粗粒弱硫酸盐渍土路基的地质雷达波形与频谱特征

为了准确获取盐渍土路基的波形与频谱特征,以新疆若羌县-尉犁县省道拓宽工程为依托,采用LTD-2100型地质雷达对粗粒弱硫酸盐渍土路基开展现场探测,以获取不同含水率(ω)水平下的原始实测文件;利用IDSP分析程序对实测文件进行处理并得到波形与频谱的初始特征;为了对初始特征进行验证,利用现场填料在室内制作了1 m×0.8 m×0.8 m的矩形模型箱,通过人工调配模型填料的含水率ω和室温,并对模型进行探测得到波形与频谱的模型特征;对初始特征与模型特征进行比较,结果表明:在正温条件下,ω的提高会增强电磁反射;当8%ω27%时,反射振幅达到最大,最大归一化振幅接近于1.0,频谱能量分散,主频不突出但小于200 MHz;当ω32%时,电磁损耗显著加剧,线测图表现为典型的"雪花状"特征,点测图表现为典型的"类直线状"特征,频谱能量集中且主频分布范围为20～65 MHz,低频特征明显。研究内容能为粗粒弱硫酸盐渍土路基的地质雷达探测及其解译判读提供相关参考。     

岩溶区不同含水率破碎围岩地质雷达波形特征研究

为研究岩溶区裂隙块状结构破碎灰岩在不同含水率时的地质雷达波形特征,以广西六寨至宜州高速公路40座公路隧道为依托,进行大量现场实测.对裂隙块状结构破碎灰岩的实测数据进行筛选,并基于被选数据,采用SIR-3000地质雷达RADAN后处理软件分析不同含水率情况下的线测、点测反射强弱定性特征,同时采用对MATLAB分析软件进行数据接口语言汇编的方法,研究不同含水率情况下回波中心频率值及其分布范围,结果表明:当含水率分别小于26％、介于26％ ～42％和大于42％时,线测、点测反射强弱变化较大,回波中心频率以低频为主,分别在85,80 MHz和53 MHz附近波动,且分布范围依次减小,分别为21～105 MHz,12.5 ～ 102 MHz和11 ～ 77 MHz.     

地质雷达在岩溶陷落柱探测中的应用研究

以某隧道洞底陷落柱为例,通过地质雷达对目标体的探测,分析岩溶陷落柱的雷达波组异常特征,准确地探测出陷落柱的位置、规模和埋深;同时,选取典型的雷达波进行频谱分析,探讨岩溶陷落柱和围岩的雷达波频谱特征。岩溶陷落柱雷达波频谱呈现低频大振幅反射,其主频单一且突出;围岩雷达波呈现弱振幅多峰频谱,主频不突出。岩溶陷落柱和围岩雷达波频谱特征存在的显著差异,可作为识别岩溶陷落柱的重要依据之一。实践结果表明,地质雷达在探测岩溶陷落柱中具有有效性和实用性。     

地质雷达在黄土隧道地质预报中的应用

地质雷达技术在公路隧道工程中得到了广泛的应用。作为一种高效,先进的物探方法,探地雷达能够对隧道围岩进行快速扫描,获得形象的探测图形,加上其具有探测精度高,测线范围易调整,工作效率高等优势,成为公路隧道地质超前预报的最主要方法之一。然而公路隧道中的黄土隧道,由于黄土的特殊工程性质,如其孔隙比大,无明显层理,不均匀致密或均匀疏松特性,使得利用电磁波反射原理的方法会出现预报距离短,反射特征弱构造难以识别等问题。本文以陕西黄陵至延安高速公路扩能工程中黄土隧道地质超前预报工作中采集的地质雷达数据为基础,通过预报与实际开挖的比对,总结经验优化了黄土隧道地质雷达预报中的相关参数和分析了影响因素,并利用希尔伯特变换的技术方法对前方地质异常情况及岩性变化进行识别,以及提出基于黄土隧道的频谱特征的辅助分析方法。     

