交变场的变化而产生滞后现象【1 9 】【2 0 】，由于滞后效应，使得介电常数占、电导率 盯、磁导率都为复数，材料的绝对复介电常数占，一般表示为 占+ = 岛( 一- j 6 ”) ( 2 2 ) 式中s o 为真空介电常数，其值为8 8 5 3 8 1 0 _ 1 2 f m ，真空的介电常数在自然 界中是最小的。6 0 6 。为绝对复介电常数s 实部，代表介质材料储存能量的本领； e 0 6 ”为绝对复介电常数虚部，表示电磁波在介质材料中所发生的耗散。对复数介 电常数占和真空介电常数s o 进行比较得相对介电常数。相对( 复数) 介电常数的 定义为 占，= s s o = 占0 s ” ( 2 3 ) 往往也用下式来规定相对介电常数： s ，= ( 1 一j t a n ，)( 2 4 ) t a n # 被称为损耗角正切，是特别有意义的量，常用来评价介质的优劣，当t a n # 很小时，可认为材料是无耗介质。 t a n # = g ( 2 s ) 复介电常数的实部一反映了电介质对电磁波的存贮效应，它影响着传播波的 电场，使电磁波的传播速度减慢；复介电常数的虚部一则反映了电磁波在传输中 的损耗，介质的极化损耗( 高频滞后效应) 、介质纯度不够( 即盯o ) 引起的热损 耗( 传导损耗) 、还有在某些频率上的谐振吸收所引起的损耗( 当频率接近于媒质 的固有振动频率时，共振粒子将从交变场中吸收能量而后单色地散射出去，造成共 郑州大学硕士学位论文 第二章电介质材料及介电模型 振损耗) 等，都可用s ”或损耗角正切t a n 万来表达，虚部是造成振幅随频率而变化 的衰减因素。 根据电介质材料的分类，对于电介质，因为兰 l ，此时，可以忽略复介电常数的实部，认 棚占 为占，= 一j ( ( r t o e 。) ，此时用电导率完全可以表征金属的电气性能。 2 2 路面电介质材料及其介电特性 雷达波是高频脉冲电磁波，从贪质物理学研究的角度看，路面材料也属于介 电材料的种，路面材料的介电特性直接影响着雷达波的吸收、反射与传播，其复 介电常数占的大小决定着电磁波传播的速度和路用探地雷达的测量深度，因此在 探讨探地雷达对路面的检测技术时，必须先了解路面材料的介电特性，代表介电特 性的三个电参数中与雷达回波关系最密切的是介电常数，现将路面结构层中主要物 质的介电常数列表如下： 表2 1 路面材料介电常数一览表 介电材料介电常数 空气 水 沥青 水泥混凝土 石灰 干土 粘土 于砂 湿砂 饱和砂( 2 5 ) 路面材料同样可利用复介电常数占+ 与介质损耗角t a n 8 来描述其介电物理性 质，即占+ = 占乙占”或占= ( 1 一j t a n # ) ，式中实部占。是材料组成的极化特性测定值， 虚部一表示能量损失，能量损失又包括电流传导损失和电容损失两种形式，用公 1 0 。趴娜螂一m一 塑型奎兰堡主兰垡堡茎! 壁一旦尘堕堑塾堡垒皇! 里 式表示为：t ：一一。+ l ，其中s ”。是电容损失，仃是离子电导率，岛是自由空间 f 0 叫 的电容率，是角频率。复介电常数s 的实部。和虚部s ”都是频率的函数，可表 示为： 占( ，) 钳i ( ，) 陋”一豢1 ( 2 1 ) 式中：s ( ，) 、( ，) 、s ”。分别为介质复介电常数、介电常数实部、电容损耗； 叮一土壤电导率；歹一电磁频率 氏一真空介电常数。 2 2 1 路基土的介电特性 路基土的组成和电参数在路用探地雷达工作中起着举足轻重的作用，它直接 影响着回波的振幅和形状。路基土是三相体，由土颗粒、空气和水分组成，其电参 数( 电导率、介电常数、导磁率) 随路基土的密度、含水量、质地、工作频率的变 化而变化。 以上诸因素中，脉冲电磁波的频率对土壤的介电特性影响最为显著，当电磁 频率低于1 j 抒t z 时，土壤的介电常数很大，特别在低于l o k h z 时，土壤的介电常数 在1 0 0 以上。随着电磁频率的增加，路基土的介电常数逐渐减小，波的传播速度则 相应增加，此现象被称之为波的色散。当土壤介电常数一降到其静态介电常数与稳 态介电常数和的一半时的频率称为介电驰豫峰值频率( 详见第三章) ，该频率电容 损失5 ”。