地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)土壤濕度技術(shù)在公路

1、地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤濕度技術(shù)在公路建設(shè)和維護(hù)中的應(yīng)用勞雷公司袁明德譯編<前言>公路結(jié)構(gòu)層的水分含量或稱濕度在公路設(shè)計(jì)和維護(hù)中至關(guān)重要，它不但是檢測(cè)道路是否已經(jīng)破損或?yàn)l臨損壞的重要指標(biāo)，而且跟組成道路的各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度密切相關(guān)。所以道路工程師十分重視測(cè)量和觀察這一個(gè)參數(shù)的變化。目前傳統(tǒng)測(cè)量濕度的方法有容重測(cè)量法，時(shí)域反射（TDR）和中子濕度計(jì)等等。這些方法都需要現(xiàn)場(chǎng)采樣或?qū)嶒?yàn)室測(cè)定，破壞結(jié)構(gòu)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(cè)要求在時(shí)間和空間上都能滿足連續(xù)精確測(cè)量的目的。上世紀(jì)90年代以來，隨著地質(zhì)雷達(dá)越來越普遍地用到公路質(zhì)量檢測(cè)，大家自然而然地想到是否可以利用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)公

2、路結(jié)構(gòu)層濕度的無損檢測(cè)。這樣既能滿足時(shí)、空上高密度檢測(cè)，而且實(shí)現(xiàn)完全無損的快速連續(xù)監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量方法上的這一革命性的轉(zhuǎn)換，首先必須將傳統(tǒng)方法的測(cè)量結(jié)果跟地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比，作出相應(yīng)的標(biāo)定，證明利用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量濕度切實(shí)可行。鑒于此，本文譯編今年5月刊時(shí)代先鋒刊登的加州柏克利大學(xué)K.GROTE等的文章”GPR monitoring of Volumetric water content in soils applied to highway Construction and maintenance” （地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤濕度技術(shù)在高速公路建設(shè)和維護(hù)中的應(yīng)用）供從事地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用研究和公

3、路檢測(cè)的同行們參考。<理論準(zhǔn)備>為滿足快速高精度檢測(cè)地下目標(biāo)，應(yīng)采用高速掃描型地質(zhì)雷達(dá)，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(dá)波垂直入射和垂直反射的要求。當(dāng)前利用地質(zhì)雷達(dá)所能回收到的信息全都體現(xiàn)在數(shù)字化的電磁波信號(hào)上，主要為電磁波雙程旅行時(shí)間t，信號(hào)振幅A、信號(hào)的頻率f和信號(hào)的相位P。目前用得最普遍、最成熟的當(dāng)數(shù)旅行時(shí)間t。它和傳播速度V和目標(biāo)深度h有如下關(guān)系：t=2h/V-(1)傳播速度V又跟巖土介質(zhì)的介電常數(shù)K有如下關(guān)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(gòu)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(duì)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(zhì)雷達(dá)測(cè)量電磁波在不同結(jié)構(gòu)層中的傳播速度V，由速度V計(jì)算介電常數(shù)K，再由介電常數(shù)算出水含量或濕度v應(yīng)該是很有希望的一種方法。為此，文章推薦下面兩個(gè)換算公式：1. Roth等在1990年推算出的混合容量計(jì)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(zhì)和水的介電常數(shù)，K是由地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量得到的介電常數(shù)，v為計(jì)算出來的含水率或濕度。2. 在實(shí)驗(yàn)中，用迭代擬合原理推導(dǎo)出來的專用于計(jì)算土結(jié)構(gòu)濕度的經(jīng)驗(yàn)公式：v=-0.006K

5、2+0.294K-0.092-(4)下面的實(shí)驗(yàn)將反復(fù)利用這兩個(gè)公式計(jì)算道路工程結(jié)構(gòu)層的濕度v，并跟實(shí)驗(yàn)室容重法測(cè)定的濕度作比較。高速公路一般由上中下三個(gè)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(xì)砂、夾雜少量凝固物質(zhì)如水泥或?yàn)r青經(jīng)壓實(shí)而成，所以又稱墊層或聚合層，它既起到承擔(dān)路面的作用又起到滲漏路面滯水的作用，所以測(cè)量這一層的含水量至關(guān)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(yùn)輸交通的主要承重層。通常要求平

6、整、致密、強(qiáng)度高、透水不積水。所以測(cè)量公路的含水量需要分層測(cè)量，針對(duì)不同層的材質(zhì)，試驗(yàn)雷達(dá)測(cè)量的效果。<砂坑中測(cè)量砂土層的濕度>用壓實(shí)的細(xì)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(dá)信號(hào)，挖了三個(gè)實(shí)驗(yàn)坑：一號(hào)坑： 3m x 3m x1.5m二號(hào)坑和三號(hào)坑為：2m x 2m x 0.8m一號(hào)坑投放嚴(yán)格分選好的精細(xì)砂，含水量為=0.20，二號(hào)坑和三號(hào)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(shí)分層堆放，每層取24個(gè)600克重的樣本，以便在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定含水量。(圖1)為三個(gè)坑建模后每個(gè)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(shí)還埋入4個(gè)Mark II-B型中子密度儀分別在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量前后記錄砂土中的水分變化。沿(圖2)中測(cè)線分別用225MHz、450MHz、900MHz和1200MHz天線測(cè)量雷達(dá)波的反射數(shù)據(jù)，空間采樣密度為1cm，同時(shí)每5cm用中子密度儀測(cè)量不同深度點(diǎn)的密度g，用g計(jì)算土中含水量的相對(duì)變化。從測(cè)得的g可見模型在各個(gè)方向上含水量是均

