摘要：建筑工程或大型基建項(xiàng)目巖土層勘察是基礎(chǔ)保證，鉆探和微測(cè)井地等方法都只能得到部分點(diǎn)的巖土層信息；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是利用不同界面的電性差異,反映整個(gè)空間巖土性質(zhì)變化的特征。針對(duì)某勘察任務(wù)的需要，從地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)、資料處理和巖土層信息解釋說(shuō)明了在巖土層勘察應(yīng)用，顯示地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)能提供整個(gè)工程區(qū)域巖土勘察信息，為工程設(shè)計(jì)、施工提供可靠保障。

　　關(guān)鍵詞: 地質(zhì)雷達(dá)，巖土勘察，電性結(jié)構(gòu)，反射波處理；

　　Abstract: Construction or large infrastructure projects is the basis to ensure rock and soil survey as drilling and micro logging methods can only get part of the rock and soil information. The geological radar detection skill takes use of different electricity in different interface to reflect spatial soil properties variation characteristics. According to a survey mission needs, this paper explans the use of geotechnical investigation from the design of geological radar parameters, data processing and rock and soil information, indicating that geological radar intection can provide geotechnical investigation of the whole project area, thus making reliable guarantee for engineering design and project construction.

　　Key words: Geological radar, Geotechnical investigation, Electrical structure, Reflection wave processing

　　所謂地質(zhì)雷達(dá)，亦稱為探地雷達(dá)，一般是將1Mz~1GHz的高頻電磁波通過(guò)發(fā)射天線進(jìn)行定向發(fā)送，當(dāng)介質(zhì)存在著電性差異時(shí)，會(huì)反射一部分電磁波并由地面接受天線所接收，雷達(dá)主機(jī)會(huì)對(duì)所收到的反射信號(hào)(波形、強(qiáng)度、電性和幾何形態(tài))數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和解釋，從而達(dá)到對(duì)巖土層信息和目標(biāo)體的探測(cè)。該技術(shù)屬于無(wú)損檢測(cè)，具有的高效、連續(xù)、無(wú)損、高精度等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

　　大型基建工程巖土層信息在空間變化較大的區(qū)域，對(duì)其詳細(xì)全面的勘察非常重要，由于受成本和工地條件的限制，通常采用布置部分鉆探和微測(cè)井。而鉆探和微測(cè)井地等方法都只能得到一個(gè)點(diǎn)的巖土層信息，利用間隔較大的多點(diǎn)測(cè)量對(duì)巖土層界面進(jìn)行劃分,不能準(zhǔn)確確定表層的巖土層界面和結(jié)構(gòu),對(duì)巖土層信息的分析存在多解性。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是利用不同界面的電性差異,反映巖土性質(zhì)變化的特征。

　　某客車公司廠房大型基建基礎(chǔ)施工需要勘察淺地表巖土層特性，需對(duì)該廠區(qū)淺層地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，為了了解該廠區(qū)的地質(zhì)層位的詳細(xì)分布和空間變化，設(shè)計(jì)了1500米長(zhǎng)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線。使用RIS探地雷達(dá)40MHz半屏蔽天線對(duì)該測(cè)線進(jìn)行了連續(xù)剖面測(cè)量，為設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

　　1 探測(cè)原理

　　探地雷達(dá)的主要組成部分包括一體化主機(jī)，發(fā)射和接收天線以及相應(yīng)的配套軟件等。其基本工作原理是：電磁波在傳播過(guò)程中，不同的有耗介質(zhì)中所具有的傳播特性存在一定的差異。利用寬頻帶短脈沖，探地雷達(dá)所發(fā)射的高頻電磁波(如40Mhz)在經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反射，一般而言，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)就決定了該反射系數(shù)的大小。這樣，雷達(dá)主機(jī)會(huì)對(duì)反射回來(lái)的電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并解譯相應(yīng)的圖像，從而有效的對(duì)反射層或不易發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)物進(jìn)行有效識(shí)別。另外，雷達(dá)波的反射信號(hào)強(qiáng)度與電性差異是正比例關(guān)系，通常是不同介質(zhì)的電性差異越大，雷達(dá)電磁波反射信號(hào)越強(qiáng)。而雷達(dá)電磁波的穿透深度與介質(zhì)電性和中心頻率成反比例關(guān)系，即導(dǎo)電率和中心頻率越高，電磁波的穿透深度越小，反之亦然。如圖1所示。

