文摘
本研究描述了实验的结果比较腔尺度从探地雷达勘探获得的直接开挖腔尺度识别。第一个实验是进行实际的道路,和额外的实验进行了模拟网站防止地下空腔崩溃。证实,土壤深度的预测腔和确定腔是类似的,但预测腔尺度探地雷达勘探高估了纵向和横向宽度而确定腔尺度。基于腔尺度之间的相关性预测的探地雷达勘探和腔尺度识别的模拟试验,提出了一个经验公式估算腔尺度。
1。介绍
在首尔,韩国,有大型和小型地面沉降自2014年以来,这已经成为一个社会问题。大部分地面沉降发生在城市地区的路面,主要原因应该是不当建设供水管道、下水道、气体管道、和地铁在人行道上。分析巷道腔的位置发生在过去的五年里在首尔透露,81%的蛀牙发生在深度小于0.8 m, 17%的蛀牙发生在深度0.8米至1.5米,和2%的蛀牙发生在深度超过1.5米的路面表面。因此,98%的蛀牙是分布在深度1.5米,平均深度地下公用事业和腔规模很小,主要发生在浅层。这样的蛀牙可能扩大,导致地面沉降(1]。
地面沉降,由于腔可以带来各种问题,如伤亡,降低结构的安全,和间接的社会成本。因此,地面沉降应避免通过勘探和恢复路面下的空腔(2,3]。
最近,为了避免影响交通流量,腔下探索路面使用移动multi-GPR(探地雷达)。的位置、深度和腔规模可以计算得到波形GPR数据腔在人行道上。腔规模可以被证实的可用性计算腔的抛物线截面根据腔的理论波形分析。一般来说,水平轴腔波形显示测量距离,和纵轴显示了深度。此外,腔规模估计规模在每个方向上通过计算图像的纵向和横向测量腔的波形。然而,腔规模可以确认准确的恢复过程中只有通过开挖。
另一方面,腔勘探和规模的计算通常分为两个过程:(1)探地雷达勘探和调查(2)内窥镜。探地雷达勘探计算腔纵向和横向方向上的尺度;然后,电影里面的腔内镜调查来证实它的深度和广度。考虑腔规模(高度和宽度),路面的厚度,和路面裂缝的数量,主要勘探和二次调查的结果让我们确定腔的危险水平。根据腔管理准则建立了首尔市的危险腔决定在四个级别:紧急,优先级,一般情况下,和观察。紧急和优先级级别表明危险的水平腔必须立即恢复,而一般和监测水平意味着腔可能扩展到一个更高的水平。因此,应该有一个准确的计算腔监控规模的扩张过程的腔一般水平和观察到一个更危险的水平。此外,腔的精确计算规模确定的成本也是很重要的(例如,材料和设备)腔的恢复,如果腔在紧急或优先级级别。
目前测量腔尺度的方法直接挖掘腔,导致社会间接成本由于交通控制以及相关的直接成本挖掘和修复过程。自之间的差异发生腔规模估计通过直接开挖和腔从探地雷达勘探获得规模,探地雷达勘探结果的可靠性是退化。因此,为了确保探地雷达勘探结果的可靠性,有必要增强腔规模计算的准确性基于探地雷达勘探。
本研究比较了腔尺度从探地雷达勘探和获得的直接开挖确定腔。第一勘探进行了实际的道路,和第二个勘探进行了模拟网站为了防止腔崩溃将泡沫塑料在地上。因此,研究表明,探地雷达勘探方法预测实际腔尺度和探地雷达勘探结果确定腔鳞片。
2。探地雷达勘探和腔规模计算方法
2.1。探地雷达勘探原理
探地雷达发射电磁波进入地下和接收的电磁波反射边界具有不同电特性(例如,电导率和介电常数)。这个系统被广泛用于调查矿山资源的储备,埋结构和岩层在地球物理信息(4- - - - - -6]。探地雷达勘探方法探索与高分辨率浅科目或结构利用电磁波的传播频率高于几十兆赫和常用作为调查的地下管道的无损检测在人行道上,蛀牙以及腔探索隧道(7,8]。
