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原文传递城市道路结构层材料介电特性及其应用研究

论文题名：	城市道路结构层材料介电特性及其应用研究
关键词：	城市道路;质量评价;探地雷达;介电特性;射线追踪;遗传算法
摘要：	随着城市道路建设与养护管理的快速发展，对道路结构层厚度、含水率、孔隙率以及压实度等重要道路质量评价指标的精确探测成为了检测技术的发展方向。探地雷达是利用超高频脉冲电磁波探测地下浅层与超浅层介质分布的一种地球物理勘探方法，由于其无损、高效、抗干扰能力强、操作方便、成本低、受检测条件限制小、检测精度高等特点，探地雷达的应用趋于多样化，而且已经大量应用于道路状况评价中。但是由于缺乏城市道路结构层材料介电特性的相关研究以及合理的适用于道路结构层材料的多相复合介质介电特性模型，制约了基于探地雷达的城市道路无损检测技术的发展，研究成果还局限于仅针对道路单结构层厚度进行研究，而对道路多层的结构层厚度的研究还不够充分，对于含水率、孔隙率以及压实度等道路质量评价指标的雷达检测目前还处于摸索阶段。　　本文针对上述探地雷达在城市道路应用中存在的问题，通过模型试验对电磁波在城市道路结构层材料中的传播速度进行了分析，并对道路结构层材料的各组成成分的介电常数和组成比例对电磁波波速的影响进行了研究。对常用介质介电特性模型在路基土、水泥混凝土、沥青混凝土等道路结构层材料上的应用进行了研究。基于射线追踪法，针对不密实、脱空、空洞以及裂缝等病害进行了正演模拟。采用遗传算法对道路结构层材料的厚度及介电常数进行了反演研究。通过现场综合检测对病害实测图像与病害正演模拟图像进行了对比，并利用反演程序对沥青面层厚度进行了分析。取得的主要研究成果和结论如下: 　　(1)对城市道路结构层材料介电特性进行了试验研究。研究结果表明:影响探测混凝土中电磁波波速的关键因素是孔隙水的分布情况，结合水和自由水对探测混凝土电磁波波速的影响存在显著不同。探地雷达探测的混凝土中电磁波波速随含水率的降低而快速增加。沥青混凝土的介电常数随空隙率的增大而减小，并呈现线性相关。对沥青混凝土的介电常数影响最大的是骨料（石子），这主要是由于骨料所占的体积和质量在沥青混合料中最大，骨料的介电性质决定了整个沥青混凝土的主要介电性质。土体的粒径级配对土体的介电常数有一定的影响，但影响较小。土的介电常数都随着土体含水率及土体压实度的增加而增大。揭示了道路结构层材料的介电特性与含水率、孔隙率、压实度等工程质量评价指标之间的关系。　　(2)针对水泥混凝土、沥青混凝土以及路基土等道路结构层材料，对现有的CRIM模型、Brown模型以及Looyenga模型等介电特性模型进行了合理性及适应性的验证研究。对CRIM模型、Brown模型以及Looyenga模型分别进行了改进。计算及试验结果表明，采用本文改进介电特性模型得到的介电常数值与实测介电常数值之间误差相较于现有的介电特性模型显著减小。　　(3)针对城市道路中常见的疏松、脱空、空洞等隐伏病害以及路面裂缝进行了正演模拟，得到了探地雷达剖面记录，通过研究雷达波在这些病害介质中的传播规律，分析了包含病害在内的道路雷达反射波信号的特征。探地雷达正演模拟结果表明:电磁波在不密实病害区域会产生强反射和一定的衍射，病害区域内波形紊乱，规律性差，同相轴的相关性很差。900MHz雷达天线可以识别出近高于1/6波长空气脱空，即脱空大于5cm。由于水的介电常数很大，速度低，其波长约是空气中的1/10，大约为0.3m/ns，因此从1/4波长分辨率来看，可以识别出3cm的充水脱空区。900MHz天线可以识别出2cm、1cm的路面裂缝宽度，但是需要进行适当的增益异常特征才能够在雷达剖面上呈现出来。当路面裂缝宽度为5cm、4cm、3cm时雷达剖面能够清晰反映出路面裂缝的异常特征。　　(4)针对影响探地雷达探测分辨率的因素进行正演模拟，结果表明:介质不规则、介质不同介电参数、介质不均匀以及不同天线频率等因素，对探地雷达的探测有较大影响。不规则介质随着病害埋深的增加，以及介质区域范围的扩大，扰射曲线变宽。介质填充介质与周围介质的介电差异越大，介质特征就越明显，边界的绕射信号也越强。不均匀的介质，其同相轴的相关性很差，介质区域内波形紊乱，绕射波之间存在较强的干涉现象。天线频率越高，波长越短，探地雷达的分辨率就越高。　　(5)采用MATLAB编写了遗传算法的道路结构层材料介电常数及厚度的反演程序，对于线性化处理非线性关系有重要意义，同时也极大地降低了算法的多变性和不确定性，从而促进了探地雷达的实际运用;通过将反演程序用于道路结构层材料介电常数及厚度的测试，结果表明，经反演模型推算得出的介电常数和厚度很大程度上与模型实测值相当，较为准确地展示了道路结构层材料的介电特性，证实了文中的反演算法对于道路结构层材料的探地雷达介电常数和厚度的反演推算的合理性。　　(6)通过对某城市道路综合性检测的实际应用，验证了本文提出的正演模拟及反演方法在城市道路病害检测中的可行性与可信性。
作者：	江凯
专业：	道路与铁道工程
导师：	苏谦
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文