　　圖1   探地雷達(dá)工作原理示意圖

　　在一定的介質(zhì)中，電磁波的傳播速度是恒定的，通過(guò)讀取探地雷達(dá)所高妙的記錄地面反射波與地下反射波的時(shí)間差，我們就可以計(jì)算地下反射層的埋藏深度，如式(1)所示。

　　(1)

　　V是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，ΔT是時(shí)間差，H是地下反射層的埋藏深度。

　　電磁波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算方法如式(2)所示：

　　(2)

　　其中，H是所要探測(cè)的目標(biāo)物的厚度；V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，C是電磁波在大氣中的傳播速度，是一個(gè)常數(shù)，一般記為3×108m/s；ε是相對(duì)介電常數(shù)，該常數(shù)隨著地下各層構(gòu)成物質(zhì)的不同，其介電常數(shù)也不同，具體數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)際情況而定，不能一概而論。

　　通常情況下，雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(shù)是正比例關(guān)系，考慮以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，反射系數(shù)r的測(cè)算見(jiàn)式(3)：

　　(3)

　　式中，ε1、ε2為不同介質(zhì)所對(duì)應(yīng)界面的相對(duì)介電常數(shù)。

　　2 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)確定

　　測(cè)量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測(cè)量的效果，根據(jù)勘察任務(wù)的需要，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量開(kāi)始前應(yīng)該對(duì)雷達(dá)的采集參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和設(shè)定，測(cè)量參數(shù)的選擇包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及發(fā)射與接收天線間距，參數(shù)設(shè)置的是否合理影響到記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量，至關(guān)重要。

　　1）天線中心頻率

　　雷達(dá)天線頻率的選擇由勘探目標(biāo)深度和表層介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)決定，一般高頻天線分辨率高，但探測(cè)深度淺，而低頻天線探測(cè)深度大，分辨率低。在滿足分辨率且場(chǎng)地條件又許可時(shí)，盡量使用中心頻率低的天線。因本區(qū)勘探20米以上地層分層和異常，我們選擇40Mhz非屏蔽天線連續(xù)剖面測(cè)量。

　　2）探測(cè)深度與時(shí)窗長(zhǎng)度

　　對(duì)地質(zhì)雷達(dá)勘探而言，如何選取合適的探測(cè)深度是極為重要的，若深度過(guò)小，則會(huì)丟失重要的探測(cè)數(shù)據(jù)，而深度過(guò)大，則會(huì)嚴(yán)重影響并降低勘探的垂向分辨率。在實(shí)際工作中，我們通常以探測(cè)深度設(shè)定為探測(cè)目標(biāo)深度的1.5倍，采樣時(shí)窗長(zhǎng)度（Range/ns）的選取則要綜合考慮探測(cè)深度和介電常數(shù)的實(shí)際情況，見(jiàn)式(4)。例如對(duì)于地層巖性為砂層時(shí)，介電常數(shù)為5，探測(cè)深度為20m時(shí)，時(shí)窗長(zhǎng)度應(yīng)選為300ns。

　　Range= 2H(ε)1/2/0.3= 6.6 H(ε)1/2(4)

　　3)采樣率

　　采樣率由Nyquist 采樣定律控制,即采樣率至少應(yīng)達(dá)到記錄到的反射波最高頻率的2 倍。若天線中心頻率為f (MHz) , 則采樣率Δt (ns) 為1 000/ 6f 。

　　4）采樣點(diǎn)數(shù)

　　對(duì)于SIR型雷達(dá)，可供選用的采樣點(diǎn)數(shù)包括128、256、512、1024、2048，以較高的垂向分辨率為標(biāo)準(zhǔn)，可以在情況許可的情況下盡量選取較大的采樣點(diǎn)，具體來(lái)看，采樣點(diǎn)數(shù)Samples要滿足式(5)的要求，

　　Samples≧10-8*Range*f(5)