公路隧道岩溶构造地质雷达正演与探测实例波形特征对比研究

公路隧道岩溶构造地质预报是地质雷达超前地质预报的重难点,而对岩溶构造的地质雷达反射波形特征识别是预报准确的重中之重。为了准确识别反射波形特征,通过对隧道围岩溶腔中不同填充介质的岩溶构造建立雷达正演模型,模拟研究雷达反射波波形特征。本次模型构建填充情况主要分为空溶腔(空气),充水的溶腔,充泥、砂的溶腔,混合填充的溶腔4类,对应得到其正演反射波形特征为2大类。将模拟结果与探测实例波形特征对比研究,其反射波波形特征作为地质雷达探测预报岩溶构造时可参考的波性特征,定性判别岩溶构造中不同的填充介质情况,以进一步提高预报结果的准确性。     

地质雷达快速检测城市道路路基病害应用研究

路基病害定期检测是保证城市道路运行安全的重要措施,而地质雷达是路基病害快速检测的有效手段之一。文中对地质雷达的原理做了简单分析,建立了道路路基病害与雷达图谱的对应关系,并根据某市区主干路3个区段现场情况进行了地质雷达合理选型、参数设置和实地检测。检测结果表明,主干路第1区段存在3处可疑缺陷,雷达图谱反射信号能量有小幅变化,同相轴较不连续,波形结构较为杂乱、不规则,均判定为道路路基轻微疏松;主干路第2区段存在3处可疑缺陷,雷达图谱反射信号能量变化较大,同相轴较不连续,波形较为杂乱、不规则,均判定为道路路基中度疏松;主干路第3区段存在3处可疑缺陷,雷达图谱特征与第1区段相同,均判定为道路路基轻微疏松。检测结果为城市道路应急处置和预养方案制定提供了有力指导。     

岩溶区富水破碎带探地雷达频谱特征研究

受到地质条件、施工条件以及施工控制等因素的影响,隧道在岩溶地区施工建设过程中会存在一定的风险。超前地质预报能够为隧道安全提供重要保证,当前研究成果主要为岩溶区富水破碎带反射波形的定性特征分析,缺乏振幅及频率大小分布的定量性特征研究。基于此,以广西六河高速公路瑶寨隧道为工程依托,基于电磁波传播特性,结合探地雷达探测原理,开展了大量的现场探测。从振幅与频率的最值及振幅一定取值范围的比例特征出发,对实测数据进行了系统的统计分析,直观、详细地描述并定量揭示了岩溶区富水破碎带的探地雷达频谱特征,为探地雷达判读提供了新的参考方法。现场探测数据分析结果表明:雷达反射振幅的最小值和最大值基本在0. 25和0. 96左右波动,振幅最大值逼近于满幅值1. 0,表现出极其显著的强反射;反射频率的最大值不超过110 MHz,最大反射频率平均值为105 MHz;反射振幅的最大值达到0. 8的扫描点比例高达约95%,而其最小值达到0. 4却较难,体现了反射振幅的强烈性。将研究结果应用于实际工程的判读,通过对比验证,判读结论与隧道的实际开挖结果吻合较好,说明研究结果能有效地为雷达判读提供指导,为保证隧道的施工与建设安全提供了重要支撑。     

山岭隧道爆破振动信号小波包及能量分析

采用MATLAB傅里叶变化和小波包变换对实测爆破振动信号进行时频分析,画出对应的变换频谱图、小波重构波形图,通过对比爆破信号的重构波形图结果,分析2种不同方法的优缺点,探讨爆破振动信号的多主频带和能量分布特征以及小波包分析法的优势,找出相关优势频率段。研究表明,小波包分析能更好地体现爆破振动信号的多主频分布特征,其能量分布较为集中,优势频带包含了振动信号70%以上的能量。     

