城市道路結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著城市道路建設(shè)與養(yǎng)護管理的快速發(fā)展，對道路結(jié)構(gòu)層厚度、含水率、孔隙率以及壓實度等重要道路質(zhì)量評價指標(biāo)的精確探測成為了檢測技術(shù)的發(fā)展方向。探地雷達是利用超高頻脈沖電磁波探測地下淺層與超淺層介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，由于其無損、高效、抗干擾能力強、操作方便、成本低、受檢測條件限制小、檢測精度高等特點，探地雷達的應(yīng)用趨于多樣化，而且已經(jīng)大量應(yīng)用于道路狀況評價中。但是由于缺乏城市道路結(jié)構(gòu)層材料介電特性的相關(guān)研究以及合理的適用于道路結(jié)構(gòu)層

2、材料的多相復(fù)合介質(zhì)介電特性模型，制約了基于探地雷達的城市道路無損檢測技術(shù)的發(fā)展，研究成果還局限于僅針對道路單結(jié)構(gòu)層厚度進行研究，而對道路多層的結(jié)構(gòu)層厚度的研究還不夠充分，對于含水率、孔隙率以及壓實度等道路質(zhì)量評價指標(biāo)的雷達檢測目前還處于摸索階段。
　　本文針對上述探地雷達在城市道路應(yīng)用中存在的問題，通過模型試驗對電磁波在城市道路結(jié)構(gòu)層材料中的傳播速度進行了分析，并對道路結(jié)構(gòu)層材料的各組成成分的介電常數(shù)和組成比例對電磁波波速的影響進

3、行了研究。對常用介質(zhì)介電特性模型在路基土、水泥混凝土、瀝青混凝土等道路結(jié)構(gòu)層材料上的應(yīng)用進行了研究?；谏渚€追蹤法，針對不密實、脫空、空洞以及裂縫等病害進行了正演模擬。采用遺傳算法對道路結(jié)構(gòu)層材料的厚度及介電常數(shù)進行了反演研究。通過現(xiàn)場綜合檢測對病害實測圖像與病害正演模擬圖像進行了對比，并利用反演程序?qū)r青面層厚度進行了分析。取得的主要研究成果和結(jié)論如下:
　　(1)對城市道路結(jié)構(gòu)層材料介電特性進行了試驗研究。研究結(jié)果表明:影響探

4、測混凝土中電磁波波速的關(guān)鍵因素是孔隙水的分布情況，結(jié)合水和自由水對探測混凝土電磁波波速的影響存在顯著不同。探地雷達探測的混凝土中電磁波波速隨含水率的降低而快速增加。瀝青混凝土的介電常數(shù)隨空隙率的增大而減小，并呈現(xiàn)線性相關(guān)。對瀝青混凝土的介電常數(shù)影響最大的是骨料（石子），這主要是由于骨料所占的體積和質(zhì)量在瀝青混合料中最大，骨料的介電性質(zhì)決定了整個瀝青混凝土的主要介電性質(zhì)。土體的粒徑級配對土體的介電常數(shù)有一定的影響，但影響較小。土的介電常數(shù)

5、都隨著土體含水率及土體壓實度的增加而增大。揭示了道路結(jié)構(gòu)層材料的介電特性與含水率、孔隙率、壓實度等工程質(zhì)量評價指標(biāo)之間的關(guān)系。
　　(2)針對水泥混凝土、瀝青混凝土以及路基土等道路結(jié)構(gòu)層材料，對現(xiàn)有的CRIM模型、Brown模型以及Looyenga模型等介電特性模型進行了合理性及適應(yīng)性的驗證研究。對CRIM模型、Brown模型以及Looyenga模型分別進行了改進。計算及試驗結(jié)果表明，采用本文改進介電特性模型得到的介電常數(shù)值與實測

6、介電常數(shù)值之間誤差相較于現(xiàn)有的介電特性模型顯著減小。
　　(3)針對城市道路中常見的疏松、脫空、空洞等隱伏病害以及路面裂縫進行了正演模擬，得到了探地雷達剖面記錄，通過研究雷達波在這些病害介質(zhì)中的傳播規(guī)律，分析了包含病害在內(nèi)的道路雷達反射波信號的特征。探地雷達正演模擬結(jié)果表明:電磁波在不密實病害區(qū)域會產(chǎn)生強反射和一定的衍射，病害區(qū)域內(nèi)波形紊亂，規(guī)律性差，同相軸的相關(guān)性很差。900MHz雷達天線可以識別出近高于1/6波長空氣脫空，即脫

7、空大于5cm。由于水的介電常數(shù)很大，速度低，其波長約是空氣中的1/10，大約為0.3m/ns，因此從1/4波長分辨率來看，可以識別出3cm的充水脫空區(qū)。900MHz天線可以識別出2cm、1cm的路面裂縫寬度，但是需要進行適當(dāng)?shù)脑鲆娈惓Ｌ卣鞑拍軌蛟诶走_剖面上呈現(xiàn)出來。當(dāng)路面裂縫寬度為5cm、4cm、3cm時雷達剖面能夠清晰反映出路面裂縫的異常特征。
　　(4)針對影響探地雷達探測分辨率的因素進行正演模擬，結(jié)果表明:介質(zhì)不規(guī)則、介質(zhì)不

8、同介電參數(shù)、介質(zhì)不均勻以及不同天線頻率等因素，對探地雷達的探測有較大影響。不規(guī)則介質(zhì)隨著病害埋深的增加，以及介質(zhì)區(qū)域范圍的擴大，擾射曲線變寬。介質(zhì)填充介質(zhì)與周圍介質(zhì)的介電差異越大，介質(zhì)特征就越明顯，邊界的繞射信號也越強。不均勻的介質(zhì)，其同相軸的相關(guān)性很差，介質(zhì)區(qū)域內(nèi)波形紊亂，繞射波之間存在較強的干涉現(xiàn)象。天線頻率越高，波長越短，探地雷達的分辨率就越高。
　　(5)采用MATLAB編寫了遺傳算法的道路結(jié)構(gòu)層材料介電常數(shù)及厚度的反演程

9、序，對于線性化處理非線性關(guān)系有重要意義，同時也極大地降低了算法的多變性和不確定性，從而促進了探地雷達的實際運用;通過將反演程序用于道路結(jié)構(gòu)層材料介電常數(shù)及厚度的測試，結(jié)果表明，經(jīng)反演模型推算得出的介電常數(shù)和厚度很大程度上與模型實測值相當(dāng)，較為準(zhǔn)確地展示了道路結(jié)構(gòu)層材料的介電特性，證實了文中的反演算法對于道路結(jié)構(gòu)層材料的探地雷達介電常數(shù)和厚度的反演推算的合理性。
　　(6)通過對某城市道路綜合性檢測的實際應(yīng)用，驗證了本文提出的正演模