探地雷达的评价在典型的萨斯喀彻温省公路土壤水分和霜

文摘

本研究进行评估土壤类型的影响,水分含量,弗罗斯特道路子结构介电常数的存在。土壤介电常数的敏感性典型道路特点是在实验室提供基线介电常数的值都比野外地质雷达(GPR)调查结果。两个实验室设备,复杂介质网络分析仪和各方Percometer,以及探地雷达系统被用于这个研究领域来测量土壤的介电常数。所有三个系统之间的分化粗粒度和细粒土。另外,在温度低于零度,所有三个系统确定土壤水分含量的增加;然而,当冻结,介电常数的敏感性在土壤类型和水分含量显著降低。基于本研究的发现,探地雷达技术有能力描述原位子结构土壤类型和典型的萨斯喀彻温省道路子结构土壤水分含量。鉴于公路土壤类型和含水量的影响在职路上性能,这种能力可以提供道路工程师准确估计的原位结构条件的道路结构保存和康复计划和优化的目的。

1。介绍

本研究进行评估土壤类型的影响,水分含量,弗罗斯特道路子结构介电常数的存在。土壤介电常数的敏感性典型道路特点是在实验室提供基线介电常数的值都比野外地质雷达(GPR)调查结果。两个实验室设备,复杂介质网络分析仪和各方Percometer,以及探地雷达系统被用于这个研究领域来测量土壤的介电常数。所有三个系统之间的分化粗粒度和细粒土。另外,在温度低于零度,所有三个系统确定土壤水分含量的增加;然而,当冻结,介电常数的敏感性在土壤类型和水分含量显著降低。基于本研究的发现,探地雷达技术有能力描述原位子结构土壤类型和典型的萨斯喀彻温省道路子结构土壤水分含量。鉴于公路土壤类型和含水量的影响在职路上性能,这种能力可以提供道路工程师准确估计的原位结构条件的道路结构保存和康复计划和优化的目的。

大约三分之二的萨斯喀彻温省高速公路网络由薄沥青路面放置在一个细粒度的基础层或直接放置于路基。因为他们的年龄,大多数萨斯喀彻温省在职薄沥青路面遭受重大的气候影响,许多冻融循环(1- - - - - -3]。近年来,萨斯喀彻温省薄铺高速公路交通量的增加,增加卡车重量、预防性维护预算不足。萨斯喀彻温省灵活的人行道上也往往比标准AASHTO-type路面结构,薄,因此预计子结构的基础和地基土层做出显著贡献的承载力和结构性能的萨斯喀彻温省薄热拌沥青混凝土(HMAC)人行道。因此,萨斯喀彻温省薄路面的结构能力直接影响原位水分含量和霜冻,包括冻融循环(1- - - - - -4]。

传统的方法来确定道路结构子层的含水率包括核心取样和时域反射计(TDR),这两者都是破坏性的,入侵,耗费时间5- - - - - -7]。此外,这些传统的方法只能提供点测量道路结构的水分状态。由于含水率的典型变化常表现出的萨斯喀彻温省道路结构空间点测量可能无法提供一个准确或完整表示道路结构水分含量(5- - - - - -7]。因此,萨斯喀彻温省公路机构驾驶使用地质雷达来确定原位道路结构特点。

探地雷达(GPR)是一种无损道路结构诊断技术。探地雷达反射传播通过道路结构可以确定子层的电磁性质(5- - - - - -9]。电磁属性最常见的衡量道路工程师是介电常数(e),因为它主要是由土壤含水量的影响(6- - - - - -9]。从材料工程的角度来看,土壤无机矿物组成的复合材料系统,有机粒子,水和空气。因此,土壤的介电特性是一个个人的介电常数的函数土壤成分,土壤中各组分的体积分数,土壤的几何学图形组件和组件之间的电化学相互作用[10]。表1总结了典型道路土壤组分的介电常数11]。

介电常数的值表进行了总结1,它是假设,典型的萨斯喀彻温省公路土壤的介电常数可以通过实验室鉴定已知的准确确定土壤成分代表字段状态的条件。本研究的目的是采用两个实验室测试方法,复杂的介质网络分析仪和表面介质探测,描述典型土壤的介电特性常用的萨斯喀彻温省的公路建设。这些实验室措施相比,典型的场GPR-measured介电常数的值。

2。探地雷达的背景

传统的公路工程使用探地雷达的应用程序包括确定结构层厚度、定位原位在子结构的道路异常,描述在HMAC浮出水面,剥离和种族隔离,定位地质聚合源和检测分层大桥(4,8,9]。此外,GPR可以用来收集水分含量信息在大面积连续的基础(5- - - - - -9]。先前的研究还发现了土壤和水分含量的相对介电常数之间的相关性,土壤冻胀和土壤的粘粒含量12- - - - - -14]。

