岩土工程检测中探地雷达技术的合理应用

张平

（贵州凯亨工程质量检测有限责任公司，贵州贵阳 550000）

取芯钻探技术是岩土工程中最典型的勘探方法之一。可以确定和描述土壤层，并进行标准化的渗透和波速测试以及岩心内部采样实验。钻探方法有局限性，因为钻探的方法能反映“点”的问题，钻孔的分析和确定在很大程度上是以经验和推测为依据的，还有一些不可预见和不确定的因素。钻探与物探技术的结合，加上各种勘探技术的发展，已证明在创新研究的发展方面具有明显的优势，地质雷达技术发挥作用。它可以克服钻探“盲区”的局限性[1]。

1 探地雷达技术的原理和特点

探地雷达技术又称地质雷达技术。它是利用电磁脉冲波中的高频反射器地质界面（1～1000MHz）探测物体。探地雷达是利用超高频电磁波对地下介质的分布情况进行探测，中央频率为12.5～1200m，脉冲带宽度的电磁波为0.1ns，当信号发生在岩层时会有反射信号。通过接收天线输入接收机获得直接信号和反射信号，然后用一个接收器将其放大。根据反射信号的到达时间和辐射源的平均反应速度可以将目标距离粗略地计算出来，该原理基本上类似于探测雷达，它通过发射机和接收器传送电磁波，但它的传播媒介不是空气而是岩土体。由于存在物体的岩性或电结构存在差异，电磁波的折射的反射波是不同的，是通过信号处理接收装置对其进行处理，并由技术人员对研究的结果作出解释，得出与地下构造不同的岩层组成结论。电磁波反射系数和介质穿透期间的衰减因素与电流常量有关，如空气、水、土壤、灰烬和花岗岩的相对电流常数，分别为1-81、2-15、7-8、5-7，电导性（MS/M）为0.1-30、0.14-50、10-6-25。探地雷达技术有四个特点：①适应性强，使用无损探测技术，探地雷达可安全地用于城市工程或工作条件宽松的施工地；②具有较强的抗干扰能力，能够在城市的所有噪音环境中工作；③快速定位和正确率较高，可直接提供图像清晰的实时剖面图；④探测方式灵活，可以控制数据收集、记录、储存。

2 岩土工程检测中的问题

2.1 土体参数问题

主要是对于那些比较困难取到的原装的岩土样和岩土层即残积土结构中能够承受的压力大小是非常重要的，因为在某种程度上它能承受压力的大小与整个结构的安全度有很大的关系。在施工现场地质大多都比较复杂，以至于对土压力的计算还比较困难，在土压力的参数选择上存在这很大的问题由于地质的复杂在参数的选择上也比较复杂。在开挖后对于含水率、内摩擦角率以及粘聚力这几个参数的计算都是不固定值，是在进行变化的。所以，很难通过目前的计算方法计算土压力。

2.2 土体取样的问题

对于土体取样的问题，相关施工技术人员要对基地的土层进行取样分析，获得比较有价值的土样指标。一般来说，为了降低成本，减少施工量，会减少对土层的钻孔量从而导致所提取的图样不够完整，存在随机性，因为钻孔的位置不同取样的土层也具有差别。由于地质结构具有复杂性，导致取得的土样无法反映土层的真实性。

3 探地雷达的参数选择

当探地雷达正常工作时，选择参数对勘探工作的成功至关重要。探测的深度、雷达的分辨率、天线的中心频率和天线的距离是雷达探测的主要参数。探地雷达探测的深度可以对电磁场电波的能量进行探测，它们与电磁波的频率有关。由于电流常数和电导性有关，如果电磁波的频率越高，常数和电导率就会更高，如果雷达波减少到一定程度，探测就会深度降低。在喀斯特地貌中，可以使用100MHz 探测12m 深，而400MHz 只能探测6m 深。例如，相对电流的水量较大，导致电波大幅下降。因此，水层之间的实际距离和土壤湿度相对较低，雷达的分辨率有水平分辨率和垂直分辨率，它们与雷达的波长和厚度有一定的关联。增加波长，可以降低探测深度从而提高分辨率。在进行土层实验时如果选择的深度较低就要要选择较高的频率，将有利于探索最深的深度和从而获得更多更有利的信息。这些都可以通过实验选择或经验选择[2]。若没有数据，选择的接收和发射天线深度大于20%，或从物体的两倍角度出发。