　　其中，f為天線頻率、Range為時(shí)窗長(zhǎng)度。滿足該關(guān)系可以保證在使用的頻率下一個(gè)波形有10個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)于40MHZ天線，500ns采樣長(zhǎng)度，采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于500,我們?nèi)?024。

　　3 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

　　由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)，波幅減小，波形發(fā)生變化，電磁波干擾收到隨機(jī)干擾，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，改善資料的信噪比，并使反射信號(hào)歸位。

　　1）應(yīng)用帶通濾波和背景去除技術(shù)，消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，提高有效反射波信噪比；

　　2）采用自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婧途�方根能量增益技術(shù)補(bǔ)償介質(zhì)吸收，以提高深層反射信號(hào)能量；

　　3）通過(guò)剖面上繞射波的時(shí)距曲線擬合，并結(jié)合鉆孔分層資料，反演出該地區(qū)的電磁波傳播速度，并以此速度進(jìn)行反射波時(shí)-深轉(zhuǎn)換，得到深度雷達(dá)反射剖面。

　　4）電磁波在異常區(qū)或起伏界面上產(chǎn)生強(qiáng)繞射波，影響分層解釋和判斷，時(shí)間偏移處理使界面反射信號(hào)歸位，獲得高質(zhì)量的地質(zhì)雷達(dá)圖像。

　　圖1   原始雷達(dá)剖面（上）處理后剖面（下）

　　上圖是經(jīng)過(guò)上述處理步驟得到的地質(zhì)雷達(dá)剖面對(duì)比，通過(guò)剖面上繞射波的時(shí)距曲線擬合，并結(jié)合鉆孔分層資料，得到電磁波傳播速度大約為0.16m/ns，并對(duì)反射波偏移處理，得到反射信號(hào)歸位后的雷達(dá)剖面。

　　4 數(shù)據(jù)解釋與結(jié)論

　　根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過(guò)同相軸的對(duì)比追蹤，并結(jié)合鉆孔資料確定反射波組的地質(zhì)分層含義，構(gòu)筑地質(zhì)地球物理解釋剖面。并依據(jù)剖面的解釋，獲得各條測(cè)線的表層結(jié)構(gòu)地質(zhì)斷面分層解釋最終成果圖。

　　該工程區(qū)的幾個(gè)鉆孔資料顯示淺層分別為填土、粉質(zhì)粘土和細(xì)砂及砂層。把測(cè)線經(jīng)過(guò)的鉆孔和剖面對(duì)比，可以看到鉆孔分層和反射波在深度上基本吻合。從整個(gè)區(qū)域五條剖面上可見(jiàn)有幾組貫穿剖面的反射同相軸，在全區(qū)基本相似。但反射剖面上的各界面反射波形在空間分別上也有一些差異。

　�。�1）因采用的40MHZ雷達(dá)天線，頻率較低，受直達(dá)波影響，來(lái)自淺層2m以內(nèi)填土和粘土界面上的反射不能分辨。

　　（2）粘土和細(xì)沙電性差異較大，地層界面上就存在明顯的反射波特征，該3米左右界面上的反射波同相軸平直而穩(wěn)定。

　�。�3） 大約在7米附近有一個(gè)很強(qiáng)的反射同相軸，在未偏移的剖面上存在繞射波，說(shuō)明該界面起伏，且橫向變化較大。推斷可能為砂層上下潛水面的影響。

　�。�4）在深度17米和22米附件有一個(gè)較弱的反射波同相軸，而且在橫向上連續(xù)性較差，可能是砂巖層內(nèi)沉積物差異而導(dǎo)致電性變化。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　地質(zhì)雷達(dá)是一種非破壞性的原位探測(cè)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄,圖像清晰直觀,工作效率高,重復(fù)性好。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以區(qū)分淺層不同介質(zhì)的界面,指出其精確深度和介質(zhì)性質(zhì),探測(cè)結(jié)果反映的是連續(xù)的地下剖面的圖像。同時(shí)能夠呈現(xiàn)介質(zhì)的橫向變化特征，為基建工程勘察設(shè)計(jì)和施工提供詳細(xì)的巖土層空間變化信息。

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