地質雷達檢測土壤濕度技術在公路

1、地質雷達監(jiān)測土壤濕度技術在公路建設和維護中的應用勞雷公司袁明德譯編<前言>公路結構層的水分含量或稱濕度在公路設計和維護中至關重要，它不但是檢測道路是否已經破損或瀕臨損壞的重要指標，而且跟組成道路的各結構層強度密切相關。所以道路工程師十分重視測量和觀察這一個參數(shù)的變化。目前傳統(tǒng)測量濕度的方法有容重測量法，時域反射（TDR）和中子濕度計等等。這些方法都需要現(xiàn)場采樣或實驗室測定，破壞結構層完整性且不大可能連續(xù)采樣，不能滿足現(xiàn)代高速公路檢測要求在時間和空間上都能滿足連續(xù)精確測量的目的。上世紀90年代以來，隨著地質雷達越來越普遍地用到公路質量檢測，大家自然而然地想到是否可以利用地質雷達實現(xiàn)公

2、路結構層濕度的無損檢測。這樣既能滿足時、空上高密度檢測，而且實現(xiàn)完全無損的快速連續(xù)監(jiān)測。為了實現(xiàn)測量方法上的這一革命性的轉換，首先必須將傳統(tǒng)方法的測量結果跟地質雷達的測量結果進行嚴格對比，作出相應的標定，證明利用地質雷達測量濕度切實可行。鑒于此，本文譯編今年5月刊時代先鋒刊登的加州柏克利大學K.GROTE等的文章”GPR monitoring of Volumetric water content in soils applied to highway Construction and maintenance” （地質雷達監(jiān)測土壤濕度技術在高速公路建設和維護中的應用）供從事地質雷達應用研究和公

3、路檢測的同行們參考。<理論準備>為滿足快速高精度檢測地下目標，應采用高速掃描型地質雷達，配置高頻空氣耦合天線，用收-發(fā)一體或固定收-發(fā)偏移距的天線裝置，以保證雷達波垂直入射和垂直反射的要求。當前利用地質雷達所能回收到的信息全都體現(xiàn)在數(shù)字化的電磁波信號上，主要為電磁波雙程旅行時間t，信號振幅A、信號的頻率f和信號的相位P。目前用得最普遍、最成熟的當數(shù)旅行時間t。它和傳播速度V和目標深度h有如下關系：t=2h/V-(1)傳播速度V又跟巖土介質的介電常數(shù)K有如下關系：K=(C/V)2-(2)其中C為電磁波在真空中的傳播速度。鑒于構成巖土的固體成分的介電常數(shù)范圍大體在4-20之間，而其中水

4、的介電常數(shù)為81。水的成分多少對整體平均介電常數(shù)的變化起著決定性的作用。所以用地質雷達測量電磁波在不同結構層中的傳播速度V，由速度V計算介電常數(shù)K，再由介電常數(shù)算出水含量或濕度v應該是很有希望的一種方法。為此，文章推薦下面兩個換算公式：1. Roth等在1990年推算出的混合容量計算公式：v=K1/2-(1-)K s1/2-K a1/2-(3)K w1/2-K a1/2其中為孔隙率，Ka, ks和Kw分別為空氣、巖土中的固體物質和水的介電常數(shù)，K是由地質雷達測量得到的介電常數(shù)，v為計算出來的含水率或濕度。2. 在實驗中，用迭代擬合原理推導出來的專用于計算土結構濕度的經驗公式：v=-0.006K

5、2+0.294K-0.092-(4)下面的實驗將反復利用這兩個公式計算道路工程結構層的濕度v，并跟實驗室容重法測定的濕度作比較。高速公路一般由上中下三個結構層組成（如圖5）。位于最下面的地基，通常是原狀土或基巖，稍加平整或開挖。這一層的含水量，往往是公路工程設計和施工所要考慮的依據(jù)。從地基往上，我們稱為基層或底基層，通常為碎石、細砂、夾雜少量凝固物質如水泥或瀝青經壓實而成，所以又稱墊層或聚合層，它既起到承擔路面的作用又起到滲漏路面滯水的作用，所以測量這一層的含水量至關重要。底基層往上就是路面，有瀝青路面，水泥混凝土路面，瀝青凝膠路面等等，視鋪路材料而定，這一層是運輸交通的主要承重層。通常要求平

6、整、致密、強度高、透水不積水。所以測量公路的含水量需要分層測量，針對不同層的材質，試驗雷達測量的效果。<砂坑中測量砂土層的濕度>用壓實的細砂來模擬地基原狀土具有一定的代表性。為了能精確有效地采集雷達信號，挖了三個實驗坑：一號坑： 3m x 3m x1.5m二號坑和三號坑為：2m x 2m x 0.8m一號坑投放嚴格分選好的精細砂，含水量為=0.20，二號坑和三號坑相同，但砂土的含水量分別為=0.06和=0.12。砂土每隔10cm或15cm壓實分層堆放，每層取24個600克重的樣本，以便在實驗室測定含水量。(圖1)為三個坑建模后每個深度的水含量。在模型的不同深度上埋置了不同材料的反射

