探地雷达在北京市城市道路无损检测中的应用.pdf

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1、道路与交通工程器Road&TrafficEngineering探地雷达在北京市城市道路无损检测中的应用彭湘桂(北京吉友佳检测技术有限公司，北京100013)摘要：简要介绍了探地雷达的工作原理及方法，论述了其在城市道路普查和掘路检测中的应用。多年的检测经验表明．探地雷达在城市道路检测中应用效果明显。关键词：道路检测；掘路检测；探地雷达；分辨率中图分类号：'IN95文献标志码：B文章编号：1009—7767(2010)05—0029--04ApplicationofGroundPenetratingRadarforUrbanRoadDetectioninBeij

2、ingPengXianggui’＼城市道路是城市的骨架和公共设施的载体．其建设水平与城市的社会生活和经济发展有着密切的关系。城市道路不断建设、增加的同时，也出现了诸多问题．如：城市道路建设质量控制难度大、道路内部破损及路基以下的地质缺陷情况难以探测等。探地雷达作为一种快速高效的无损探测方法被广泛地应用于城市道路检测【“。l城市道路的特点与公路相比，城市道路功能多样、组成复杂、行人量大、车种复杂、交叉口多、路口渠化、交通分散、道路下方管线及其他构筑物较多，同时道路上方也存在较多的电缆、路灯、变压器和人行天桥等设施，地上和地下的各种金属物体、用电设施都会对探地雷

3、达检测产生干扰。2探地雷达技术探地雷达(简称GPR)又称地质雷达，是近十余年才发展起来的一种高新电磁探测技术，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受工程技术人员的青睐。该方法无需破坏、开挖地表即可完成地下勘探．避免了不必要的投资和浪费，现已被成功地应用于岩土工程勘察、T程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考占探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益I”I。2．1工作原理及方法探地雷达主机通过天线向地下发射高频宽带f1MHz--2GHz)电磁波，当电磁波遇到不同媒质

4、的界面时便会发生反射，反射波返回地表面后被接收天线所接收(见图1)。电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性差异(由介质物理、化学性质变化引起的)及几何形态不同而变化。因此，根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料．可推断出介质的结构及其物性。GPR发射器GPR接收器8ft一’jf：3图1探地雷达原理示意图在经过数据处理后得到的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征．通过同相轴的追踪，可确定反射波组的地质含义。当地下介质中存在异常时．由于异常部分两侧的电性差异较大，容易形成强烈的反射波。电磁波的反射系数取决

5、于界面两边媒质相对介电常数的差异，差异越大，反射系数越大。同时，这一界面也是物性的特变点。常常会产生绕射波，在时间剖面上反映为双曲线。已知地下介质中波速为v，水平距离为茗。根据精确测得的走时t，由下式2010牟．$5期(9一)第28巷辛荭投木一盯29器道路与交通工程Road&TrafficEngineeringt=V'422+x2／v(1)求出反射物的深度z。波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定，因此通过时间剖面上的特征图像就能确定异常部分的位置【31。2．2分辨率分辨率是指仪器分辨最小异常体的能力。探地雷达的分辨率高低主要取决于电磁波的波长，

6、波长越短。接收到的波形信号的分辨率越高。分辨率包括垂向分辨率和水平分辨率。2．2．1垂向分辨率地层或目标体均有上下2个面，如果这2个面与周围介质均存在明显的电性差异，则当电磁波入射时在顶、底界面都会形成反射波。若分别从顶、底反射回来的2个脉冲不重叠(或重叠程度低)且可分辨，通常将这段可分辨的最小距离称为垂向定厚分辨率；当目标体(或地层)厚度很小时，虽然顶、底界面反射回来的2个脉冲不能分辨，但只要在其顶、底界面位置能形成一定强度的反射波，从而能够发现界面存在，则称此厚度为垂向识别分辨率。1)垂向定厚分辨率探地雷达的分辨率近似于—j’_，c为空气中．2afV8，

7、雷达波速度；占，为地层介电常数；4厂为天线的通频带。在探地雷达天线的设计中。通常设雷达天线的带宽为主频率厶的1～1．5倍，这样得到的脉冲波形由相当于主频率谐波的1个主峰加上一定延续度的旁瓣组成．见图2。旁瓣的大小和相位取决于频带的宽度和斜坡形状，频带宽若取为2倍主频，或变缓带边的递降坡度，则可以进一步压缩脉宽．同时增加波峰与旁瓣的比例来突出主波，提高分辨率。依据理论分析和前人试验结果。探地雷达探测的垂向定厚分辨率为九，4(九为电磁波波长)。图2探地雷达单个子波波形图30啼荭教右一E1I2010No．5(Sep．)V01．282)薄层垂向识别分辨率按照非线性层

8、状构造理论，在平面谐波垂直入射的情况下。当薄层顶、底