8、勻的。地質(zhì)雷達(dá)從各個(gè)已知埋深的反射體上獲得反射時(shí)間t0，尤其是從雙層重疊反射體的時(shí)間差t02-t01具有更精確的時(shí)間距離關(guān)系，因?yàn)榭梢圆挥?jì)確定表面起始反射零時(shí)間的誤差（圖3）。雷達(dá)測(cè)量完成后，馬上挖出所有的砂土并用容重法測(cè)量其含水量。最后利用方程3和方程4分別計(jì)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(dá)測(cè)得的總體介電常數(shù)K。將雷達(dá)波測(cè)得的反射時(shí)間代入方程1計(jì)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(shí)測(cè)濕度比較，兩者差別小于0.012，相當(dāng)接近。同樣用方程(4)求出濕度與實(shí)測(cè)濕度

9、相比，得出差別小于0.008，說明擬合方程(4)更符合計(jì)算土層的濕度（見圖4）。<測(cè)定亞瀝青聚合層（底基層）的濕度>實(shí)驗(yàn)建模選擇在加州一個(gè)飛機(jī)棚內(nèi)，避免了外部環(huán)境對(duì)模型濕度的影響。按照加州標(biāo)準(zhǔn)公路設(shè)計(jì)一段12米長(zhǎng)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(huì)滯水，因此實(shí)驗(yàn)集中在監(jiān)測(cè)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(shí)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(jīng)壓實(shí)。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(gè)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(gè)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(gè)注水過程中不間斷地重復(fù)測(cè)量雷達(dá)反射數(shù)據(jù)，測(cè)量按照(圖6)所示網(wǎng)格，每2cm一點(diǎn)，方向如圖6中藍(lán)色箭頭所示。注水和每次測(cè)量完成后，沿測(cè)線鉆八個(gè)15cm孔，取樣測(cè)定含水率，并跟雷達(dá)在AB層和ASB層中根據(jù)層厚h和速度V計(jì)算出來的含水率v相比較，結(jié)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再Y證明用雷達(dá)測(cè)量估價(jià)公路中的積水能達(dá)到滿意的程度。進(jìn)一步分析表明

11、，用1200MHz天線測(cè)量具有非常高的分辨率，得到的含水率v跟實(shí)驗(yàn)室容重比所測(cè)的含水率相關(guān)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(jì)算在內(nèi)，如果更精細(xì)地測(cè)量底基層的厚度，則相關(guān)性可望更好。圖6中所示雷達(dá)測(cè)量結(jié)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(jīng)壓實(shí)的、滲透性較好的下底基層(ASB)，變成水平層狀流動(dòng)或積聚起來。圖6的上底基層 (AB)干燥區(qū)，正好對(duì)應(yīng)其下的下底基層 (ASB)的潮濕區(qū)則支持了這種設(shè)想。<幾點(diǎn)結(jié)論>一、 加州柏克利大學(xué)勞倫茲國(guó)家實(shí)驗(yàn)室K.GROTE等人所做的實(shí)驗(yàn)表明，利用最新

12、公路地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)可以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)公路結(jié)構(gòu)層和基礎(chǔ)土層中的含水率或濕度，從而為公路設(shè)計(jì)和公路維護(hù)及時(shí)地提供有效依據(jù)；二、 本實(shí)驗(yàn)有效地開辟了地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域，為公路交通提供了一種無損快速測(cè)量路層含水率的工具，這將可能預(yù)示著交通公路檢測(cè)的一次革命；三、 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)入我國(guó)不到十年，目前雖然已受到廣大工程技術(shù)人員普遍的承認(rèn)和應(yīng)用，但在地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方面，我們所做的工作還不多，一般都是沿襲國(guó)外同行已經(jīng)開發(fā)出來的老路，應(yīng)用雷達(dá)波反射時(shí)間和反射圖象根據(jù)圖形輪廓識(shí)別地下目標(biāo)。其實(shí)作為雷達(dá)波中所含的信息，有信號(hào)的相位、頻率和振幅，每一項(xiàng)都可以跟我們的工程檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)，關(guān)鍵是怎樣通過研究和標(biāo)定來完成用雷達(dá)進(jìn)行工程測(cè)量。加州柏克利大學(xué)的同行們給我們做出了一個(gè)榜樣。從以上實(shí)驗(yàn)看到，他們?yōu)榱蓑?yàn)證雷達(dá)信號(hào)對(duì)自然土中含水率的相關(guān)性和公路結(jié)構(gòu)層中含水率的相關(guān)性，從建模到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，歷時(shí)一年以上，測(cè)量了幾十萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，動(dòng)用了多種測(cè)量手段。以此可見，應(yīng)用研究不是輕而易舉的事，任何科技上的一點(diǎn)進(jìn)步都來之不易。對(duì)此我們從事雷達(dá)應(yīng)用研究的同行們既要看到地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用前景無比寬闊，也要看到結(jié)合本行業(yè)開拓應(yīng)用新路的艱辛。參考文獻(xiàn)：1. “Ground penetrating radar for high-resolution mapping of soil and rock stratigraphy”