CN113884550A - 一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法及其应用 - Google Patents

一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法及其应用，向被测土体/混凝土中斜向钻孔，向孔中插入/注入导电物质；以孔口外边缘为原点，沿孔的水平走向在被测物土体/混凝土表面绘制轴线x，并在轴线上等间距标记刻度；将电磁波收发器在各刻度xi处垂向扫描，获得孔内介质反射的电磁波单程到时ti；建立的坐标系中坐标点连线斜率和介电常数显著相关，可通过迭代求得第i层的介电常数。本发明的方法能够分层测定介质不同深度的介电常数，计算不同深度范围内的波速，基于此进行目标体位置计算，可有效减小定位误差；拟合直线避免了混凝土浅深处性质不均造成的影响，测定出介质全深度范围内复介电常数，计算结果更适用于工程应用。

Description

一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法及其应用
技术领域
本发明涉及水利土木工程检测相关领域，具体为一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法及其应用。
背景技术
土质堤坝、混凝土结构内部质量缺陷具有隐蔽性强、威胁程度高的特点，常规表观质量检查方法难以识别，钻孔、开挖等有损检测方法费时费力，检测效果不佳。近年来，借助电磁波进行无损检测的方法得到了广泛应用。探地雷达利用电磁波在不同介质界面的反射、透射特性，可高效普查结构内部质量，被广泛应用于水利、土木工程质量检测。但现场检测结果常存在较大的定位误差，甚至误判，其重要原因是被测物体的介电常数设定不准。
介电常数作为电性性质的重要指标之一，决定电磁波在介质中的传播速度，介电常数取值偏差过大，造成目标体定位不准，影响探地雷达的检测准确度。当前，现场检测所用的介电常数标定方法有：1)经验估计法。2)室内试件标定法。制作与拟测工程类似的试件，以试件介电常数作为拟测工程的介电常数；3)反算法。通过设计资料或钻孔等手段获取测试面至交界面的深度，根据测得表面至交界面处的雷达波走时，反算介电常数。
上述方法存在以下不足之处：1)工况对介质的电性指标影响较大，如：混凝土龄期、含水率、配合比均会影响其电性性质，同一介质的介电常数常为一范围值，依靠经验估计被测物介电常数常偏差较大；2)制作标定试件周期长，费时费力，且与拟侧工程工况难以保持一致，不具有工程代表性；3)对于堤坝等大型结构，要求探测深度大(十几米至上百米)，探测范围内难以找寻具有明显典型差异的交界面，而且受水位、降雨等影响，堤坝内不同深度处的土体含水率差别较大，其介电常数等电性参量也存在较大的变化，必须对波速进行分层测算方能实现准确定位。
另外，目前依靠TDR(电磁波时域反射方法)的介电常数测试设备仅适用于室内小试样的标定，无法在现场直接应用；若取样进行测定，取样扰动同样会使测定结果失真，而且工程材料均为多相复合材料，局部的测定值不能合理表征探测范围内的参量。
发明内容
针对现有技术不足，本发明给出一种通过置入斜向强反射介质等，实现现场分层测定混凝土、土体的介电常数，综合评定介质全深度范围内综合介电常数的方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法，包括：
(1)向被测土体/混凝土中斜向钻孔，向孔中插入/注入导电物质；
(2)以孔口外边缘为原点，沿孔的水平走向在被测物土体/混凝土表面绘制轴线x，并在轴线x上等间距标记刻度xi，i＝1，2，3……n；
(3)将电磁波收发器在各刻度xi处垂向扫描，获得孔内介质反射的电磁波单程到时ti；
(4)基于下式迭代求得第i层的介电常数εi：
Figure BDA0003255331500000021
式中，d为电磁波收发器间距；α为孔轴线与被测物表面的倾角；i＝1时，ti-1、xi-1取值为0)。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：
以孔口外边缘为原点，轴线x为横坐标，电磁波单程到时为纵坐标建立笛卡尔坐标系，将坐标原点和各(xi，ti)坐标点依次连线，并进行线性拟合，获得斜率k，则被测物的复合相对介电常数
Figure BDA0003255331500000022
作为本发明的进一步改进，所述导电物质为金属杆、含金属粉末的浆体或电解质溶液。
作为本发明的进一步改进，被测物是混凝土时，优选含金属粉末的浆液；被测物为土体时，优选一端尖锐的金属杆。