根据一些实地调查在萨斯喀彻温省和其他地方,探地雷达已经证明道路工程师的能力来确定相对含水量和霜的存在在薄在几乎连续的基础上在高速公路上行驶的道路结构(4- - - - - -9]。工程师可以在两个主要方面受益于在实验室确定道路材料的介电常数。首先,道路工程师将能够评估攷虑探地雷达道路纵断面测量数据与增加精度来确定原位路层成分作为相关领域的性能。其次,道路工程师将能够检查土壤机械行为变量湿度和密度场状态在实验室条件和空间与结构性能的道路原位使用探地雷达土壤成分和水分含量。

为了说明探地雷达在描述的应用程序原位道路结构的子结构含水率原位路基作为等高线图说明了介电常数为每个道路层典型的萨斯喀彻温省薄铺设的公路,控制部分(cs) 49-09,如图1。图1显示了路基介电常数剖面显著变化。路基相对介电常数的范围小于10大于15,这是典型的低矮的塑料clay-silt材料(11]。路基相对较低介电常数(绿色区域)C.S. 49-09显示部分路基相对干燥,而高介电常数(红色区域)显示相对润湿的路基区域(2,8]。

进一步说明探地雷达的使用评价原位道路颗粒基材,图2说明了颗粒基本C.S. 49-04介电常数。见图2,细粒度的基本层的介电常数C.S. 49-04不同从5到10调查区域的长度。从7.500公里到14.000公里,颗粒基介电常数剖面大约是5,对应于一个相对干燥的颗粒的介电常数基本代表颗粒基地或略低于最佳含水量(11]。介电常数剖面见图2还显示一些地区表现出相对较高的C.S. 49-04颗粒介电常数,这是一个迹象的润湿的细粒度的基础层。这些介电常数的值被证实基于后续目标级洞,和核心样本检索字段和记录的其他地方(2]。

3所示。实验方法

本研究的目的是使用现场探地雷达系统以及两个实验室测试设备(复杂介质网络分析仪和表面介质探测)评估的灵敏度的萨斯喀彻温省公路土壤介电常数经验丰富典型的水分含量。此外,土壤样本进行了测试在+ 20摄氏度零下20摄氏度,霜冻的影响评估土壤介电常数测量的典型的萨斯喀彻温省道路。本研究的第二个目标是比较两个实验室测试设备的介电常数结果获得的介电常数的值从实地探地雷达系统的结果。

4所示。实验配置

三种土壤中使用典型的萨斯喀彻温省的建设道路被用于这个项目:碎glacial-alluvium砾石基地,clay-till路基和高塑料湖积粘土路基。所有样品都是压实最佳干密度和测试在两个温度:+ 20摄氏度到零下20摄氏度。这两个温度代表解冻和冷冻的极限状态条件这个研究领域。土壤也测试了三个内容:水分最佳标准普氏含水率和在最小和最大含水量基于决定的原位水分含量通常有经验的领域(2,4]。

最优标准普氏含水率和干燥的最佳密度为每个材料被认为是在这个研究是列在表中2。见表2最优标准学监含水率和干燥的最佳密度glacial-alluvium砾石基地的2220公斤/ m³和百分之七,分别。最优标准普氏含水率和干燥的最佳密度clay-till路基1820公斤/ m³和16%,分别。最优标准普氏含水率和干燥的最佳密度高的塑料湖积粘土路基1350公斤/ m³和30%,分别。

5。实验程序

每个土壤类型受到了介电常数测量使用三种技术:一个GHz频率中部air-coupled现场探地雷达、复杂介质网络分析仪实验室计和表面与导电性介质探测实验室计。

5.1。探地雷达设备

探地雷达是一种非破坏性技术,它采用变频空气和/或如天线和介电常数的测量提供了一个持续的基础上在一个大区域。提供测量将会在一个典型的地质雷达调查,1米150毫米深度的正方形盒子样品都准备好了,如图3。样品盒治疗密封剂和内衬聚乙烯蜡,防止水分扩散或蒸发的土样在调节和探地雷达测试。样品盒的底部被内衬锡的底部每个样本可以很容易地确定在探地雷达的信号。密封的盒子样品的温度条件加上20摄氏度零下20摄氏度使用computer-feedback-controlled环境室十天,以确保样品达到温度平衡。

厨房帮手et al。14)有记录方程确定土壤的介电常数(在一个两层系统)基于GPR反射。这些方程进行了总结 在哪里代表了表层的相对介电常数的测量,表示相对介电常数的测量基本层,反射振幅的基地,象征着表面反射和幅度代表金属板反射振幅。

