1、 本文由 Freestylekobe1 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。地质与勘探 第 39 卷 3 期 第 Vol. 39 No. 3 GEOLO GY AND PROSPECTIN G 2003 年 5 月 May ,2003 岩土工程地下障碍物雷达定位探测的技术应用王俊茹 ,吕继东( 石家庄经济学院资源环境与工程系 ,石家庄 050031) 摘 探地雷达以其高分辨率准确确定地下障碍物方面发挥了显著作用 ,主要阐述了地质雷达 要定位探测的方法原理 ,通过实例讨论了雷达定位探测的分辨率及深度问题 ,论述了天线中心频率 、 测量
2、点距及天线间距的选取技术 ,并成功的应用于确定桩位下方的孤石体 、 局部软弱夹层 、 管线位置 ,经开挖 及打桩验证 ,雷达定位探测的准确率很高 。 关键词 探地雷达 障碍物 定位探测技术 中图分类号 P631. 3 文献标识码 A 文章编号 0495 - 5331 ( 2003) 03 - 0084 - 031 地质雷达探测的方法原理地质雷达将高频电磁波 ( 106 109 Hz ) 以宽频 带短脉冲形式通过地面发射天线送入地下 , 遇到与 周围介质电阻抗有差异的地层或目标体时 , 部分能 量返回地面 ,被另一天线所接收 。设发射与接收天 线间的距离为 x , 反射界面的深度为 z , 经反
3、射到达 地面的时间为 :t =2 边坡孤石雷达定位探测的技术应用2. 1 边坡孤石区的地质概况厦门轴承厂住宅楼位于坑内路尽头 ,靠近山崖 , 山坡孤石较为发育 。整个测区内可划分 3 个层面 , 残积土层 、 强风化层及基岩面 。在风化程度渐变的 强风化地层中 , 分布有微风化 、 中风化花岗岩孤石 体 ,分布较多 ,大小不等 , 特别在残积土里有大小不 同的孤石出露 。为对住宅楼边坡孤石进行定位探 测 ,布置雷达探测剖面 7 条 , 测量点数 560 多个 , 探 测孤石体多处 ,为边坡设计提供了重要资料 。2. 2 探测方法与技术4 z2 + x2/ v式中 v 为电磁波在地下介质中的传播
4、速度 。 对于地质雷达所使用的频段来说 , 地下媒质一 般可视为准电介质 1 , 波速可由下式近似求出 : = C/ r 式中 c 为光在真空中的波速 , 为介质复介电 r 常数的相对值 。 在利用地质雷达调查地下介质的分布时 , 是将 收、 发天线距固定 , 并沿剖面同步移动 。 其探测记录 是一张时间剖面图 , 横坐标是每两个天线中点的位 置 , 纵坐标是雷达脉冲双程走时 。 根据脉冲在剖面上 的分布形态可分析地下介质的分布 。 为求取被探测 目标物的精确深度 , 就需要知道地下介质的电磁波 速 v。 通常需要宽角测量方式得到 , 即选择在地层水 平处 , 一个天线固定 , 移动另一个天线
5、 , 就可获得同 一组反射波的双程走时 t 与天线间距 x 的时间剖面 图 , 在 t 2 - x 2 坐标系 , 反射波的时距曲线为一直线 , 由直线的斜率就可求得介质的电磁波速 v 。探测采用从加拿大进口 Pulse E KKO IV 型探 地雷达系统 ,根据探测目的和实际地形条件 ,沿边波 布置三条横测线 ,测线编号为 1 、 、 , 测线间距为 4 2 3m , 根据测量结果在垂直横测线方向布置四条纵测线 ,测线编号为 4 、 、 、 ,测线距离为 6 m 。 5 6 7 雷达定位探测的效果直接受天线间距和测量点 距的影响 。当使用分离式发射 、 接收天线时 ,适当选 择发射与接收天线
6、之间的距离 , 可使来自目的体的 回波信号增强 。由于天线间距过大 , 反射波行程较 大 ,平均作用增强 , 使得反射波形趋于平直 , 异常不 明显 ,因此天线距离不易过大 。但当天线间距离太 小时 ,易与直达空间波互相重叠而无法识别 ,同时地 表局部不均匀性明显 , 表层电磁干扰剧烈 。通过现 场试验 ,最终采用了 1 m 的天线距 。 测量点距是发射天线和接收天线沿剖面每次同 收稿日期 2002 - 10 - 17 ; 修订日期 2003 - 04 - 02 ; 责任编辑 李石梦 。 第一作者简介 王俊茹 (1953 年 - ) ,女 ,1977 年毕业于河北地质学院 ,副教授 ,主要从事
7、工程物探教学 、 科研及开发工作 。84第 3 期 王俊茹等 : 地下障碍物雷达定位探测的技术应用 步移动的距离 。通常测量中按小于四分之一波长的 原则选取 ,根据探测深度 ,选用 50 M Hz 中心频率的 天线 ,按地层波速值 ( v = 0. 08 m/ ns) , 计算的波长 为 1. 5 m ,按小于四分之一波长法则 5 , 选用了 0. 2 m 的测量点距 ,可以满足精度要求 。 为了尽量抑制外部干扰的影响 ,提高信噪比 ,采用 多次叠加采样的方式进行观测 ,叠加次数为 128 次。 2. 3 雷达定位探测的水平分辨率与探测深度的确定 雷达定位探测的分辨率分垂直分辨率与水平分辨 率