探地雷达勘探原理图所示1。发射机天线发射的电磁波反射,弯曲,衍射,并记录波形的接收天线。探地雷达勘探识别异常对象的大小和位置,通过分析波形的变化模式根据异常对象的特征(如边界、公用事业、蛀牙、等等)(9]。
10 MHz, 1 GHz之间的高频带宽用于探地雷达勘探属于传播区域位移电流的优越与传导电流相比,和电磁波的行为仍然是波动方程的控制下。最有趣的行为特征的探地雷达波区域的电磁波的衰减和速度。平面电磁波的假设下,衰减( )和相位常数( )波的面积方程所示(1)和(2):
符号指的导电性(S / m),介电常数(F / m)渗透率(H / m),是频率。因此,作为介质的电导率和介电常数的增加减少,探地雷达波显示明显的衰减与频率无关。然而,地区的频率高于100 MHz,衰减迅速增加由于弛豫效应,和深度调查的探地雷达系统使用一个波长高于100 MHz迅速减少。
假设组成地下岩石的渗透系数是相同的,在真空中( ),探地雷达传输速度( (米/ ns))可以被定义为在方程(3)。探地雷达波的传播速度与频率无关,只取决于介电常数:
对象的最小大小,可以探索叫做决议;它根据不同土壤,它是一个单一波长的长度的一半( )。基准波长必须增加增加分辨率。然而,当基准波长增加,分辨率增加因此,调查的深度降低由于增加衰减。选择天线时,深度的调查应优先解决如果没有信息对象的深度和介电常数。应该注意,探地雷达波的速度是一个函数的介电常数,根据媒介和分辨率不同。最低频率决定的决议,和最大频率影响的深度调查和地震噪声的规模如表所示1。
根据地下介质的特点,用于探地雷达的频率探索应该适当改变根据地层的勘探,地球表面的状态,地下水的状态,和周围的环境。当使用天线500 MHz的频率高的基地,探索的深度取决于介电常数和电导率的地下,这通常是2米和3米之间。如果表面是沥青路面,穿透深度减少到1到2米,为电磁波的能量穿透底部削弱,在包装的边界反射的能量(10]。
探地雷达反射传播通过路面结构可以确定子层的电磁性质(11- - - - - -13]。电磁属性测量路面工程师更频繁的介电常数( )因为它主要是由土壤含水量的影响(14]。从材料的角度工程、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组件,每个组件的体积分数,几何学图形,组件之间的电化学相互作用[15]。表2总结了典型路面土壤组分的介电常数发表(14]。
当一个100 MHz的低频天线是用来提高穿透深度,很难区分反射信号从浅地区由于直接的干扰电波传输天线发出的接收天线。因此,地下介质的电特性和频率用于勘探应事先调查,以确保适当的探测深度和分辨率。
2.2。腔的分析探索和谐振腔的计算规模
如图2探地雷达勘探设备在这项研究中的应用是安装在一辆汽车。基本频率400 MHz,铺设人行道上的勘探深度在2米的范围内。这是有效地检测腔和地下设施内的0.15米或更大的深度1米(0.3米2米的深度)。除了与多通道探地雷达勘探设备、三维解释,使我们能够检测异常信号根据材料的不同以及在相同材料的介电常数。
探地雷达勘探设备由探地雷达天线表面图像摄像头,GPS测量设备,和定位相机,这使我们能够识别异常信号从表面的确切位置。此外,集成多通道探地雷达的分析程序和定位系统增加勘探结果的可靠性。
第一,探索使用的一个软件,记录和控制勘探数据和设置天线安排,采样间隔、初始值数据的位置。获得的数据是通过构造一个接收和传输通道,DMI,勘探系统。后来,通过数据处理结果进行了分析,如预处理、插值和迁移的数据,使用分析程序对勘探数据。截面数据进行分析根据渠道定位系统的综合管理,然后比较和分析异常位置和表面剪辑,过滤信号从地下公用事业和人孔等对象。
