地质雷达检测土壤湿度技术在公路.doc

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?t，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?t。它和传播速度V和目标深度h有如下关系： ?t=2h/?V-------------------------------------(1) 传播速度V又跟岩土介质的介电常数K有如下关系： 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θv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： θv=K1/2-(1-η)K s1/2-ηK a1/2----------------------------------------------------(3) K w1/2-K a1/2 其中η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，θv为计算出来的含水率或湿度。 在实验中，用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： θv=-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θv，并跟实验室容重法测定的湿度θ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，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。 砂坑中测量砂土层的湿度 用压实的细砂来模拟地基原状土具有一定的代表性。为了能精确有效地采集雷达信号，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θ=0.20，二号坑和三号坑相同，但砂土的含水量分别为θ=0.06和θ=0.12。砂土每隔10cm或15cm压实分层堆放，每层取2~4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 2