地质雷达在岩土介质中的应用

地质雷达在岩土介质中的应用

1注浆效果检测近年来，注浆填充已广泛应用于许多应用的分散区域处理方案。这种处理是在地表、隧道和孔室的表面上进行的。水泥污泥通过注浆泵和砂浆管流入松散区域。由于松散区注浆治理后,其浆液位置具有较大的不确定性,难以通过传统的取样、密实度等方法进行注浆效果检测,因此如何有效地判断注浆效果是目前急需解决的问题。目前超前预报的方法有很多种,如地质雷达、TSP法、红外探测等方法。地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法,在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用,近年来也被用于隧道超前地质预报工作,杨峰提出了利用对地质雷达谱剖面分析的技术方法对注浆效果检测。陈军利用地质雷达对某基坑维护工程的注浆效果进行检测。注浆属隐蔽工程,注浆效果如何,目前的检测手段还有限,根据工程实例来看,地质雷达探测法应该是比较快速的方法之一,而且也能取得较好的工程效果。2带短脉冲观测系统的基本原理地质雷达又称探地雷达,是用频率介于106~109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。地质雷达虽然与探空雷达一样利用高频电磁波束的反射来探测目标体,但地质雷达探测的是在地下有耗介质中埋设的目的体,因此形成了其独特的发射波形与天线设计特点。天线以宽频带短脉冲形式向地下发射高频电磁波(主频为数十至数百乃至数千兆赫)。由于材料的成分、结构以及环境的不同,不同介质的物理性质(如介电常数)存在明显差异,使雷达波在各介质的分界面上产生反射,并被接收天线接雷达系统的基本部分如图1所示。按照现场测量和数据采集技术,地质雷达检测技术可以分为剖面法、宽角法、多天线法等几种方法,其中最为常用的是剖面法,即发射天线和接收天线以固定间隔距离沿测线同步移动的一种测量方法。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。当发射天线与接收天线同步沿测线移动时,就可以获得一系列记录组成的地质雷达时间剖面图像,其中横坐标为天线在地表测线上的位置,纵坐标为电磁波从发射天线发出经异常介质反射回到接收天线的双程走时,表示雷达脉冲从发射天线出发经地,下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态,如图2~3所示。3不均匀介质波形图的分析地质雷达测量的是地下界面的反射波的走时,为了获取地下界面的深度,必须要有介质的电磁波传播速度:式中:c为真空中电磁波传播速度,c=0.3m/ns;εr为相对介电常数。地质雷达技术的穿透深度和分辨率主要取决于雷达波的频率和地下介质的电性。频率越低,穿透深度越大;导电率越低,穿透深度则越大,反之亦然。频率越高,地质雷达的分辨率也越高,现阶段已经可以达到厘米级甚至更高。地质雷达检测目的体后得到的结果只能由接受天线通过计算机显示出其波形图,因此波形图的分析是得出检测结果的关键。电磁波在不均匀岩土体介质中传播,经反射和透射后形成的波形图与介质的介电常数及厚度,各层介质的衰减和吸收损失以及各分界面的反射损失等都有关系。假设在地面以下半无限空间内有n+1层电性介质,这时则有n个电性分界面。设每个电性层的厚度为hi,电磁波速度为vi,介电常数为εr,每个电性界面的反射系数为Ri,透射系数为Ti,(下标i表示第i个电性层或电性分界面,i=1,2,3,,n)。影响波形的各项因素如下:(1)电磁波在电介质中部分被吸收,吸收系数决定了波在传播过程中的衰减速率,第i层电介质中的吸收系数βi近似为式中:µ、σ、ε分别为介质的磁导率、导电率以及介电常数。