7、體，它們是：25cm x 25cm x 1cm 的鋁合金塊21cm x 11cm 的空心鋼管或鋁管18cm x 18cm x 2cm 中空注水的PVC合。這些反射體的埋深從11120cm不等，有單層埋置，也有上下相隔18cm分兩層疊置，如(圖2)分布在砂坑的不同位置，同時還埋入4個Mark II-B型中子密度儀分別在地質雷達測量前后記錄砂土中的水分變化。沿(圖2)中測線分別用225MHz、450MHz、900MHz和1200MHz天線測量雷達波的反射數(shù)據(jù)，空間采樣密度為1cm，同時每5cm用中子密度儀測量不同深度點的密度g，用g計算土中含水量的相對變化。從測得的g可見模型在各個方向上含水量是均

8、勻的。地質雷達從各個已知埋深的反射體上獲得反射時間t0，尤其是從雙層重疊反射體的時間差t02-t01具有更精確的時間距離關系，因為可以不計確定表面起始反射零時間的誤差（圖3）。雷達測量完成后，馬上挖出所有的砂土并用容重法測量其含水量。最后利用方程3和方程4分別計算含水量v。方程(3)中的空隙率取0.26，固體砂土介電常數(shù)Ks取6.3。代入雷達測得的總體介電常數(shù)K。將雷達波測得的反射時間代入方程1計算出速度V=2h/t0-(5)再將V代入方程2，就能求出模型中土層的平均介電常數(shù)K，然后用方程(3)求出濕度v，將此跟實測濕度比較，兩者差別小于0.012，相當接近。同樣用方程(4)求出濕度與實測濕度

9、相比，得出差別小于0.008，說明擬合方程(4)更符合計算土層的濕度（見圖4）。<測定亞瀝青聚合層（底基層）的濕度>實驗建模選擇在加州一個飛機棚內，避免了外部環(huán)境對模型濕度的影響。按照加州標準公路設計一段12米長的公路（圖5）。公路斷面(圖5)自上而下分別是：路面為瀝青混凝土上覆瀝青橡膠層（AC層）。該面層滲透性低，不會滯水，因此實驗集中在監(jiān)測其下的聚合層（AB）和（ASB）中的含水率。AB為亞瀝青上底基層，由壓實的瀝青、粉砂、粘土和80%中粗碎石組成，ASB為下底基層，成分同上，但未經壓實。最下面的地基為三角洲粘土層。為了加快使路面水流到下面的底基層，在12米的路段上每隔0.5m

10、有一個注水孔，每天分4次向孔中注水。注水總量為3加侖/天，連續(xù)注水8個月，使全路段保持一定的濕度。分別用900MHz和1200MHz天線在注水前和整個注水過程中不間斷地重復測量雷達反射數(shù)據(jù)，測量按照(圖6)所示網格，每2cm一點，方向如圖6中藍色箭頭所示。注水和每次測量完成后，沿測線鉆八個15cm孔，取樣測定含水率，并跟雷達在AB層和ASB層中根據(jù)層厚h和速度V計算出來的含水率v相比較，結果為：上底基層AB中兩者的最大相差為0.025，下底基層中為0.027。平均差別：上底基層為0.008，下底基層為：0.011?？梢姺浅Ｏ嘟?，以資證明用雷達測量估價公路中的積水能達到滿意的程度。進一步分析表明

11、，用1200MHz天線測量具有非常高的分辨率，得到的含水率v跟實驗室容重比所測的含水率相關性很好(R=0.83)。誤差分析表明，此處主要的誤差來源為沒有將底基層的厚度變化計算在內，如果更精細地測量底基層的厚度，則相關性可望更好。圖6中所示雷達測量結果表示，大多數(shù)水分聚積在具有滲透性的下底基層(ASB)。水份可能是通過垂直的通道滲透到未經壓實的、滲透性較好的下底基層(ASB)，變成水平層狀流動或積聚起來。圖6的上底基層 (AB)干燥區(qū)，正好對應其下的下底基層 (ASB)的潮濕區(qū)則支持了這種設想。<幾點結論>一、 加州柏克利大學勞倫茲國家實驗室K.GROTE等人所做的實驗表明，利用最新

12、公路地質雷達測量技術可以準確地評價公路結構層和基礎土層中的含水率或濕度，從而為公路設計和公路維護及時地提供有效依據(jù)；二、 本實驗有效地開辟了地質雷達的應用領域，為公路交通提供了一種無損快速測量路層含水率的工具，這將可能預示著交通公路檢測的一次革命；三、 地質雷達進入我國不到十年，目前雖然已受到廣大工程技術人員普遍的承認和應用，但在地質雷達技術的開發(fā)和應用方面，我們所做的工作還不多，一般都是沿襲國外同行已經開發(fā)出來的老路，應用雷達波反射時間和反射圖象根據(jù)圖形輪廓識別地下目標。其實作為雷達波中所含的信息，有信號的相位、頻率和振幅，每一項都可以跟我們的工程檢測指標相關，關鍵是怎樣通過研究和標定來完成用雷達進行工程測量。加州柏克利大學的同行們給我們做出了一個榜樣。從以上實驗看到，他們?yōu)榱蓑炞C雷達信號對自然土中含水率的相關性和公路結構層中含水率的相關性，從建模到實驗室測定，歷時一年以上，測量了幾十萬個數(shù)據(jù)點，動用了多種測量手段。以此可見，應用研究不是輕而易舉的事，任何科技上的一點進步都來之不易。對此我們從事雷達應用研究的同行們既要看到地質雷達的應用前景無比寬闊，也要看到結合本行業(yè)開拓應用新路的艱辛。參考文獻：1. “Ground penetrating radar for high-resolution mapping of soil and rock stratigraphy”