基于季冻区路基土介电特性量测含水率的应用研究

发布时间：2020-07-31 13:05

【摘要】：随着路基长期服役,其内部的水温变化会导致路基含水率增大,尤其是在季冻区,由于冻融循环作用,路基局部含水率过大导致其强度降低,发生道面沉陷、开裂等病害,因此对路基含水率全面量测十分重要。钻芯取样法破坏道路结构,工作效率低下,单点数据无法全面反映道路横向、纵向的含水率变化。探地雷达具有无损、简便、高效等优势,已在道路工程用于面层厚度、内部缺陷探测,利用其探测路基土含水率的相关研究较少。现有研究多基于土体介电特性,但对路基填筑的各类因素如压实度、温度等考虑较少。利用雷达信号提取介电常数方面,多集中于理论分析和室内试验,缺少现场数据验证。同时,雷达信号分析多从时域角度出发,频域分析较少。针对上述问题,从理论分析、室内实验和现场试验开展了探地雷达量测季冻区路基土含水率的研究。首先,通过室内试验建立了砂土和黏土的“含水率-介电常数关系模型”。在常温和负温条件下分别进行不同含水率及不同压实度的试件成型,测取各工况下的介电常数;接下来,分析不同类型土样试件介电常数的影响因素,拟合获得相应的“含水率-介电常数关系模型”。其次,通过时间域有限差分算法的理论分析,确定了评判介电常数的指标。基于正演软件模拟了电磁波在单层、双层和不均匀介质结构模型中传播,控制模型电磁参数变量,得到不同工况下的雷达时域信号;分析雷达直达波振幅、反射波振幅、双程走时、衰减等与电磁参数变化相关关系,提出双程走时计算介电常数指标。最后,通过室外现场试验,验证时域参数评判介电常数的指标适用性,并提出评判介电常数的频域指标。开展了不同模型尺寸、不同天线中心频率下的室外试验,得到不同工况下的实测数据;利用双程走时反算介电常数,对比介电常数仪量测数据,从时域角度分析不同天线中心频率雷达的探测效果;进一步展开雷达信号频域分析,利用快速傅里叶变换得到雷达频域信号,提出峰值频率和频谱能量百分比两项指标用于含水率的直接评判。上述理论分析、室内实验和现场试验成果,为春融冬冻前夕路基土含水率探地雷达量测及数据处理提供支撑,具有较为重要的理论意义和实践价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U416.1
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文TT RRRT T T T T）收发天线同时移动 b）接收天线固定、发射天线移动图 2-3 探地雷达探测原理用探地雷达实际探测时，不论选用剖面法或是宽角法，最终得到面图像。时间剖面图像分为 A-scan 和 B-scan 两种类型，其中 A数据采集，反映出不同位置处的反射回波，示意图如图 2-4 所示。在 xOy 平面内沿着某一方向移动，进行采集并连续读取的数据达是不间断的传输信号，实际上 B-scan 数据是由多道 A-scan 数数据，示意图如图 2-5 所示。

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