铁路路基病害的地质雷达正演模拟与探测方法研究

摘要

地质雷达的核心思想在于无损检测，地质雷达具有较高的分辨率，能够快速得到探测结果，结果可信度高，且不介入被测对象的工作状态，能够实现连续成像，在内部缺陷以及浅层精细地层结构上都有实际的应用。由于铁路下方路基病害的特殊性，利用地质雷达来查明铁路路基病害是一种经济有效的方法。但由于铁路轨道的特殊性及布置在无砟轨道内部的密集钢筋网，雷达接收天线能够接收到的钢筋下层目标体电磁波的反射信号较弱，给检测工作带来困难。本文针对地质雷达探测铁路路基病害的过程开展系统研究，结合数值模拟、物理模型试验和现场试验，分析了不同类型、不同特征及不同条件下路基病害的地质雷达响应特征。主要研究内容和成果如下:
　　(1)分析了铁路路基病害的类型，研究了地质雷达的工作原理及其采集参数的设置原则，为数值模拟、物理模型试验和现场试验的过程提供了依据。
　　(2)应用gprMax3.0地质雷达模拟软件建立常见铁路路基病害模型进行了正演模拟，分析了不同条件下路基病害的异常特征，明确了铁路路基病害雷达检测的图谱判识基本特征规律。圆形空洞呈现出双曲线特征，曲线半径较小;矩形空洞则在其上边界呈现一段水平弧段，反射能量较强，而在水平段的两端有着双曲线特征，反射较弱。
　　(3)针对高铁无砟轨道中钢筋的分布，对分布在钢筋下的路基病害进行了正演模拟研究，分析了钢筋对下方病害的影响，由于钢筋的电导率较大，地质雷达入射电磁波会在该处产生衰减，只有一部分电磁波经表层钢筋间空隙入射至下层，因此会对钢筋下方病害区域的探测造成影响。但是当钢筋间距与其直径比达到一定值后，可认为其对下方病害探测的影响不大。
　　(4)通过物理模型试验模拟典型路基病害形式，采集试验模型的典型地质雷达剖面图像，研究不同类型的地下病害区的地质雷达图像的差异，分析了典型路基病害的图像特征;将得到的地质雷达剖面图像与正演模拟结果图像相比较，验证了正演模拟的可行性，为下一步利用正演模拟进行更复杂的地质雷达探测分析提供了依据。
　　(5)通过对无砟轨道板进行现场试验，分析无砟轨道板中钢筋信号在剖面图中的体现;在有砟轨道上进行了地质雷达扫描，结合已有研究成果对地质雷达图像进行了判识，通过对有砟轨道进行现场试验，获得了轨下路基病害的分布情况。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 国外地质雷达使用研究现状

1．2．2国内地质雷达使用研究现状

1．3存在的主要问题

1．4主要研究内容和技术路线

2地质雷达检测基本原理研究

2．1 铁路路基常见病害类型

2．1．1基床翻浆冒泥

2．1．2路基下沉

2．1．3基床外挤

2．1．4基床冻害

2．1．5边坡溜塌

2．1．6滑坡

2．1．7不良地质和水文条件造成的路基破坏

2．2地质雷达工作基本原理

2．2．1地质雷达基本原理分析

2．2．2地质雷达的分辨率和探测深度

2．3采集参数设置

2．3．1时窗参数设置

2．3．2天线选取

2．3．3采样点数选取

2．3．4探测速度选取

2．4地质雷达数值模拟正演分析理论基础

2．4．1 时域有限差分法

2．4．2时域有限差分法的边界吸收条件

2．5本章小结

3地质雷达探测路基病害正演模拟研究

3．1空洞病害模型正演模拟

3．1．1不同频率天线正演模拟

3．1．2不同探测速度正演模拟

3．1．3不同大小空洞正演模拟

3．1．4不同深度空洞正演模拟

3．1．5不同形状空洞正演模拟

3．1．6充气和充水空洞正演模拟

3．2疏松病害模型正演模拟

3．2．1 不同大小疏松区域正演模拟

3．2．2不同填充介质疏松区域正演模拟

3．3脱空病害模型正演模拟

3．4本章小结

4钢筋对探测路基病害影响的正演模拟研究

4．1 不同间距钢筋影响正演模拟

4．2不同钢筋直径影响正演模拟

4．2．1钢筋直径为10mm时

4．2．2钢筋直径为5mm时

4．3 路基病害与钢筋相对位置影响正演模拟

4．3．1 路基病害与钢筋相对水平位置影响正演模拟

4．3．2路基病害与钢筋相对竖向位置影响

4．4两层钢筋影响正演模拟

4．4．1 两层竖向位置相同分布钢筋的影响

4．4．2 两层竖向位置交错分布钢筋的影响

4．4．3 两层相互垂直分布钢筋的影响

4．5 本章小结

5．1 试验目的

5．2实测试验设备介绍

5．3路基病害模型实测试验

5．3．1试验模型介绍

5．3．2试验结果分析

5．4现场实测试验

5．4．1 无砟轨道钢筋影响实测试验

5．4．2有砟轨道路基病害实测试验

5．5本章小结

6．1 主要结论

6．2展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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