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原文传递煤矸石填料介电特性研究

论文题名：	煤矸石填料介电特性研究
关键词：	煤矸石;铁路路基;探地雷达;介电常数
摘要：	采煤沉陷区铁路专用线路路基常采用该矿区开采时伴生的煤矸石作为沉陷区路基充填加固的材料，而煤矸石具有易风化等特点，需要对其展开多次、快速的质量检测。由于探地雷达具有快速、无损、连续检测的特点，且煤矸石铁路路基具有明显分层结构特性，沿深度方向各层介质介电常数差异显著，探地雷达在此种工况下具有良好的探测效果。基于此，考虑将探地雷达法在道路中已有的研究经验与研究方法引入矿区煤矸石铁路路基的检测工作中，对路基的各项参数进行检测与评估。本文以淮南某矿区沉陷区专用铁路线路为背景，以该矿区煤矸石填料为研究对象，通过理论分析、室内介电常数测量试验与基于FDTD法的正演模拟软件gprMax的正演模拟结果相结合，系统的研究了该矿区煤矸石填料的介电常数随压实度、含水率变化的规律，建立了该矿区煤矸石填料“介电常数-含水率”模型，并将对该矿区煤矸石填料介电常数测量的数据应用于gprMax正演模拟中，分析了该矿区煤矸石铁路路基易发育的病害其雷达波型响应特征，最后将正演模拟的结果与该矿区铁路专用线路煤矸石铁路路基质量评定的工程测量数据进行了分析与研究，讨论了探地雷达法在该矿区煤矸石铁路路基检测中的应用效果。具体研究成果如下：　　（1）选取该矿区煤矸石铁路路基填料为原料，通过室内试验的方式，得出了煤矸石填料介电常数值主要受含水率的影响，压实度的变化对其介电常数值得影响相对较小，建立了“含水率-介电常数”回归模型，其具体回归方程为εr=0.45984+0.91406ω，相关系数R2=0.99557；　　（2）通过电磁学理论与探地雷达技术基础理论，讨论了探地雷达法在煤矸石铁路路基中应用的可行性，通过理论计算得出了基于gprMax的正演模拟与探地雷达检测中时窗、天线频率参数的设置；　　（3）基于FDTD法及gprMax正演模拟软件，对该矿区铁路专用线路中常发育的病害进行了正演模拟，得出了多种情况下孔洞病害发育时其雷达波回波响应特征，并对多孔洞病害发育时雷达回波互相干涉的情况做了分析，验证了正演模拟的严谨性。同时，将实验测量介电常数数据值与正演模拟结果综合对比应用于矿区既有铁路专用线路基质量的评定工作，肯定了探地雷达法在该矿区相关检测中的效果，并对部分线路路基尤其是“夹心式路堤”区域可能发育的病害情况进行了分析。
作者：	魏子言
专业：	市政工程
导师：	于广云
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022