另一方面,如果探地雷达勘探由一维的安排和检测蛀牙或地下管道,目标是在探地雷达数据表示为抛物线。因此,该系统能够获得的数据检测接收信号的强度和发射和接收电磁波的延迟。
如图3,当地质雷达传感器显示红点是一致的,有一个特定的对象(腔或地下管道)低于他们,和地质雷达传感器发送和接收个人电磁波,延迟变得不再作为传感器远离目标对象;随着距离的增加,信号反射的强度削弱。如果这是在一个二维空间与时间轴和传感器布置方向,它假定一个抛物线的形状。抛物线斜率逐渐与低介电常数和材料与高陡边坡材料介电常数(16]。波形的斜率有抛物线形状,和主要类型的波形如图4。
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
图5展示了一个方法来区分腔根据波形的白色和黑色部分,基于空气和介质介电系数不同。它显示了一个反映形式的均匀介质,腔。在均匀介质的情况下空腔在路面下,根据深度的方向,增加相对介电常数和相位开关从黑到白。有蛀牙在人行道上时,介电常数减小的方向深度,扭转180度的反射波的相位和相位切换从白到黑17- - - - - -19]。
(一)
(b)
在腔探索的结果,横轴和纵轴代表距离和深度,分别探索结果解释为反射模式显示在横截面的飞机。剪辑的飞机,结果显示颜色的电磁波传播的力量,让我们区分蛀牙和地下管道根据跟踪波形的特点。然而,尽管探索异常对象的深度是由电磁波的连续观察和介质的介电常数不变,可能有错误很难确定准确地根据介质介电常数不变。
飞机的异常信号的片段应该首先选择分析腔的信号。有图案的直线在地下管道的情况下;然而,沿边界模式形成的一个特定区域显示一个极端的振幅的变化被认为是一个空腔,空腔是由飞机、纵向和横截面。如前所述,腔的信号通过纵向的剪辑部分所示一个抛物线的形状;深处顶端之间的距离来确定区域,开始巨大变化;最后,表面和纵向长度的宽度来确定每一个抛物线。一般来说,纵向和横向宽度计算腔波形的两端的60 - 100%之间,但当它是必要的,迁移是第一,其次是分析反射。使用这些方法,计算的例子基于宽腔的两端的抛物线波形从探地雷达勘探图所示6。
(一)
(b)
3所示。比较腔上的评价结果
3.1。评价方法
腔尺度的计算根据探地雷达波形是极其重要的评估管理腔的危险水平。腔尺度计算在一组通过考虑介质的介电常数比在人行道上,基于的总宽度降低腔的抛物线波形纵切面和截面。
因此,在这项研究中,我们比较了腔尺度计算的基础上,探索腔通过直接开挖与确认。评估腔尺度的计算结果通过探地雷达勘探、土壤深度的空腔,空腔在三个地区规模比较10蛀牙。根据结果,预测腔和确定腔之间的关系进行了分析。
3.2。评价结果
图7演示了预测腔的深度之间的关系,确定腔。的比值确定土壤深度和预测的深度分析,以评估土壤深度的误差界腔。结果表明,之间的差异确定土壤深度和预测土壤深度大约是12%到19%,当确定土壤深度超过0.4米。这个结果意味着探地雷达勘探深度是有限的。虽然有些数据有差异,确定土壤深度之间的关系和预测土壤深度接近1:1梯度。因此,它被证实,从路面层预测土壤深度大约是一样的确定土壤深度。
