地质雷达检测土壤湿度技术在公路

1、地质雷达监测土壤湿度技术在公路建设和维护中的应用劳雷公司袁明德译编 前言公路结构层的水分含量或称湿度在公路设计和维护中至关重要，它不但是检 测道路是否已经破损或濒临损坏的重要指标，而且跟组成道路的各结构层强度密 切相关。所以道路工程师十分重视测量和观察这一个参数的变化。目前传统测量湿度的方法有容重测量法，时域反射（TDR）和中子湿度计等 等。这些方法都需要现场采样或实验室测定，破坏结构层完整性且不大可能连续 采样，不能满足现代高速公路检测要求在时间和空间上都能满足连续精确测量的 目的。上世纪 90 年代以来，随着地质雷达越来越普遍地用到公路质量检测，大家 自然而然地想到是否可以利用地质雷达实现

2、公路结构层湿度的无损检测。这样既 能满足时、空上高密度检测，而且实现完全无损的快速连续监测。为了实现测量方法上的这一革命性的转换，首先必须将传统方法的测量结果 跟地质雷达的测量结果进行严格对比，作出相应的标定，证明利用地质雷达测量 湿度切实可行。鉴于此，本文译编今年 5 月刊时代先锋刊登的加州柏克利大学 K.GROTE 等的文章 ”GPR monitoring of Volumetric water content in soils applied to highway Construction and maintenance” （地质雷达监测土壤湿度技术在高速公路 建设和维护中的应用）供从事

3、地质雷达应用研究和公路检测的同行们参考。理论准备为满足快速高精度检测地下目标，应采用高速扫描型地质雷达，配置高频空 气耦合天线，用收-发一体或固定收-发偏移距的天线装置，以保证雷达波垂直入 射和垂直反射的要求。当前利用地质雷达所能回收到的信息全都体现在数字化的电磁波信号上，主 要为电磁波双程旅行时间At，信号振幅A、信号的频率f和信号的相位P。目前 用得最普遍、最成熟的当数旅行时间山。它和传播速度V和目标深度h有如下关 系：At=2h/AV（1）传播速度V又跟岩土介质的介电常数K有如下关系：(2)K=(C/V)2(2)其中 C 为电磁波在真空中的传播速度。鉴于构成岩土的固体成分的介电常数范围大

4、体在 4-20 之间，而其中水的介 电常数为 81。水的成分多少对整体平均介电常数的变化起着决定性的作用。所 以用地质雷达测量电磁波在不同结构层中的传播速度V,由速度V计算介电常 数K,再由介电常数算出水含量或湿度Ov应该是很有希望的一种方法。为此,文章推荐下面两个换算公式：Roth等在1990年推算出的混合容量计算公式： TOC o 1-5 h z Ov=Ki/2-(l-n)K/2- nK J/2(3)S1 -AK 1/2-K 1/2wA其中n为孔隙率，Ka, ks和Kw分别为空气、岩土中的固体物质和水的介电 常数，K是由地质雷达测量得到的介电常数，Ov为计算出来的含水率或湿度。在实验中,用

5、迭代拟合原理推导出来的专用于计算土结构湿度的经验公 式：Ov=-0.006K2+0.294K-0.092(4)下面的实验将反复利用这两个公式计算道路工程结构层的湿度Ov，并跟实 验室容重法测定的湿度O作比较。高速公路一般由上中下三个结构层组成(如图 5)。位于最下面的地基，通 常是原状土或基岩，稍加平整或开挖。这一层的含水量，往往是公路工程设计和 施工所要考虑的依据。从地基往上，我们称为基层或底基层，通常为碎石、细砂、 夹杂少量凝固物质如水泥或沥青经压实而成，所以又称垫层或聚合层，它既起到 承担路面的作用又起到渗漏路面滞水的作用，所以测量这一层的含水量至关重 要。底基层往上就是路面，有沥青路面