作为本发明的进一步改进，被测物为混凝土时，使用冲击钻在被测混凝土上打斜向孔。斜向孔避开混凝土中已有钢筋等金属杆件，或与已有金属杆件呈斜向夹角；被测物为土体时，可选择一头尖锐的金属杆直接斜向打入土体内。
作为本发明的进一步改进，所述孔轴线与被测物表面的倾角为15°～75°。
作为本发明的进一步改进，刻度xi间距根据被测物深度及精度要求确定，刻度标记数与层深划分数一致；对于混凝土，间距≤50cm；对于土体，间距≤2m。
作为本发明的进一步改进，电磁波收发器扫描方式为：
以间距d沿x轴垂线扫测，此时导电物质信号图谱为月牙状，双程到时Ti以表面直达波与月牙状顶部间的时差计；
或：将电磁波收发器跨x轴进行点测，此时信号图谱为层状，双程到时Ti以表面直达波与强反射层间的时差计。
作为本发明的进一步改进，选取强反射正波波峰、负波波谷或正负波间的驻点处的值为到时，对于列于同一坐标中的ti取值点一致。
作为本发明的进一步改进，采用最小二乘法进行线性拟合。
本发明的另一目的在于提供上述方法在土体/混凝土异常体定位中的应用，包括：
基于上述方法测定土体/混凝土第i层的介电常数εi；
计算第i层的波速
Figure BDA0003255331500000031
c为光速；
根据探测结果，确定电磁波自被测物表面至异常体的单程到时t；
判断t值区间，ti＜t≤ti+1；
根据公式
Figure BDA0003255331500000032
确定异常体位置为距离被测物表面y深度处。
本发明的有益效果在于：提供了一种在工程现场准确、快速获取相对介电常数的方法，从而提高雷达物探结果的准确度。与现有用于工程现场的介电常数标定方法相比，能够分层测定介质不同深度的介电常数，计算不同深度范围内的波速，基于此进行目标体位置计算，可有效减小定位误差；拟合直线避免了混凝土浅深处性质不均造成的影响，测定出介质全深度范围内复介电常数，计算结果更适用于工程应用。
附图说明
图1为实施例被测混凝土墩台。
图2为过各测点形成的电磁波扫测图谱。
图3为建立的坐标系。
图4位扫测墩台获得的雷达图谱。
具体实施方式
实施例1
某混凝土墩台，深度为65cm，现采用本发明所述方法测定其分层介电常数，并综合推定全深度复合介电常数。
(1)首先向混凝土墩台中钻孔置入直径为16mm金属杆，量测与表面所成角度α为26.5°；
(2)以表面金属杆外侧表面为原点，沿金属杆方向在被测物混凝土表面沿金属杆斜向绘制轴线x，然后在轴线x上以10cm间隔标记刻度x1～x4，如图1。
(3)使用同发同收的电磁波接收/发射器，间距d为0cm，并过b1～b4点扫描，获得扫描图像如图2所示，读取其双程到时Ti(i＝1、2、3、4)，则单程到时ti＝Ti/2。t1＝0.68s，t2＝1.56s，t3＝2.59s，t4＝3.54s。
(4)建立x-ti坐标系，然后在坐标系上描出坐标点(xi，ti)，i＝1、2、3、4，如图3，同时，也表示将测试构件介电常数分为4层精确测定。各坐标点连线的斜率与介电常数大小正相关，将(xi,ti)，倾角α代入
Figure BDA0003255331500000033
求得各层相对介电常数分别为5.23、8.75、11.99和8.36。随深度增加相对介电常数先变大后减小，与客观规律一致。表层与空气直接接触，干燥快；底层与地面接触，干燥较慢；中间部分由于处于混凝土内部，干燥最慢。
(5)将坐标原点和各坐标点(xi，ti)的连线通过最小二乘法拟合为直线，并求得直线斜率k＝9.3033。将直线斜率k和夹角α代入公式
Figure BDA0003255331500000041
求得ε＝9.78，即被测物全深度范围内的综合介电常数为9.78。
实施例2
本实施例具体说明应用本发明的方法实现土体/混凝土中异常体的定位。
按照下述步骤完成墩台检测。
(1)根据实施例1求得的各层相对介电常数代入公式
Figure BDA0003255331500000042
中，求各层波速分布见下式。
Figure BDA0003255331500000043
(2)按照实施例1中测定的综合介电常数9.78作为探地雷达仪器内设置的参数，使用基于该参数的仪器设定，能够确保接收到墩台全深度范围内的信号。
(3)扫测墩台获得相应的雷达图谱如图4。在水平位置235cm～270cm下方有一异常体，双程到时为2.30s，即单程到时t＝1.15s。
(4)t1≤t≤t2，代入公式
Figure BDA0003255331500000044
求得y＝0.1313×0.68+0.1014×(1.15-0.68)＝0.137m，即该异常体位于表面以下13.7cm处。

