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探地雷达数值模拟技术的应用研究

胡平  
【摘要】:探地雷达作为一种先进的高频电磁波勘探技术,具有对探测对象不造成任何损伤、抗干扰能力强、测量结果直观准确和高效率等特点。本文根据麦克斯韦方程组,导出了二维模拟横磁模式(TM)的Ez,Hx 和Hy 分量,和三维模拟的Ex、Ey、Ez 和Hx、Hy 和Hz 分量的有限差分方案,得到相关的差分方程组。通过采用吸收边界条件和完全匹配层(PML)等边界条件、场源和良导体等相关问题的特殊处理方法,建立了探地雷达二维和三维有限差分正演模拟程序。并分别针对公路路面厚度检测、机场跑道面层脱空检测和隧道衬砌检测等探地雷达实际应用问题进行了数值模拟研究,探讨了探地雷达的方法有效性和探测能力。为探地雷达技术在无损工程质量检测的可行性及应用提供一种直观的感性的认识。 为了更加接近实际情况,在几个已知的混凝土结构模型上开展了探地雷达技术有效性和分辨能力试验研究。试验模型主要是在混凝土块体中设置了不同大小、不同埋深的空洞、蜂窝状空穴、木块、泡沫塑料块等物体,较详细地研究了这些异常目标物的探地雷达响应特征和规律。 通过理论模型的数值模拟研究和实地试验研究,确立了探地雷达技术在公路路面厚度检测、机场跑道面层中的脱空检测和海底隧道混凝土衬砌中的缺陷检测等应用的可行性,认识和总结出了相关问题的探地雷达反射信号的识别特征。 文中例举了作者在香港从事的部分实际谈地雷达检测工作,主要包括:香港近1500测线公里公路路面各面层、垫层和基层分层和厚度的精确确定;香港国际机场跑道脱空区和无脱空区的位置和范围多期(不同季节)检测;香港红墈海底隧道的混凝土衬砌中可能存在的缺陷(空洞或蜂窝状空隙)圈定。在探地雷达发现的所有缺陷位置和深度,布置了验证钻孔,结果与探地雷达解释结果吻合极好. 确定的沥青层或混凝土衬砌厚度和缺陷埋深的准确率达到95%以上。 理论研究和物理模型试验的结果,为探地雷达技术的实际应用提供理论指导和依据。增强了对探地雷达技术应用条件和探测能力的认识,提升了探地雷达技术的应用效果。


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