(2)电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面处会发生反射与折射。入射波、反射波与折射波的传播方向遵循反射定律与折射定律。电磁波在到达界面时,还将发生能量再分配。入射波、反射波和折射波三者之间的能量关系,由反射系数和的反射系数和折射系数决定,反射系数和折射系数分别等于反射波的能量强度和折射波的能量强度比入射波的能量强度。令R12和T12,分别表示波从介质1入射到介质2时界面的反射系数和折射系数。R12和T12分别为式中:θi为入射角;n为折射率,,ε*为复介电常数。(3)当电磁波在多层介质中反射时电磁波通过各界面时产生透射损失,第i层介质的透射损失Ai为再根据前面波的传播速度公式,可以得出反射到达各层所需的双程走时,即通过以上得出的各反射层的双程走时和各系数对波的修正,最后得到接受天线所接收到的关于探测深度和波的双程走时波形图。4使用示例4.1分层填土防空洞拟建某建筑物为18层,是在原建筑物旧址兴建的建筑,建筑场地下有防空洞,自然地面距离防空洞顶为9.6~11.5m左右,建筑基坑深度为6m,因此坑底距防空洞洞顶距离为3.6m~5.5m。该场区覆盖层地层简单均匀,场地地层从上往下下各层的土质及厚度分别为:层①素填土(Qml),0.5~2.5m;层②黏土(Q3al+pl)12.0~16.0m;层③黏土夹碎石层(),2.0~5.4m。该场区为中硬场土,无特殊土。根据该防空洞资料,该防空洞施工质量较好,至今未出现过侧壁跨塌与洞顶冒落现象,使用情况与自身稳定性良好,但考虑到人防工程长期处于潮湿状态,使用年代较长,混泥土强度有一定的下降。另外,通过现场的钻探资料知道,洞顶以上1m范围内由于地道开挖引起土体松动,致使土体强度降低,特别是有些地方在距洞顶50cm处发现空洞。因此,为确保建筑物的安全与稳定,应对防空洞进行加固处理。应备战的需要,建筑场地下防空洞不能回填,并要保证建筑物的安全及防空洞的正常使用。根据对该防空的综合论证,在距洞顶0.5~1.0m范围内,采用花管注浆处理,或者在洞内钻孔向松散土体注浆处理。4.2防空洞不虚实部位分析建筑场地地下的防空洞是影响建筑场地稳定性的主要因素,为确保防空洞的安全、稳定至关重要。为检测防空洞群的注浆回填效果,采用SIR-20地质雷达以及40MHz天线对防空洞进行检测。地下防空洞总长180m左右,由于要检测出防空洞上部的所有不密实处,如采用测点布置法则需要布置的测点太多,工作量太大。考虑防空洞的结构及受载情况,采用沿防空洞轴向,在防空洞洞顶方向以及在洞顶两侧距洞顶0.5m处布置3条测线,检测总长540m左右,测线位置布置平面示意图4。对防空洞检测到的典型的深度波形示意见图5。对全长540m的波形图进行分析可知,在所测区域没有成片的不密实区域或裂隙区域,但存在小的不密实区域或者裂隙区域,主要分布在距衬砌内表面0.5~1.0m以内,且范围较小。通过注浆前的钻孔资料可知:洞顶以上0.5~1.0m范围内的土体因防空洞上方建筑基坑的开挖引起土体松动,存在裂隙或者小的空洞区域。由此可以得出,地质雷达检测的注浆效果可靠,与实际情况相符。5防洞穴注浆效果的计算机地质雷达测试(1)地质雷达技术是近几年发展很快的一种高新无损探测技术,结合电磁波在多种介质中的传播特征,本文利用电磁理论,对地质雷达发出的电磁波在岩土体介质中传播的各种影响因素进行分析,通过各种影响因素的修正,最后得到接收天线接受到的波形。从地质雷达对某人防洞注浆效果检测应用可见计算机显示的波形图能够直观、清晰的反映出不密实,或者空洞区域,应用效果良好。(2)地质雷达的野外工作,必须根据探测对象的状况及所处的地质环境。为保证雷达记录的质量,应采用相