4 探地雷达技术的相关应用

4.1 探地雷达技术的应用

目前，探地雷达广泛用于地质学研究中，以探测地下洞穴、构造断裂区的地质学形态。例如，在用于研究住宅建筑的RIS-K2地面对接雷达项目的框架内，选择100MHz，用Greswin2 软件处理数据。雷达反射剖面图的解释表明，在4～8m 的强度范围内，存在2.5m 长、1.5m 宽的喀斯特洞穴，对频谱特性的分析表明：卡尔斯特的洞穴充满饱和的流体粘土和充水溶洞。钻孔后已经证明，建筑方通过注浆加固成功地消除风险。又比如，一个体育场位于页岩和灰岩接触点，地质条件恶劣，为确定木桩基地7M 区岩石溶性的开发情况，施工队使用SIR-3000 探地雷达、100MHz 和270MHz 的综合发射接收天线，并确定0.10m 的测量方法，在大约14M 的木桩位置之一检测到异常反射波，可溶性强，经现场挖掘证实，有一个直径约为0.45m 的填充泥坑。

随着对探地雷达技术的研究的发展，我国拥有一些探测雷达，可以说几乎覆盖了我国所有部门，包括国家研究所、高等学校、铁路等。工程技术员在各自的工作区进行新的系统研究，根据研究的程度，这些研究将进一步深入对探地雷达技术应用区的探索，从而使我们的探测雷达应用成为世界上最先进的应用[3]。探地雷达主要覆盖以下区域：首先，建筑工程区的质量测试是使用探地雷达最有效的测试，最重要的要求是工程质量、数据的准确性和有效性。然而，许多目标是相对隐蔽的，因此，对标准方法没有给予足够的注意，使用探地雷达可以解决这一问题。存在技术缺陷的地方与常规环境大不相同，探地雷达可以用来探测建筑中隐藏的质量缺陷。其次，城市基础建设中包括许多金属管和非金属管、地下洞，以及探测道路上的泥石流。就城市中存在的干扰源这一点，许多勘探方法无法做到这一点。然而，探地雷达在这方面，有高速度运行和精确度探测特性，应用研究的结果是多方面的，在基础地基和木桩工程测试方面取得很大进展，目前使用的探测雷达可以巩固基层方面取得具体成果。

4.2 探地雷达技术与钻探技术相结合

探地雷达技术具有较的高分辨率、无损探测、效率高和耐受性方面具有显著优势。举个例子5000MHz 的雷达波下，分辨率可能有好几厘米的误差，在探测过程中不会对地下结构造成损害。测试所需的人员和时间大大低于钻探作业所需的时间，并且能够在各种环境中进行工作。然而，地下环境中高频率电磁波的高度退化特性限制其探测深度。目前，低频可用于探测石灰岩区80m 深的喀斯特洞。虽然中频可用于探测20～50m 之间的情况，但地探地雷达技术的地质界面在地表下的电磁特性方面是适当的，它在深层地质学方面的表现必须与传统的钻探技术结合起来。由于地质结构复杂，岩石表面非常不稳定，如喀斯特洞穴、地下洞穴、破碎地区等需要将钻探和探地雷达技术相结合，可最大限度地发挥其优势，在这种情况下，有必要将钻探技术与钻探雷达技术结合起来，以便展示地质特征。

例如一个工厂的地址为下伏二叠系石灰岩和上覆第四纪冲积层，属于山谷侵蚀的范围，而且相对平坦。研究的设计阶段钻探工作已经完成，并根据研究结果绘制钻探层剖面图。然而，在施工过程中，研究报告显示挖掘和地质条件是不同的，主要问题是在勘探钻孔之间发现的喀斯特岩溶异常。将探地雷达技术重新用于设施的勘探。探地雷达在除尘器所在区域检查孔之间发现了未探测到的高溶性区域或未填洞，现场的挖掘证实了雷达的结论。在大约60m 外的烟囱地点，探地雷达也在这些钻孔之间发现若干喀斯特洞穴。还通过钻探溶解的方法进行核查。实例表明，钻探技术在复杂的地下结构中有明显的局限性。与探地雷达技术相结合，以实际钻探资料为基础，探地雷达可以对该地点地质条件进行更全面和客观分析[4]。

5 结语

综上所述，探地雷达技术在工程中得到广泛应用。探地雷达作为一种新的勘探方法，它拥有其高分辨率和传统的地质钻探相比，有实时图像、灵活性较强的特点，可以用较少的钻孔对复杂地质结构进行探测，提高调查的准确性从而降低成本。可以弥补钻探技术的局限性和不足，将两种技术进行结合，解决传统勘探技术难以解决的问题，对复杂的地质条件提供有利的地质信息。