6、，水泥混凝土路面，沥青凝胶路面等等， 视铺路材料而定，这一层是运输交通的主要承重层。通常要求平整、致密、强度 高、透水不积水。所以测量公路的含水量需要分层测量，针对不同层的材质，试 验雷达测量的效果。地质雷达测试坑的初始湿度E)E)曲MF 虽含水率（3显度砂坑中测量砂土层的湿度环同深度砂土层的含水率询，每层至少测量两个以上不同位置。用压实的细砂来模拟地基原状土具有一定的代表性。为了能精确有效地米集 雷达信号，挖了三个实验坑：一号坑： 3m x 3m x1.5m二号坑和三号坑为： 2m x 2m x 0.8m一号坑投放严格分选好的精细砂，含水量为0=0.20,二号坑和三号坑相同, 但砂土的含水量

7、分别为0=0.06和0=0.12。砂土每隔10cm或15cm压实分层堆放, 每层取24个600克重的样本，以便在实验室测定含水量。 （图1）为三个坑建模 后每个深度的水含量。在模型的不同深度上埋置了不同材料的反射体，它们是：25cm x 25cm x 1cm 的铝合金块21cm x11cm的空心钢管或铝管18cm x 18cm x 2cm 中空注水的 PVC 合。这些反射体的埋深从11这些反射体的埋深从11120cm不等，有单层埋置，也有上下相隔18cm分两层叠置，女口（图2）分布在砂坑的不同位置，同时还埋入4个Mark II-B型中子密度仪分别在地质雷达测量前后记录砂土中的水分变化。从06m

8、深度上的埋 藏金属板反射信号 A0.85m从06m深度上的埋 藏金属板反射信号 A0.85m深度上的埋 藏金属板反射信号沿(图 2)中测线分别用 225MHz、450MHz、900MHz 和 1200MHz 天线测量 雷达波的反射数据，空间采样密度为1cm，同时每5cm用中子密度仪测量不同 深度点的密度eg,用og计算土中含水量o的相对变化。从测得的og可见模型 在各个方向上含水量是均匀的。地质雷达从各个已知埋深的反射体上获得反射时间&0,尤其是从双层重叠 反射体的时间差Mo?-山01具有更精确的时间一距离关系，因为可以不计确定表面 起始反射零时间的误差(图 3)。雷达测算湿度与实测湿度对比图

9、(图4)从三个试坑中雷达估算的湿度与实验室实测湿 度对比图，无论用方程3(图4)从三个试坑中雷达估算的湿度与实验室实测湿 度对比图，无论用方程3或方程4计算或其相近程度 表明由雷达测量计算的湿度是可信的p雷达测算湿度雷达测量完成后，马上挖出所有的砂土并用容重法测量其含水量。最后利用 方程3和方程4分别计算含水量Ov。方程(3)中的空隙率n取0.26，固体砂土介 电常数Ks取6.3。代入雷达测得的总体介电常数K。将雷达波测得的反射时间代入方程 1 计算出速度 V=2Mh/Mt0(5)再将V代入方程2,就能求出模型中土层的平均介电常数K，然后用方程(3)求 出湿度Ov,将此跟实测湿度O比较，两者差

10、别小于0.012，相当接近。同样用方 程(4)求出湿度与实测湿度相比，得出差别小于0.008，说明拟合方程(4)更符合计 算土层的湿度(见图 4)。注水孔AB (272mm)ASB (214nm)Overhy (30 mm)AC (132mm)注水孔AB (272mm)ASB (214nm)Overhy (30 mm)AC (132mm)（图5）标准实验路段剖面和1200MFIZ天线雷达测量剖面口 AC沥青混凝 土上覆沥青凝胶路面层，AB亚沥青聚合底基层上部，ASB亚沥青聚 合底基层下部，SG路基，注水孔穿过凝胶层和沥青混凝土层，使水注 直接注Jk底基层V测定亚沥青聚合层（底基层）的湿度实验建