Claims (10)

1.一种现场分层测定土体/混凝土介电常数的方法，其特征在于，包括：
(1)向被测土体/混凝土中斜向钻孔，向孔中插入/注入导电物质；
(2)以孔口外边缘为原点，沿孔的水平走向在被测物土体/混凝土表面绘制轴线x，并在轴线x上等间距标记刻度xi，i＝1，2，3……n；
(3)将电磁波收发器在各刻度xi处垂向扫描，获得孔内介质反射的电磁波单程到时ti；
(4)基于下式迭代求得第i层的介电常数εi：
Figure FDA0003255331490000011
式中，d为电磁波收发器间距；α为孔轴线与被测物表面的倾角；i＝1时，ti-1、xi-1取值为0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
以孔口外边缘为原点，轴线x为横坐标，电磁波单程到时为纵坐标建立笛卡尔坐标系，将坐标原点和各(xi，ti)坐标点依次连线，并进行线性拟合，获得斜率k，则被测物的复合相对介电常数
Figure FDA0003255331490000012
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电物质为金属杆、含金属粉末的浆体或电解质溶液。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被测物是混凝土时，优选含金属粉末的浆液；被测物为土体时，优选一端尖锐的金属杆。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，孔轴线与被测物表面的倾角为15°～75°。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻度xi间距根据被测物深度及精度要求确定，刻度标记数与层深划分数一致；对于混凝土，间距≤50cm；对于土体，间距≤2m。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电磁波收发器扫描方式为：
以间距d沿x轴垂线扫测，此时导电物质信号图谱为月牙状，双程到时Ti以表面直达波与月牙状顶部间的时差计；
或：将电磁波收发器跨x轴进行点测，此时信号图谱为层状，双程到时Ti以表面直达波与强反射层间的时差计。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选取强反射正波波峰、负波波谷或正负波间的驻点处的值为到时，对于列于同一坐标中的ti取值点一致。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用最小二乘法进行线性拟合。
10.权利要求1～9任一项所述方法在土体/混凝土异常体定位中的应用，其特征在于，包括：
基于权利要求1～9任一项所述方法测定土体/混凝土第i层的介电常数εi；
计算第i层的波速
Figure FDA0003255331490000021
c为光速；
根据探测结果，确定电磁波自被测物表面至异常体的单程到时t；
判断t值区间，ti＜t≤ti+1；
根据公式
Figure FDA0003255331490000022
确定异常体位置为距离被测物表面y深度处。
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