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1、GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.7探地雷达在铁路路基零温断面调查中的应用研究12刘文波杜立志(1.北京鑫衡运科贸有限责任公司2.吉林大学建设工程学院)摘要冻土层的不稳定性直接造成铁路路基的不均匀沉降,给铁路安全运营带来极大的威胁。为了获取连续的永冻土上限(零温界面)资料,根据测试施工环境和测试精度的要求,利用其介电常数的差异,采用探地雷达进行探测,试验结果表明该方法准确有效,可以得到较好的零温界面资料。关键词探地雷达冻土层铁路路基我国地域辽阔,地势分布极不均一,南北方气候
2、结构进行描述。再由计算机将收到的数字信号进行多样这一特点。特别是在一些高纬度、高海拔地区分析计算和成像处理,即可识别不同层面反射体的季节性冻土和永久性冻土相互交错,随着季节变化,空间形态和介质特性。雷达波频率一般在10~冻土层的不稳定性直接造成铁路路基的不均匀沉2000MHz之间,穿透能力很强,探测深度可达几十[1]降,给铁路安全运营带来极大的威胁,处理不好则极米,分辨率达厘米级。作为一种快速、准确、无损易引起重大的铁路交通事故。因此,如何实现对永探查地下工程质量评价的有效方法,在近年来得到久冻土上限(零温界面)
3、进行快速准确地检测和监了迅速的发展和广泛的应用。测是当前工程界十分重要的任务。探地雷达的观测方式有多种,若发射天线固定利用钻孔对地温进行监测可以快速直观的得到不动,接收天线沿侧线移动,并逐点接收来自反射界地温断面的零温线资料,但其观测受钻孔数量的限面的反射回波,则回波走时与天线距有如下关[2-3]制,观测点较少。如何能以较为快速经济的物探手系:段获取连续的地温资料,是摆在科研人员面前的一x2+4z2t=(1)道难题。由于所需观测的目标体埋藏于铁路路基v下、界面埋深较浅,一般的物探手段较难以奏效。对式中:v)电磁波
4、在地下介质中的波速;z)为反于地震反射波法来说,探测埋深一到三米的地下界射点的法线深度。面显然难以实现精度要求;在铁路路基上布置电极显然,回波走时与天线距之间的关系为双曲线。较为困难,再加上半米多厚的碎石道渣,电极的接地对于零天线距的单置式天线而言,即天线距x=0,问题难于解决,因此高密度电阻率法也很难开展;而则自激自收时间为:探地雷达进行探测则不需要额外布置接地的传感t=2zv(2)器,探测深度和精度也都符合要求,成为零温面调查当地下介质中的波速v已知时,则可根据天线中首选的物探方法。距x和记录回波走时t值,由
5、式(1)或(2)求出反射体的埋深。1探地雷达的工作原理2探地雷达对路基零温断面调查的可行性探地雷达(groundpenetratingradar,GPR)是一种广谱电磁技术,它利用高频电磁波以宽频带、短脉众所周知,所有物探手段的实施都是建立在勘冲形式从地表自上而下地发射电磁波,电磁波在地探目标体与周围环境的物性差异基础上的。探地雷下传播过程中遇到不同介质界面时产生反射,由接达方法所涉及到的是目标体介电常数的差异。非冻收天线接收介质反射的回波信号,电磁波在地下介土与冻土之间的零温界面从物性角度来说首先是一质中传播时
6、,其路径、电磁场强度随所通过的介质的个温度界面,同时它也是一个弹性界面、电性界面。电性性质及几何形态而变化,根据接收的反射回波土壤,干燥土壤的相对介电常数为3~5,而含水信号的双程走时、幅值、相位等信息,对地下介质的20%的土壤的相对介电常数为4~40;水的相对介1收稿日期22007-11-0860岩土工程界第11卷第7期电常数为81,而一旦结成冰则相对介电常数就变为3.2。可见零温界面应该是一个相对介电常数变化较大的界面,雷达天线所发射的高频电磁波,在遇到相对介电常数有变化的界面时就会产生反射,而且介电常数变化
7、越大,反射越强烈。这为使用雷达对零温界面进行探测提供了理论依据。另外,铁路路基地表情况比较单一,而且在未经人为扰动的情况下,地下冻土界面较为完整连续,起伏变化不会太剧烈。理论上利用探地雷达对冻土界面进行划分,只要选择好天线的工作频率,应能取得非常好的效果。但是值得注意的是在已经投入运营的铁路路基上对其下的冻土界面进行划分时,则需要面对来自路轨、路枕、热交换棒,以及路基、道渣分布不均匀性带来的多重的干扰。但是铁轨、路枕、热交换棒引起的干扰是有规律的,在雷达记录上是可以识别的,在后续数据处理过程中这些干扰很容易识别和
8、消除掉。显然,使用探地雷达对路基下永久图1数据处理流程图冻土上限进行探测是可行的。实测的钻孔零温深度线对所测雷达剖面的雷达波速3工程实际应用效果研究进行校准。图2中的(b)为雷达数据的最终解译成试验选择在分布于齐齐哈尔至加各达奇段铁路果图,其中零温界面如图中黄线所示。综合参考多101公里处的地温调节试验段上。使用瑞典MALA组地温资料和测试结果,取自地表至零温线的雷达公司