雷达探测桥头搭板脱空方法研究

高速公路桥头搭板脱空痛害影响汽车行驶安全,利用地质雷达探测数据,如何提取此类病害信息,是探测研究的关键.采用常规的反射能量的观点来解释脱空病害存在一定难度,而ARMA谱对弱小信号的频谱变化具有较高敏感性,根据雷达波信号穿过脱空区域产生的谱变化和具有时间局部性特征,提出ARMA谱密度期望值的观点和相应的短时窗滚动谱算法,通过对脱空区模型进行数字模拟计算,给出了短时窗口关键参数的选取和脱空区谱密度期望值的响应特征.利用雷达波短时窗谱密度期望值响应参数的变化在许禹高速公路桥梁搭板脱空探测中得到了应用,验证了技术方法的可行性.     

炭质千枚岩隧道围岩松动圈现场测试

研究松动圈的方法可以分为现场探测方法和理论方法。二者相比,现场实测数据更加能反映出围岩松动圈实际情况。为研究炭质千枚岩隧道松动圈范围,考虑到隧道所处的变质软岩环境,在参考以往松动圈相关研究的基础上,采用多点位移计和地质雷达对依托工程的围岩松动圈进行了现场测试。多点位移计位移量随时间变化大说明该测点以内的岩体呈现破裂状态,反之岩体所受扰动较小,因此可找到松动围岩与完整围岩的分界区间。地质雷达发射的电磁波经过松动围岩与完整围岩的分界面时必然发生强烈反射,因此从收集处理的雷达探测剖面图上即可确定围岩松动范围。同时,采用数值模拟的手段对现场测试结果进行了验证,探明了不同施工条件下炭质千枚岩隧道围岩松动圈的分布特征。现场测试结果显示:施工方法对炭质千枚岩隧道围岩松动圈范围影响显著;采用"上下台阶法"施工时,多点位移计法测得围岩松动圈范围在6~8 m左右,地质雷达法测得范围在4.0~6.5 m左右;采用"上下台阶预留核心土法"施工时,多点位移计法测得围岩松动圈范围在4~6 m左右,地质雷达法测得范围在2.5~5.0 m左右。对于炭质千枚岩隧道,其锚杆支护长度应不小于8 m。研究结果可为汶马高速鹧鸪山隧道及其他类似隧道支护参数的设计、施工方法的选择提供一定参考。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验；采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征；利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式；据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律；含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征；围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。     

隧道施工不良地质探地雷达超前探测全波形反演研究

为了解掌子面前方不良地质体赋存状况,保障工程施工安全,提出基于全波形反演的探地雷达隧道超前探测数据解译方法。首先,考虑隧道典型不良地质类型,建立溶洞、岩体裂隙和岩体破碎带等数值模型,进行正演模拟分析,总结典型不良地质体的地质雷达正演响应特征。其次,基于全波形反演方法对正演模拟数据进行处理,得到最优的相对介电常数分布,分析反演结果,并总结其相较于正演剖面图解译的优势。研究结果表明,全波形反演可以得到探测区域相对介电常数的较准确分布,得到的不良地质体形态与真实情况较为一致,成像效果明显优于原始雷达剖面图,提高了对不良地质体进行判断的直观性和准确性。     

隧道施工期超前预报地质雷达异常干扰识别及处理

受隧道施工复杂环境的影响,地质雷达在超前地质预报中经常遇到各种干扰信号,会对不良地质体探测和预报的准确性造成影响。采用现场实测的方法对隧道地质雷达探测过程中掌子面附近台车等金属物体、探测表面凹凸不平、电缆与输电线路、测线表面金属或非金属干扰物、探测区积水积泥以及底板测线附近金属物体等常见干扰因素进行分析,研究其在雷达处理图像上的表现特征与识别方法,并从相对介电常数取值、直达波拾取、天线移动、测线里程标记、增益调节和数据处理等方面讨论减少或消除干扰因素的措施。研究成果有利于提高地质雷达在隧道超前预报中的准确性,并对类似工程具有一定的参考和借鉴意义。     