11、模选择在加州一个飞机棚内，避免了外部环境对模型湿度的影响。按 照加州标准公路设计一段 12 米长的公路（图 5）。公路断面（图 5）自上而下分别 是：路面为沥青混凝土上覆沥青橡胶层（AC层）。该面层渗透性低，不会滞水, 因此实验集中在监测其下的聚合层（AB）和（ASB）中的含水率。AB为亚沥青 上底基层，由压实的沥青、粉砂、粘土和80%中粗碎石组成，ASB为下底基层， 成分同上，但未经压实。最下面的地基为三角洲粘土层。为了加快使路面水流到下面的底基层，在12米的路段上每隔0.5m有一个注 水孔，每天分 4 次向孔中注水。注水总量为 3 加仑/天，连续注水 8 个月，使全 路段保持一定的湿度。分

12、别用900MHz和1200MHz天线在注水前和整个注水过程中不间断地重复 测量雷达反射数据，测量按照（图6）所示网格，每2cm 一点，方向如图6中蓝色 箭头所示。（图6）用地质雷达在试验路段上测得的底基层湿度分布图， 上图为注水开始后第H9天，下图为注水开始后第2M天。 地质雷达测量路线如图中蓝色箭头所示，蓝色和黄色分别 表示潮湿区域和干燥区域。注水和每次测量完成后，沿测线钻八个15cm孔，取样测定含水率，并跟雷 达在AB层和ASB层中根据层厚h和速度V计算出来的含水率0讲相比较，结 果为：上底基层AB中两者的最大相差为0.025，下底基层中为0.027。平均差别： 上底基层为 0.008，下

13、底基层为：0.011。可见非常相近，以资证明用雷达测量估 价公路中的积水能达到满意的程度。进一步分析表明，用1200MHz天线测量具 有非常高的分辨率，得到的含水率Ov跟实验室容重比所测的含水率0相关性很 好(R=0.83)。误差分析表明，此处主要的误差来源为没有将底基层的厚度变化计 算在内，如果更精细地测量底基层的厚度，则相关性可望更好。图 6 中所示雷达测量结果表示，大多数水分聚积在具有渗透性的下底基层 (ASB)。水份可能是通过垂直的通道渗透到未经压实的、渗透性较好的下底基层 (ASB)，变成水平层状流动或积聚起来。图6的上底基层(AB)干燥区，正好对 应其下的下底基层(ASB)的潮湿区

14、则支持了这种设想。几点结论一、加州柏克利大学劳伦兹国家实验室 K.GROTE 等人所做的实验表明，利 用最新公路地质雷达测量技术可以准确地评价公路结构层和基础土层中的 含水率或湿度，从而为公路设计和公路维护及时地提供有效依据；二、本实验有效地开辟了地质雷达的应用领域，为公路交通提供了一种无损 快速测量路层含水率的工具，这将可能预示着交通公路检测的一次革命；三、地质雷达进入我国不到十年，目前虽然已受到广大工程技术人员普遍的 承认和应用，但在地质雷达技术的开发和应用方面，我们所做的工作还不多， 一般都是沿袭国外同行已经开发出来的老路，应用雷达波反射时间和反射图 象根据图形轮廓识别地下目标。其实作为

15、雷达波中所含的信息，有信号的相 位、频率和振幅，每一项都可以跟我们的工程检测指标相关，关键是怎样通 过研究和标定来完成用雷达进行工程测量。加州柏克利大学的同行们给我们做出了一个榜样。从以上实验看到，他们为了验证雷达信号对自然土中含水率的相关性和公路结构层中含水率的相关性，从 建模到实验室测定，历时一年以上，测量了几十万个数据点，动用了多种测量手 段。以此可见，应用研究不是轻而易举的事，任何科技上的一点进步都来之不易。对此我们从事雷达应用研究的同行们既要看到地质雷达的应用前景无比宽阔，也 要看到结合本行业开拓应用新路的艰辛。参考文献：1. “Ground penetrating radar for high-resolution mapp