巖土工程檢測中探地雷達(dá)技術(shù)的合理應(yīng)用

張平

（貴州凱亨工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550000）

取芯鉆探技術(shù)是巖土工程中最典型的勘探方法之一?？梢源_定和描述土壤層，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的滲透和波速測試以及巖心內(nèi)部采樣實(shí)驗(yàn)。鉆探方法有局限性，因?yàn)殂@探的方法能反映“點(diǎn)”的問題，鉆孔的分析和確定在很大程度上是以經(jīng)驗(yàn)和推測為依據(jù)的，還有一些不可預(yù)見和不確定的因素。鉆探與物探技術(shù)的結(jié)合，加上各種勘探技術(shù)的發(fā)展，已證明在創(chuàng)新研究的發(fā)展方面具有明顯的優(yōu)勢，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)揮作用。它可以克服鉆探“盲區(qū)”的局限性[1]。

1 探地雷達(dá)技術(shù)的原理和特點(diǎn)

探地雷達(dá)技術(shù)又稱地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)。它是利用電磁脈沖波中的高頻反射器地質(zhì)界面（1～1000MHz）探測物體。探地雷達(dá)是利用超高頻電磁波對地下介質(zhì)的分布情況進(jìn)行探測，中央頻率為12.5～1200m，脈沖帶寬度的電磁波為0.1ns，當(dāng)信號發(fā)生在巖層時會有反射信號。通過接收天線輸入接收機(jī)獲得直接信號和反射信號，然后用一個接收器將其放大。根據(jù)反射信號的到達(dá)時間和輻射源的平均反應(yīng)速度可以將目標(biāo)距離粗略地計(jì)算出來，該原理基本上類似于探測雷達(dá)，它通過發(fā)射機(jī)和接收器傳送電磁波，但它的傳播媒介不是空氣而是巖土體。由于存在物體的巖性或電結(jié)構(gòu)存在差異，電磁波的折射的反射波是不同的，是通過信號處理接收裝置對其進(jìn)行處理，并由技術(shù)人員對研究的結(jié)果作出解釋，得出與地下構(gòu)造不同的巖層組成結(jié)論。電磁波反射系數(shù)和介質(zhì)穿透期間的衰減因素與電流常量有關(guān)，如空氣、水、土壤、灰燼和花崗巖的相對電流常數(shù)，分別為1-81、2-15、7-8、5-7，電導(dǎo)性（MS/M）為0.1-30、0.14-50、10-6-25。探地雷達(dá)技術(shù)有四個特點(diǎn)：①適應(yīng)性強(qiáng)，使用無損探測技術(shù)，探地雷達(dá)可安全地用于城市工程或工作條件寬松的施工地；②具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在城市的所有噪音環(huán)境中工作；③快速定位和正確率較高，可直接提供圖像清晰的實(shí)時剖面圖；④探測方式靈活，可以控制數(shù)據(jù)收集、記錄、儲存。

2 巖土工程檢測中的問題

2.1 土體參數(shù)問題

主要是對于那些比較困難取到的原裝的巖土樣和巖土層即殘積土結(jié)構(gòu)中能夠承受的壓力大小是非常重要的，因?yàn)樵谀撤N程度上它能承受壓力的大小與整個結(jié)構(gòu)的安全度有很大的關(guān)系。在施工現(xiàn)場地質(zhì)大多都比較復(fù)雜，以至于對土壓力的計(jì)算還比較困難，在土壓力的參數(shù)選擇上存在這很大的問題由于地質(zhì)的復(fù)雜在參數(shù)的選擇上也比較復(fù)雜。在開挖后對于含水率、內(nèi)摩擦角率以及粘聚力這幾個參數(shù)的計(jì)算都是不固定值，是在進(jìn)行變化的。所以，很難通過目前的計(jì)算方法計(jì)算土壓力。

2.2 土體取樣的問題

對于土體取樣的問題，相關(guān)施工技術(shù)人員要對基地的土層進(jìn)行取樣分析，獲得比較有價值的土樣指標(biāo)。一般來說，為了降低成本，減少施工量，會減少對土層的鉆孔量從而導(dǎo)致所提取的圖樣不夠完整，存在隨機(jī)性，因?yàn)殂@孔的位置不同取樣的土層也具有差別。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，導(dǎo)致取得的土樣無法反映土層的真實(shí)性。