黄土隧道结构的振动台模型试验研究

为了研究黄土隧道结构在不同地震波及降雨条件下的地震响应和橡胶减震层的减震效果，按相似理论分别设计制作了缩尺比为1∶40的减震黄土隧道及非减震黄土隧道，在总降雨量50 mm，降雨强度10 mm·h^-1的条件下，分别加载近、远场地震波El-Centro波和Taft波，对比了地震波不同加速度条件下黄土隧道各测点的地震响应情况及土压力变化情况，通过减震模型和非减震模型各测点的应变变化情况分析了黄土隧道的减震效率。结果表明：在调幅和持时一致的情况下，黄土隧道结构对于不同的地震动具有明显的选择性，El-Centro地震动条件下的动力响应大于Taft地震动条件下的动力响应，说明黄土隧道结构的动力响应不仅取决于地震动的强度及持时，也与地震波的频谱特性有关，黄土隧道结构对近场地震波的响应大于远场地震波；对模型横向加载，模型各点的横向加速度和竖向加速度均有变化，横向的加速度响应大于竖向的加速度响应；拱顶位置的土压力较大，拱脚位置虽然土压力较小，但应变变化较大，应力集中现象明显；通过设置减震层可使衬砌不同部位的应变值均有所减小，且应变越大的部位减震率越高，不同工况下拱顶及拱脚的应变减震率接近50%，设置减震层不但可以减小衬砌结构的变形，而且能吸收地震能量，发挥围岩结构和衬砌结构的协同作用，减小土体的裂缝宽度及深度。     

边坡岩石块体动力响应及锚固抗震效应研究

为研究路堑岩质边坡的抗震设防问题,在对汶川地震震区公路沿线岩质边坡进行震害调查的基础上,以川藏公路沿线某处典型岩坡为例,结合块体理论分析和动力数值计算,对边坡岩石块体的地震动反应特性及块体锚固效应进行研究。结果表明:节理会造成加速度的显著放大,未锚固的楔形块体加速度放大系数比完好岩体大3倍;锚固后,加速度放大系数比锚固前减小了30%。频谱分析表明,节理面降低了岩体的整体性,提高了地震动放大的幅值,扩大了加速度放大的频率范围,并使自振频率接近地震波的主频,从而增强了块体的地震动反应强度;锚固使节理岩体的自振频率远离地震波的主频,降低了节理面附近岩体响应加速度的幅值,从而提高了岩体的抗震能力。     

跨断层带隧道结构力学与地震动响应特性研究

通过分析现场实测应力数据,首先对雅康高速跨断层破碎带的紫石隧道进行了支护结构的力学特性研究,然后进一步通过三维数值仿真分析,对紫石隧道进行了地震动力响应研究。研究内容包括地层位移响应、衬砌结构与围岩的加速度响应及二衬结构的内力分布特征等。研究结果表明:穿越断层破碎带隧道二衬需要分担50%～60%围岩压力;内力最大的截面为拱顶和拱脚处;隧道衬砌内力前30d快速增长,30d后增速降低,90～100d后趋于稳定,二衬弯矩在截面上呈"云状"分布;地震作用下,隧道断层破碎带段围岩位移和加速度的动力响应均比普通围岩更为明显;断层破碎带与普通围岩接触面存在较大的位移错动量,且该处加速度响应不同步,容易引起错动破坏;隧道各段衬砌横断面上的内力分布特征基本相同,但断层破碎带段有更大的内力极值,内力极值位于断面共轭45°方向;隧道抗震设防既应考虑断层破碎带段,也应考虑其与普通围岩的过渡段等。     