表3和图8显示分析结果之间的关系的土壤深处发现腔,土壤深度预测的腔根据地质雷达波形,和总宽度(纵向和横向宽度)。如表所示3、土壤深度的确定腔从0.11米到0.51米,和土壤深度分为三个范围是基于深度的关系(见图8)之间的位置预测腔和确定腔。结果的算术平均值计算土壤深度的范围确定腔,每个范围的平均土壤深度0.23米,0.37米,0.47米,分别。基于这些结果,最小、最大,并根据土壤的均值预测腔深度进行了比较。结果表明,随着土壤深度减少,土壤深度预测的腔和确定腔几乎是相同的,这是相同的定性结果如图7。此外,随着土壤深度的增加,不同的纵向预测腔的宽度增加;然而,不同截面的宽度是相同的。
(一)
(b)
(c)
预测腔的宽度的差异和确定腔以及规模比例计算纵向和横截面比较预测腔的腔尺度确定腔,如表所示4。首先,根据土壤深度的腔的位置,预测腔的宽度的差异和纵向和横截面的确定腔进行了比较。结果,一般都很难确定一个特定的趋势的不同尺度的识别和预测腔纵向和横截面根据土壤深度顶部的腔,如图9。这可能是由于不规则的尺度上的差异,因为有些崩溃的腔周围的土壤由于外部钻探的错误分析。因此,我们得出的结论是,没有明显关系的尺度确定腔和预测腔,根据土壤深度的腔。此外,我们还分析了探地雷达波形的总宽度比的抛物线形式和尺度确定腔(尺度确定腔(C确认预测腔(C) /尺度预测))。如图10的比例尺度的确定的总宽度预测腔腔是53.8%至100%之间的纵向部分和横截面的50%和100%。换句话说,据估计,腔探索通过探地雷达更大比实际的空腔。
(一)
(b)
(一)
(b)
虽然土壤深度预测腔的顶部和确定腔是相似的,没有严格的倾向的差异和腔尺度的比率。崩溃和下沉的原因可能是一些蛀牙在考试过程中,因此,该研究提出了一个计算方法的空腔通过试验台实验规模人为structuralizes模型蛀牙。
4所示。评估腔规模根据试验台的实验
虽然预测之间的关系,确定腔尺度评估是基于现场数据,很难得出一个明确的相关性。因此,本研究试图比较腔尺度比和不同的预测和发现蛀牙基于模型测试和试图表明腔尺度的计算方法。
4.1。建筑模型的蛀牙和实验方法
试验台试验,模拟了蛀牙在32位置考虑现场条件根据腔的深度和规模。泡沫塑料模型腔用于半球形结构直径0.5米和1米和0.25米和0.5米的身高和种植在地上。使用聚苯乙烯泡沫塑料的原因是,一项研究表明,介电常数不变的聚苯乙烯泡沫塑料类似的空气(20.]。的垂直位置模型腔是0.3米,0.6米,0.9米,1.2米,并从地面1.5米,每个腔之间的空间是0.3米。
挖掘地面后,泡沫计划放置在不同的位置,然后回填土覆盖。回填土的模型腔的顶部,我们使用SM(粉土)和SP(砂与淤泥混合),这是常用的在韩国作为回填土。描述的GPR探索使用相同的设备前的实验。
这个实验的目的是提出一个方法来定量评估腔通过比较预测腔和规模确定腔。因此,必须有一个挖掘模型腔相比,可以明显的蛀牙。然而,在模拟模型腔,它被发现很难获得清晰的探地雷达勘探结果由于一些蛀牙的崩溃和不规则路面坑坑洼洼的路面表面。因此,我们使用了测试结果的10例只有相对清晰,因此,比得上模型蛀牙。摘要实验类型如图11。
(一)
(b)
4.2。结果与讨论
表5显示了土壤深度和纵向和横截面的预测腔(探地雷达勘探结果)和确定腔(模型腔)根据土壤类型。土壤深度预测的空腔和确定腔大约−0.06米至0.04米,是相似的。这类似于实验的结果在巷道蛀牙。然而,不同的纵向宽度预测腔和确定腔被发现0.22米到0.76米根据腔的深度,和横断面宽度的差异被发现是0.30米到0.80米。