5.2。复杂介质网络分析仪的实验室设备

复杂介质网络分析仪测量真实和虚构的介电常数在频率范围从0.03 GHz 3.0 GHz。评估在土壤介电常数的实数和虚数部分信号类型和含水量,介电常数特性进行了测试在三种土壤使用惠普网络分析仪,见图4。

本研究中使用的复杂介质网络分析仪使用sealed-surface调查(在接触表面材料)来测量介电常数。回复杂介质网络分析仪计算基于已知材料的介电常数介电常数的测量三个校准材料:空气、蒸馏水,镀金铜。三个土壤样本准备标准学监最佳干密度在100毫米200毫米聚氯乙烯圆柱形容器。复杂的介质,的材料可能是写的真实和虚构的雷达信号的组件,如 在哪里是相对介电常数的实部,表示频率的依赖组件的相对介电常数,损失代表相对介电常数电导率,代表角频率(2πf),象征着频率。

5.3。表面介质探测实验室设备

表面介质探测和导电性实验室设备用于本研究各方Percometer,测量了介电值在实验室的标本。本研究中使用的各方Percometer 50 MHz介质探测,在图5。

三个土壤样本准备标准学监最佳干密度在100毫米200毫米聚氯乙烯圆柱形容器。的各方Percometer实验室设备采用密封表面探针和测量物质介电常数的函数的变化的电容探针由于材料的介电常数,见下列方程(15] 在哪里改变能力测量探针,电容探针和代表活跃表示材料的相对介电常数。

6。实验结果

本节总结了探地雷达的结果,复杂的介质网络分析仪,表面介质探测。介电常数和介电常数的比较测量结果表的每个设备提供3。

6.1。探地雷达的结果

见图3,三种土壤的介电常数进行了评估与1 GHz中央频率脉冲雷达air-coupled天线。每个箱子样品是指定的最佳压实标准学监干密度三个水分的内容。连续温度监测的环境房间显示一个大约的整体温度的变化C在气候调节。

结果总结了探地雷达在三种土壤介电常数的测量评估表3。见表3,获得的介电常数测量探地雷达测量在零下20摄氏度时显著降低,而测量在+ 20摄氏度。此外,在+ 20摄氏度,观察各土壤类型的介电常数降低水分含量的减少。自领域GPR-measured介电常数主要是受到水的影响,这是预期。

在+ 20摄氏度,球场GPR介电常数测量被发现是类似于表中列出的值1。例如,砾石基础字段GPR-measured介电常数范围从4.6到10.8,和发布的介电值glacial-alluvium砾石基础表中列出1从4到7不等。同样,clay-till路基GPR-measured介电常数变化从8.5到19.8,和冰碛物的介电常数发表在表8到18不等1。高塑料湖积粘土路基现场GPR介电常数测量范围从7.6到38.6,也同意发布的介电常数测量从25到40总结表1(11]。

在零下20摄氏度的温度,土壤类型仍有可能分化GPR-measured介电常数;然而,特定的土壤类型不能特别确定由于电介质介电常数降低灵敏度在土壤的冻结条件状态。

也见过表3,GPR-measured clay-till和湖积粘土土壤介电常数明显高于获得粒状基地在每个土壤水分含量达到或超过各自的最佳含水量。介电常数的增加增加含水率的函数被认为是主要归因于更高的体积含水率固有的细粒度的土壤。结果,显著降低介电测量获得的粗粒度的土壤(砾石基地),相对于细粒度的土壤(clay-till和湖积粘土),可以使用字段探地雷达系统区分粗粒度和细粒度的土壤达到或超过最佳含水量时土壤解冻。

6.2。复杂介质网络实验室分析仪的结果

的真实和虚构的成分复杂的土壤介电常数测量得到的复杂介质网络实验室分析仪在+ 20摄氏度零下20摄氏度和频率范围从0.03 GHz 3.0 GHz见图6通过图8。与实地探地雷达的结果比较,1.0 GHz情节在图中标记6图8。见图6图8,真实和虚构的成分雷达信号的三个土壤表现出显著的范围在介电常数的温度和水分含量,特别是在较低的频率。见数据7和8,介电常数的虚部的变化尤为明显比真正的组件频率小于0.25 GHz。这是观察到解冻的细粒度的土壤样品,clay-till和湖积粘土含水量达到或超过标准的普氏最佳水分。

根据数据显示,有潜在优势描述的真实和虚构的成分介电常数的信号。介电常数的虚部信号被认为是主要的雷达能量色散的函数由于材料中的水分含量。虚构的组件材料的介电常数越大,意味着一个更大的衰减材料内的信号。的虚分量信号可以用来帮助评估材料的含水率。因此,介电常数的虚部信号小于0.25 GHz的频率可以用来更精确地确定解冻细粒度的土壤的含水量。基于这项研究的结果,应该考虑使用低频复介电常数为量化土壤水分的内容。