最大。在频率较低时，与电流传导损失相比，电容损失可忽略不计，此时 土壤介电常数的虚部可近似表示为一a 盯岛国。土壤( 1 6 含水量) 的介电特性与 电磁场传播频率的关系如图2 2 【2 1 】： 曩 幛 嗣 七 t 重量智一 ! 漶 r t t 力t 者 ( ， x 、】 蕊 、 、一一 一 翱毫卉一区奠舟毫量托簟t t 事，日z 图2 2路基土介电特性与电磁频率的关系 1 l 郑州大学硕士学位论文 第二章电介质材料及介电模型 路基中含水量的多少对路基土电磁特性在不同频率下的表现起着很重要的作 用。土壤固体颗粒主要由非极性物质组成，对所研究的频率段土壤颗粒不存在介电 驰豫现象，土壤颗粒的静态介电常数与稳态介电常数近似相等。通过对多种土壤介 电常数的研究表明，其值随土壤颗粒化学组成而变，但变化不大，其值在4 7 之 间，均值为占。“占。= 5 4 5 。水的稳态介电常数s 。为4 9 ，水的静态介电常数占。则 是温度的函数，可以用下式表示： 占。= 7 8 5 4 1 1 4 6 0 x 1 0 。o 一2 5 ) + 8 8 1 0 。6 0 2 5 ) 2 ( 2 2 ) 从式中可以看出，水的静态介电常数很大，远高于土壤颗粒的介电常数，故土 壤静态介电常数靠受土壤含水量和容重等因素的影响十分显著；而由于水的稳态 介电常数与土壤颗粒的稳态介电常数十分接近，土壤含水量和容重变化对土壤的稳 态介电常数占。影响要小得多。 2 2 2 热拌沥青混凝土的介电特性 沥青混凝土是四相体，由沥青、骨料、空气和水分组成，其电参数同样随沥青 的空隙率、含水量、沥青类型和工作频率的变化而变化。1 9 9 4 年，一些学者曾用 探地雷达( g p r ) 在芬兰、美国和加拿大等六个场地做过试验，测得电磁波平均波 速为1 2 6 1 0 8 m s ，最大值为1 6 x1 0 8 m s ，最小值为0 9 5 x1 0 8 m s 。根据v = c 1 i 我们可以求出介电常数的平均值为5 7 ，最大值为1 0 ，最小值为3 5 。这次实验路 面分为三种类型：第一种类型是美国爱达荷州的实际沥青路面，是使用年数比较久 的老路面，主要是研究沥青的的剥落状况，测得的电磁波平均波速为1 4 8 1 0 8 m s ： 第二种路面是潮湿路面，实验场地共三处，两个在芬兰，一个在美国的俄勒冈州， 测得的电磁波平均波速为1 1 8 1 0 8 m s ；第三种是代表干燥型的路面，实验场地在 加拿大西部阿尔伯达省和美国西北部的蒙大拿州，测得的电磁波平均波速为1 2 7 1 0 8 m s ，同样可以分别求得它们各自的介电常数为4 1 1 、6 4 6 、5 5 8 。这次实验 没有测量各路面的实际含水量状况，因此不能在含水量与沥青路面介电常数之间作 定量分析。 热拌沥青混凝土的介电性能主要取决于含水量和骨料的介电性能，一般地，含 水量越高，介电常数越大。干燥沥青混凝土的相对复介电常数的实部取值范围一般 为3 7 5 2 ，虚部为o 0 5 0 1 6 ；潮湿沥青混凝土( 体积含水量为1 2 一8 2 ) 的 相对复介电常数的实部取值范围一般为4 1 叫5 ，虚部为0 1 肛印3 0 。沥青含量和 沥青拌和方式对热拌沥青混凝土的复介电常数影响不太明显。 2 2 3 水泥混凝士的介电特性 郑州大学硕士学位论文 第二章电介质材料及介电模型 潮湿水泥混凝土的复介电常数也同样遵循随着频率的增加而递减的规律，它在 低频区随着频率的增加衰减得比较快，在高频区则衰减比较缓慢，而干燥混凝土的 复介电常数在整个频率范围内近乎是常数。混凝土含水量对介电常数的影响起决定 作用，饱和含水混凝土的复介电常数其值大约为烘干试件复介电常数的2 倍：水泥 混凝土的复介电常数受水灰比的影响也比较明显，水灰比( w ，c ) 越高，混凝土的 介电常数越大；水泥和骨料的材质类型对水泥混凝土复介电常数的影响也较大。并 且水泥混凝土复介电常数在养护初期变化较大，养护末期己基本趋于稳定。 2 2 4 路基土中水的介电特性 路基土复介电常数是土壤湿度、电磁场频率、束缚水和游离水各占容积比例、 土壤结构