3 探地雷達(dá)的參數(shù)選擇

當(dāng)探地雷達(dá)正常工作時，選擇參數(shù)對勘探工作的成功至關(guān)重要。探測的深度、雷達(dá)的分辨率、天線的中心頻率和天線的距離是雷達(dá)探測的主要參數(shù)。探地雷達(dá)探測的深度可以對電磁場電波的能量進(jìn)行探測，它們與電磁波的頻率有關(guān)。由于電流常數(shù)和電導(dǎo)性有關(guān)，如果電磁波的頻率越高，常數(shù)和電導(dǎo)率就會更高，如果雷達(dá)波減少到一定程度，探測就會深度降低。在喀斯特地貌中，可以使用100MHz 探測12m 深，而400MHz 只能探測6m 深。例如，相對電流的水量較大，導(dǎo)致電波大幅下降。因此，水層之間的實(shí)際距離和土壤濕度相對較低，雷達(dá)的分辨率有水平分辨率和垂直分辨率，它們與雷達(dá)的波長和厚度有一定的關(guān)聯(lián)。增加波長，可以降低探測深度從而提高分辨率。在進(jìn)行土層實(shí)驗(yàn)時如果選擇的深度較低就要要選擇較高的頻率，將有利于探索最深的深度和從而獲得更多更有利的信息。這些都可以通過實(shí)驗(yàn)選擇或經(jīng)驗(yàn)選擇[2]。若沒有數(shù)據(jù)，選擇的接收和發(fā)射天線深度大于20%，或從物體的兩倍角度出發(fā)。

4 探地雷達(dá)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用

4.1 探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

目前，探地雷達(dá)廣泛用于地質(zhì)學(xué)研究中，以探測地下洞穴、構(gòu)造斷裂區(qū)的地質(zhì)學(xué)形態(tài)。例如，在用于研究住宅建筑的RIS-K2地面對接雷達(dá)項(xiàng)目的框架內(nèi)，選擇100MHz，用Greswin2 軟件處理數(shù)據(jù)。雷達(dá)反射剖面圖的解釋表明，在4～8m 的強(qiáng)度范圍內(nèi)，存在2.5m 長、1.5m 寬的喀斯特洞穴，對頻譜特性的分析表明：卡爾斯特的洞穴充滿飽和的流體粘土和充水溶洞。鉆孔后已經(jīng)證明，建筑方通過注漿加固成功地消除風(fēng)險。又比如，一個體育場位于頁巖和灰?guī)r接觸點(diǎn)，地質(zhì)條件惡劣，為確定木樁基地7M 區(qū)巖石溶性的開發(fā)情況，施工隊(duì)使用SIR-3000 探地雷達(dá)、100MHz 和270MHz 的綜合發(fā)射接收天線，并確定0.10m 的測量方法，在大約14M 的木樁位置之一檢測到異常反射波，可溶性強(qiáng)，經(jīng)現(xiàn)場挖掘證實(shí)，有一個直徑約為0.45m 的填充泥坑。

隨著對探地雷達(dá)技術(shù)的研究的發(fā)展，我國擁有一些探測雷達(dá)，可以說幾乎覆蓋了我國所有部門，包括國家研究所、高等學(xué)校、鐵路等。工程技術(shù)員在各自的工作區(qū)進(jìn)行新的系統(tǒng)研究，根據(jù)研究的程度，這些研究將進(jìn)一步深入對探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用區(qū)的探索，從而使我們的探測雷達(dá)應(yīng)用成為世界上最先進(jìn)的應(yīng)用[3]。探地雷達(dá)主要覆蓋以下區(qū)域：首先，建筑工程區(qū)的質(zhì)量測試是使用探地雷達(dá)最有效的測試，最重要的要求是工程質(zhì)量、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。然而，許多目標(biāo)是相對隱蔽的，因此，對標(biāo)準(zhǔn)方法沒有給予足夠的注意，使用探地雷達(dá)可以解決這一問題。存在技術(shù)缺陷的地方與常規(guī)環(huán)境大不相同，探地雷達(dá)可以用來探測建筑中隱藏的質(zhì)量缺陷。其次，城市基礎(chǔ)建設(shè)中包括許多金屬管和非金屬管、地下洞，以及探測道路上的泥石流。就城市中存在的干擾源這一點(diǎn)，許多勘探方法無法做到這一點(diǎn)。然而，探地雷達(dá)在這方面，有高速度運(yùn)行和精確度探測特性，應(yīng)用研究的結(jié)果是多方面的，在基礎(chǔ)地基和木樁工程測試方面取得很大進(jìn)展，目前使用的探測雷達(dá)可以鞏固基層方面取得具體成果。