8、。边坡孤石雷达定位探测主要取决于水平分辨率。 即在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸。 天线频率影响水平分辨率 。雷达中心频率愈低 或目的体埋深愈大 , 就要求目的体有更大的规模才 能获得足够的反射功率 2 。根据厦门轴承厂孤石 区勘探深度 H = 15 m 左右 , 实测地层电磁波速为 ( v = 0. 08m/ ns) , 选择中心频率为 50 M Hz 的天 线 ,计算的波长 = v/ f = 1. 6 m ,则第一菲涅耳带 直径 3 d F = H/ 2 = 3. 4 m 。对于水平宽度 1 m 以上的目的体 ,显然满足大于第一菲涅耳带直径 1/ 4 的条件 ,说明选择 50 M H
9、z 天线 , 可以满足该工程 对水平分辨率的要求 。 天线频率影响探测深度 。根据 D J Daniels 等人 对中心频率与勘探深度的关系分类 , 中心频率在 1000 M Hz 以上 , 探测深度小于 0. 5 m , 主要用于探 测墙 内 空 洞 及 隐 藏 物 等 ; 中 心 频 率 在 100 800M Hz ,探测深度为 0. 55 m ,主要用于管线探测 、 高岩孤石与残积土层及强风化地层存在较大的电性差 异 ,其吸收系数也小于其围岩 ,因而在孤石与围岩接 触面两侧出现强反射 , 在孤石体上出现同相轴不连 续的强反射能量团 。强风化地层中强反射能量团部 位是孤石体波场的反映 。据
10、此圈定出孤石体的平面 分布及埋深 。图 1 测线雷达定位探测剖面图 3速公路质量检测等 ; 中心频率小于 100 M Hz , 探测 深度一般为 5 50 m 。主要用于探查岩溶溶洞 、 基 岩埋深 、 岩土层位及裂隙破碎带的分布和形态等 。 表 1 给出了根据所需探测深度建议使用的天线中心 频率 ,可根据需要提高或降低天线频率 。表 1 探测深度与天线中心频率间的关系天线中心频率/ MHz 探测深度/ m900 1 500 2. 5 300 7 100 12 60 20 40 30 20 40根据表 1 ,厦门轴承厂工地的勘探深度为 15 m 左右 ,选用 50 M Hz 天线满足该工程对勘
11、探深度的 要求 。 2. 4 探测结果分析 图 1 是 3 测线雷达探测剖面 , 图中两侧垂直轴 为深度轴 ,单位为米 ,水平轴为测点位置轴 。水平轴 两端所标的方位表示该测线的指向方向 , 水平轴上 方的测线以数字记号及箭头所指 ( 如 KN5 ) 表示在 该测点与其它测线的交叉处 。由于微 、 中风化花岗图 2 测线雷达定位探测剖面 5深层连续性好的同相轴是基岩界面的反映。推 断残积土层在离地面 45 m 左右 ,东西向起伏不均 , 南北向基本趣于北深南浅。强风化地层分布较均匀 , 东部较深 ,大约在 20 m 左右 ,西面较浅 ,大约在 15 m 左右。从 3 测线看 ,基岩埋深东侧深西
12、侧浅。 图中 6 - 11m 处的强波干扰是测线上方高压线85地质与勘探 2003 年的影响 ,由于探测区上方有南北向高压电线经过 ,当 进行东西向测线测量时 ,由于天线与高压电线平行 , 所受干扰很大 , 从剖面上看 , 干扰深度在 6 11 m 之间 ,使该深度范围的孤石延伸无法分辨 。但对南 北向测线几乎影响很小 ,如图 2 中的 5 测线 ,几乎不 受高压线干扰 。剖面中孤石及基岩界面反射波场清 晰 ,仅在 5 测线左侧靠近山波一侧存在边界效应 。 而且两测线交叉处的孤石吻合很好 , 与钻探结果一 致 。说明探地雷达的分辨率和探测效果是可靠的 。以上的目的体 ,要求脉冲宽度最大不超过
13、2 倍目的 体长度 ,为了减小地下岩性不均一性的干扰 ,要求脉 冲波长尽可能大 。因此我们选取脉冲波长为 2 m 。 考虑到实测的电磁波速为 0. 089 m/ ns ,则中心频率 f = v/ l = 50 M Hz 。因此选择 50 M Hz 天线既可以 达到垂直分辨率的要求 , 也可以满足勘探深度 ( h = 25 m) 的要求 。3. 4 探测结果分析3 软弱夹层雷达定位探测的技术应用3. 1 工程概况通过分析得知 , 凡在地层分界面处都存在反射 同相轴 ,在无夹层的均匀基岩内不存在明显连续分 布的同相轴 ,但在桩底部位的基岩内 ,存在反射能量 增强的局部地段 , 说明该处存在电性差异