赛果公路隧道监控量测及围岩稳定性研究

赛果高速公路工程的赛里木湖和将军沟隧道是新疆地区的长大高速公路隧道,具有地质环境条件复杂、岩层节理裂隙发育、风化严重、含水丰富且隧道的大部分位于赛里木湖湖面以下、围岩变形大和自稳时间短等特点。通过严格采用新奥法施工,根据开挖面地质素描、周边收敛、拱顶下沉、锚杆轴向力、地表下沉、喷层应力、格栅拱架内外力、围岩体内变形、二衬应力和外力等监控量测内容,以及地质雷达超前地质预报,及时进行设计变更并调整初期支护参数和施工工艺,确保了各条隧道的安全和经济施工。针对砂砾岩土和呈流塑状的炭质泥岩,给出了在初期支护条件下围岩的变形特征以及稳定性状态和临界准则。其监控量测结果对相类似隧道的设计与施工具有参考价值。     

黄土塬区浅埋大断面隧道施工变形分析与控制技术

针对黄土塬区浅埋大断面隧道开挖过程中，地表水沿着裂隙、黄土节理下渗导致地表沉陷、纵横向地表裂缝及初期支护结构破坏等问题，基于三维地质仿真模型方法，进行初期支护受力特征和变形规律分析，并模拟分析地层改良效果。结果表明： 1）隧道拱部为支护结构受力最薄弱区，表现为拱顶衬砌下表面拉应力和剪应力值大，当埋深为10～15 m时下台阶至仰拱开挖阶段随含水率增加拱顶沉降变形量剧增，且累计沉降量＞250 mm时隧道结构最不安全，易产生环向张拉裂缝； 2）地表注浆能有效改善黄土的结构性能，有效控制地表沉降和围岩变形。     

基于空气耦合式探地雷达探测的衬砌层位特征识别的正演模拟

采用探地雷达进行隧道衬砌检测时,需要准确提取衬砌的层位特征（含相应病害信息）。采用空气耦合式探地雷达对隧道衬砌质量进行检测,基于GprMax2D和Matlab为平台环境,对衬砌层位特征识别进行研究。主要研究及结论如下： 1）对多种实际工况的衬砌形式进行二维正演模拟分析,并对电磁波在多层介质中反射特征进行研究。研究表明,探地雷达反射回波的起始位非零,而电磁波在介质分界层处发生反射的时刻取决于电磁波所传播层面的厚度,当2层介质差别较大或2层介质之间有空气存在时,反射时刻位于波形的最大波峰或波谷所在位置,而与脉冲源的位置和第2层介质的介电常数无关。 2）根据隧道衬砌的分层特征,在实际隧道衬砌中,对探地雷达数据和实际干扰因素进行分析处理,对与理论反射时间误差太大的进行修正。研究成果对应隧道衬砌层位及病害性状识别均具有指导和借鉴意义。     

花岗岩残积土路堤边坡湿度的实测特征

为探究花岗岩残积土路堤边坡湿度的实测特征,选取江西某高速公路的半填半挖路堤边坡,采用预埋水势传感器和水分传感器的方法,进行了为期10个月的监测,并根据监测结果分析了边坡稳定性。结果表明:1.5 m深度范围内,土体的基质吸力和体积含水率均随降雨发生同步变化,在公路运营期间呈现明显的波动;监测点1的监测结果显示:水平距离距路肩最外侧4.0 m的土体,基质吸力的波动范围在7～21 kPa之间,体积含水率的波动范围在20%～33%之间;监测点2的监测结果显示:水平距离距路肩最外侧13.0 m的土体,基质吸力的波动范围在7～13 kPa之间,体积含水率的波动范围在36%～48%之间;受降雨渗流和地表积水的影响,下边坡的体积含水率明显高于上边坡,基质吸力则要显著小于上边坡;在基质吸力和体积含水率变化幅度较大时,可采用FredlundXing模型拟合土水特征曲线,R~2达到0.755;而在低基质吸力水平条件下,基质吸力的监测误差给曲线拟合带来困难。基于双应力状态变量的非饱和土抗剪强度公式,计算非饱和边坡的稳定安全系数,其结果大于1,表明边坡在监测周期内处于稳定状态;边坡稳定性随着土体深度增大而明显较小,基质吸力对其有一定影响,但影响程度随着土体深度和体积含水率的增大而减小。