4.2 探地雷達(dá)技術(shù)與鉆探技術(shù)相結(jié)合

探地雷達(dá)技術(shù)具有較的高分辨率、無損探測、效率高和耐受性方面具有顯著優(yōu)勢。舉個例子5000MHz 的雷達(dá)波下，分辨率可能有好幾厘米的誤差，在探測過程中不會對地下結(jié)構(gòu)造成損害。測試所需的人員和時間大大低于鉆探作業(yè)所需的時間，并且能夠在各種環(huán)境中進(jìn)行工作。然而，地下環(huán)境中高頻率電磁波的高度退化特性限制其探測深度。目前，低頻可用于探測石灰?guī)r區(qū)80m 深的喀斯特洞。雖然中頻可用于探測20～50m 之間的情況，但地探地雷達(dá)技術(shù)的地質(zhì)界面在地表下的電磁特性方面是適當(dāng)?shù)?，它在深層地質(zhì)學(xué)方面的表現(xiàn)必須與傳統(tǒng)的鉆探技術(shù)結(jié)合起來。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖石表面非常不穩(wěn)定，如喀斯特洞穴、地下洞穴、破碎地區(qū)等需要將鉆探和探地雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，可最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，在這種情況下，有必要將鉆探技術(shù)與鉆探雷達(dá)技術(shù)結(jié)合起來，以便展示地質(zhì)特征。

例如一個工廠的地址為下伏二疊系石灰?guī)r和上覆第四紀(jì)沖積層，屬于山谷侵蝕的范圍，而且相對平坦。研究的設(shè)計(jì)階段鉆探工作已經(jīng)完成，并根據(jù)研究結(jié)果繪制鉆探層剖面圖。然而，在施工過程中，研究報(bào)告顯示挖掘和地質(zhì)條件是不同的，主要問題是在勘探鉆孔之間發(fā)現(xiàn)的喀斯特巖溶異常。將探地雷達(dá)技術(shù)重新用于設(shè)施的勘探。探地雷達(dá)在除塵器所在區(qū)域檢查孔之間發(fā)現(xiàn)了未探測到的高溶性區(qū)域或未填洞，現(xiàn)場的挖掘證實(shí)了雷達(dá)的結(jié)論。在大約60m 外的煙囪地點(diǎn)，探地雷達(dá)也在這些鉆孔之間發(fā)現(xiàn)若干喀斯特洞穴。還通過鉆探溶解的方法進(jìn)行核查。實(shí)例表明，鉆探技術(shù)在復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)中有明顯的局限性。與探地雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)際鉆探資料為基礎(chǔ)，探地雷達(dá)可以對該地點(diǎn)地質(zhì)條件進(jìn)行更全面和客觀分析[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，探地雷達(dá)技術(shù)在工程中得到廣泛應(yīng)用。探地雷達(dá)作為一種新的勘探方法，它擁有其高分辨率和傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探相比，有實(shí)時圖像、靈活性較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以用較少的鉆孔對復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，提高調(diào)查的準(zhǔn)確性從而降低成本?？梢詮浹a(bǔ)鉆探技術(shù)的局限性和不足，將兩種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，解決傳統(tǒng)勘探技術(shù)難以解決的問題，對復(fù)雜的地質(zhì)條件提供有利的地質(zhì)信息。