图12显示相关分析的结果使用均值预测腔和确定腔之间的差异有关土壤深度、纵向部分,和横截面,当埋深0.3米,0.6米,0.9米,分别。结果表明,当土壤深度在0.3米和0.6米,没有很多的差异在垂直位置预测腔,腔,但随着土壤深度的增加,增加的区别。这也是类似的趋势所示实验巷道上蛀牙。然而,随着土壤深度的增加,纵向和横截面的差异预测腔,发现腔不断增加。基于这些结果,我们能够表明,随着腔(土壤深度)的深度增加,纵向和横截面的尺度预测腔比确定的腔。
(一)
(b)
(c)
表6显示的规模比预测腔和确定腔根据实验的条件。规模比确定的比例确定的预测腔腔土壤深度、纵向宽度、横断面宽度。结果表明,土壤深度的规模比例为94%到111%,而纵向和横截面的规模比例是49%到82%和45%到77%,分别。有一个不同的规模比土壤深度预测腔和识别之间的空腔,但规模比纵向和横向宽度大。这表明GPR探索预测的腔尺度大于实际的蛀牙的规模比纵向和横截面。虽然土壤深度的规模预测的探地雷达勘探相对可靠,有可能纵向和横向宽度的勘探结果显示大错误。
另一方面,土壤类型没有显示特定的与埋深的关系,腔的规模和比例。这是因为没有大的介电常数的差异根据SM的类型和SP,所显示Saarenketo [21]。
4.3。建议腔的预测评价方法
这是很难估计的规模准确地上的一个洞。根据模型试验的结果,我们没有发现腔规模和土壤类型之间的关系。然而,人们发现探地雷达勘探结果相对准确估算腔的深度(土壤深度)。此外,随着土壤深度的增加的空腔,空腔的平面尺度(纵向和横截面)预计会比实际的尺度。因此,基于结构化模型腔之间的关系(腔)规模和规模预测腔通过探地雷达勘探的结果(见表5),我们建议一个公式来估计腔规模使用差异(预测腔-确定腔)的纵向和横截面,根据土壤深度如图13。考虑飞机的非线性增加的趋势的不同规模的腔实验情况下根据土壤深度的增加,作为一个二阶多项式公式确定。
(一)
(b)
我们比较的规模比腔预测模型测试和规模比计算建议公式如图14。应用公式获得的规模比一般大于规模比例从实验的结果。特别是,增加率较大的横截面,在规模上的差异相比,纵向规模相对较大。因此,它可以定量估计腔规模计算方法的基础上建议在这个研究。然而,公式也适用于更多腔数据来提高其可靠性。
(一)
(b)
5。结论
在这项研究中,探地雷达勘探方法进行了实际巷道和模拟网站来弥补由开挖引起的问题和修复过程。实证探地雷达勘探方法预测实际腔尺度通过比较确定腔尺度的探地雷达勘探结果与建议。结果总结如下:(1)本研究比较了腔尺度从探地雷达勘探结果,获得的直接开挖确定腔。证实了预测土壤深度探地雷达勘探是类似于确定土壤深度,但规模预测腔通过探地雷达勘探高估了纵向和横向宽度确定腔相比规模。(2)在实际道路上的实验,没有明显的趋势之间的差异和空腔的比例尺度探地雷达勘探结果和确定腔。原因是认为是考试过程中腔的崩溃。因此,为了防止执行额外的模拟测试腔崩溃将泡沫塑料在地上。尽管预测腔的土壤深度和确定腔是相似,区别在纵向和横向宽度增加随着土壤深度的增加。因此,探地雷达探索腔尺度预测比实际的蛀牙的规模比纵向和横截面。(3)基于预测腔尺度之间的关系通过探地雷达勘探和腔尺度识别的模拟测试,可以定性估计腔尺度用在这项研究中提出的经验公式。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个工作是由韩国的环境产业与技术研究所(KEITI)通过公共技术程序基于环境政策的项目,由韩国环境部(MOE)(没有。2016000700001)。