见表3在+ 20摄氏度,细粒度的土壤的介电常数显著大于土壤的粗粒度的所有水分的内容。然而,在零下20摄氏度,细粒度土壤的介电常数测量仅略大于颗粒砾石的基本内容在所有水分。总的来说,在+ 20摄氏度,网络分析仪为每个土壤介电常数的测量类型同意公布值列在表中1实测雷达测量系统,就像。

6.3。表面介质探测结果

结果各方Percometer介电常数测量总结在表3。见表3,各方Percometer介电常数测量获得粒状基地+ 20摄氏度范围从3.0到11.0。然而,在零下20摄氏度砾石基地显示显著减少介电常数以及较低的值,从3.0到4.0不等。

见表3介电常数的测量,从各方获得Percometer显著减少测量时零下20摄氏度,而不是+ 20摄氏度。在+ 20摄氏度,每个土壤类型的介电常数和减少水分含量减少。在+ 20摄氏度的温度,各方Percometer介电常数测量同意在表中所列出的值1。例如,在20摄氏度,砾石基地各方Percometer-measured介电常数范围从3.0到11.0,glacial-alluvium砾石和介电值基础表中列出1从4到7。同样,clay-till路基各方Percometer-measured介电常数变化从6.0到21.0在20摄氏度,列出从11到36 [11]。在零下20摄氏度的温度,土壤颗粒土壤和细粒度的区别可能被识别;然而,各方之间没有显著差异Percometer介电常数测量的两个细粒度的土壤,clay-till路基和高塑料湖积粘土。

也见过表3,各方Percometer-measured clay-till介电常数和湖积粘土的土壤明显高于获得粒状基地在每个土壤水分含量达到或超过各自的最佳含水量。介电常数的增加在粘土土壤含水量增加的函数被认为是主要归因于自然产生更高的细粒度的土壤体积含水量。结果,显著降低介电测量获得的粗颗粒土壤(砾石基地),相对于细粒度的土壤(clay-till和湖积粘土),可以使用实验室各方Percometer区分粗粒度和细粒度的土壤达到或超过最佳含水量时土壤解冻。

7所示。总结的结果

表3总结和图9说明了介电常数测量从air-coupled获得探地雷达系统,复杂的网络分析仪,各方Percometer表面介质探针用于这项研究。介电常数之间的差异两个实验室的测量设备,复杂介质网络分析仪和各方Percometer表面介质探测,探地雷达系统中列出表和字段3。所有土壤类型、水分含量和两个字段状态的温度,与各方的介电常数测量Percometer不同于来相比,该领域的探地雷达系统。相比之下,复杂介质的介电常数测量不同于网络分析器来相比,该领域的探地雷达系统。

图9演示了一个比较两个实验室的设备和现场探地雷达系统介电常数结果在土壤类型、内容、水分和温度被认为是在这个研究。这个图示显示了显著减少在介电常数测量在零下20摄氏度。因此,测量水的内容是最适合在温度大于20摄氏度。图9也显示,各方Percometer实验室仪器测定的介电常数接近那些使用探地雷达测量设备。

8。结论

进行这个研究是为了确定介电常数测量使用现场探地雷达十分敏感,确定不同的土壤类型、含水率,弗罗斯特在典型的土壤用于构造的道路在萨斯喀彻温省。本研究着手,比较两个实验室测试设备的介电常数测量获得的那些使用探地雷达系统。三路代表典型土壤类型的土壤光谱用于构造萨斯喀彻温省道路被认为是在这项研究中:碎glacial-alluvium砾石基地,中间塑料clay-till和高塑料湖积粘土。各土壤类型特点是在典型的水分状态在萨斯喀彻温省领域经验丰富的状态条件。

复杂介质网络分析仪,各方Percometer,和探地雷达系统中使用这个研究领域准确测量土壤的介电常数温度大于零摄氏度。最高的灵敏度在观察土壤介电常数温度大于零摄氏度。所有三个系统测量介电常数区分粗粒度和细粒土使用时气温零上。此外,在这些零上温度,所有三个介电常数测量系统标识的存在不同的土壤水分含量。

的各方Percometer建议确定laboratory-prepared土样的含水量。探地雷达技术可以用来描述道路子结构的子结构土壤类型和含水率的土壤。鉴于公路土壤类型和含水量的影响在职路上性能,这种能力可以提供道路工程师能够准确评估原位结构性条件的道路结构保存和康复计划的目的。此外,能够准确地估计道路子结构水分条件空间使用nontraffic侵入和无损测量技术可以提供公路机构能够准确评估道路结构性能。

确认

作者要感谢萨斯喀彻温省的萨斯卡通的高速公路和城市基础设施和赞助。作者还想承认德克萨斯交通研究所和Roadscanners Oy的援助和使用实验室设施进行测试研究。

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