14、明显的分 界面 ,据此推断该处存在强风化夹层 ,经验证与推断 结果基本吻合 。最后采用灌浆的办法解决了这一工 程出现的问题 。广州扬协城工程地基处理为挖孔灌注桩 。在抽 芯验桩时 ,发现桩底有强风化软弱夹层 。在岩土工 程地基评价中 ,薄的软弱夹层的存在将影响地基的 承载力与抗剪切强度 , 并最终影响建筑工程质量 。 为此需要了解地下软弱夹层的走向 、 夹层的厚度 、 平 面延伸情况 ,以便采用合理的地基处理方案 ,为建筑 施工设计提供理论技术依据 。甲方提出用先进的雷 达定位探测方法解决这一技术问题 。3. 2 探测方法技术4 结语1) 应用探地雷达对地下障碍物进行准确定位的关键是 ,根据目
15、标物的大小及埋深确定合适的分 辨率 。对孤石 、 管线的定位 ,重点是水平分辨率的确 定 ,保证它在水平延伸方向定位准确 ,以便为桩位设 计和开挖施工提供技术依据 。 2) 对局部软弱夹层这种障碍物的准确定位探 测 ,重点是确定合适的垂直分辨率 ,以便不漏掉较薄 的软弱夹层 ,同时较准确控制夹层厚度 。 参考文献 1 王俊茹 ,吕继东 . 地质雷达在环境地质灾害探测中的应用 J .根据探测分辨率和勘探深度的关系 ,测量时选用 50 MHz 天线 ,天线间距为 1 m ,测量点距为 0. 2 m , 采用多次叠加采样方式进行观测 , 叠加次数为 128 次。3. 3 雷达定位探测的垂直分辨率与探
16、测深度的确定为对薄的软弱夹层的赋存位置进行准确的雷达 定位探测 ,需要研究雷达探测的垂直分辨率与探测 深度 。在垂直方向上所能分辨的地层的最小厚度称 为垂直分辨率 。地质雷达发射的是一个周期的电磁 波脉冲 ,脉冲宽度 ( 即波长) 与脉冲中心频率 f 的 关系为 = v/ f , 小 ,分辨率高 ,对地下介质的不均地质与勘探 ,2002 ,38 (3) :7073.2 黄南晖 . 地质雷达探测的波场分析 J . 地球科学 - 中国地质大学学报 ,1993 ,18 (3) :294302.3 李大心 . 探地雷达方法与应用 M . 北京 : 地质出版社 ,1994. 4 地质雷达在公路建设中的应
17、用 J . 物探与化探 ,1996 ,20 ( 2) : 116123. 5 探地雷达概论 J . 地球科学 - 中国地质大学学报 , 1993 , 18一性反映敏感 。根据广州扬协城工程 , 要求分辨的 (3) :249255. 软弱夹层的厚度为 1 m 以上 。为了能够反映出 1 m TECHNICAL APPL ICATION OF APPLY ING GROUND PENETRATING RADAR TO THE D ETECTION OF OBSTRUCTIONWAN G J un - ru ,L U Ji - dong( Depart ment of Envi ronment an
18、d Engi neeri ng , S hijiaz huang U niversity of Econom ics , S hijiaz huang 050031)Abstract :Ground penetrating radar has a function to ascertain underground obstructions wit h high resolution. The paper dealt wit h t he principle basis of location probing of geological radar , discussed t he proble
19、ms of resolving power and exploration dept h , and expounded t he techniques of choosing antenna frequency , survey point intervals and distance of two antennas. The radar has been successfully used to ascertain t he isolated stone body , t he sofa layer and t he underneat h pipeline. Tested and verified by excavation and drilling , t he accuracy of ground penetrating radar to ascertain t he under2 Key words :ground penetrating radar , obstruction , location exploration technologyneat h obstruction is very high.861
