粗粒弱硫酸鹽漬土路基的地質雷達波形與頻譜特征

溫世儒，楊曉華，吳 霞

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.江西應用技術職業學院 建筑工程學院，江西 贛州 341000)

0 引言

與TSP(地震波反射法)、TEM(瞬變電磁法)等勘探技術相比，地質雷達對于小型空洞、裂縫、軟弱夾層等小型不良目標體具有良好的識別性，且具有設備輕便、操作簡易的優點，常用于道路工程地質預報工作中，如：路基路面裂縫探測、路基空洞與沉降探測、路基富水探測等。然而，此類探測所面向的目標土層多為普通非鹽漬土且已經取得了較為豐富的研究成果，而與鹽漬土相關的地質雷達探測及其成果卻少見，尤其是相關的波形判讀成果非常不足，難以為鹽漬土路基的地質雷達探測提供參考指導[1]。因此，為了解決這一問題，以實際的鹽漬土道路工程為依托，開展地質雷達探測及其判讀研究是非常有必要的。

根據地質雷達的探測原理可知，在現場探測時地質雷達的天線需要向目標地層發射具有一定原始頻率的入射電磁波。入射電磁波在地層內部電性參數發生改變的界面處會發生反射和折射，反射和折射波的頻率、振幅以及能量等物理參數會因地層電性參數的不同而不同，據此可以通過分析天線接收到的反射回波的物理參數對土層內部實施地質預報分析。

由此可見，土層的電性參數對入射電磁波物理參數的改變具有直接影響。準確掌握土層的電性參數是保證預報分析準確性的重要前提，當前用相對介電常數來表示土層的電性特征[2-3]。

理論研究表明，相對介電常數受土層的電導率和磁導率的共同影響，除兩極地區外，僅考慮電導率的影響[4-5]。對于普通非鹽漬土，土層的含水率是影響其電導率的主要影響因素，通過建立含水率單因素與相對介電常數之間的關系式，可較為準確地獲取隨含水率的不同而動態變化的相對介電常數，并據此得到相應的波形與頻譜特征，如：趙貴章[6]以鄂爾多斯盆地風積沙為研究對象，基于試驗分析對比了TOPP模型、ROTH模型和HERKELRATH模型的擬合效果，建立了適用于風積沙的相對介電常數擬合公示。Kargas[7]以砂質土壤為對象，通過線性模型預測土壤溶液的電導率對表觀介電常數的影響，發現介電常數與土壤體積含水率的關系跟土壤類型有關，建立了介電常數和含水率之間的線性關系式。

與之不同的是，鹽漬土是一類內部含有大于0.3%可溶性鹽的鹽堿土。含水率的多少不僅會直接影響土層的電導率，而且還會影響可溶性鹽的溶解度而影響土層中游離離子的濃度從而二次影響土層的電導率，即：鹽漬土的相對介電常數受含水率和可溶性鹽溶解度的雙重影響。此外，土層的溫度也會影響可溶性鹽的賦存狀態及其溶解度。顯然，與普通非鹽漬土相比，鹽漬土的相對介電常數受含水率、游離離子、未溶解鹽和溫度的共同影響。

為了求取鹽漬土的相對介電常數，相關學者提出通過建立多因素條件下的混合介質相對介電常數模型對其進行求解，如：徐爽[8]以滿洲里至阿拉坦一級公路沿線的典型低液限鹽漬土為研究對象，綜合開展了單向凍結、雙向融化環境下的水鹽遷移試驗，建立了正溫條件下鹽漬土土介電常數與多因素的擬合公式。池濤[9]以喀什干旱區農用草甸鹽漬土為研究對象，通過水-鹽正交試驗，建立了不同電磁頻率下鹽漬土的混合介質相對介電常數模型。

為了保證結果的準確性，上述模型在實際應用時，均需準確求取所有組成介質各自的占空比、體積含水率、溫度以及介電常數，在工程實際中顯然難以滿足這一要求，也就限制了上述模型的實際應用和有效推廣。

對此，為了避免上述不足，有別于前述研究，本研究以新疆粗粒弱硫酸鹽漬土路基工程為實際依托，提出基于現場實測和室內模型試驗，通過GS3土層傳感器對鹽漬土的含水率、相對介電常數進行求取，進而對正溫環境中不同含水率條件下粗粒弱硫酸鹽漬土的地質雷達波形與頻譜特征進行分析研究，以期為粗粒弱硫酸鹽漬土的地質雷達超前預報提供相關參考。

1 地質雷達探測原理

地質雷達是一種短距離、高時效性地球物理勘探技術，屬于電磁法范疇，由雷達主機、連接電纜和發射天線組成。現場實測時，雷達天線按照主機的相關設定向目標地層發射入射電磁波。

電磁波本質上屬于交替變化的電場和磁場所形成的統一場在空間中的傳播，如圖1所示意。當在無阻抗的自由空間中作有限半徑傳播時，其電磁能量的損耗可認為是零，原始頻率、相位與振幅認為保持不變[10]。

圖1 電磁波傳播示意Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic wave propagation

然而，地層是由固相、汽相和液相組成的三相體，固相、液相分子屬于帶電粒子，遇到電磁波時會與其產生電磁褶積，導致電磁波的原始頻率、相位與振幅產生改變，并以反射波的形式被雷達主機所接收。入射電磁波褶積效應的強弱用相對介電常數來表示。因此，準確獲取地層的相對介電常數是對反射波進行物理參數分析的關鍵步驟。

與普通非鹽漬土相比，鹽漬土的相對介電常數受含水率、游離離子、未溶解鹽和溫度的共同影響，其相對介電常數是動態變化的，不具備某一定值或范圍。對于三相組成較為穩定的普通非鹽漬土，其相對介電常數可以通過常規的現場標定進行確定[11]，表1所示為常見材料與巖土體的相對介電常數取值。

2 工程概況與探測方法

2.1 工程概況

新疆若羌縣-尉犁縣省道拓寬工程是連接若羌縣-尉犁縣的重要通道，拓寬段全長20.6 km。公路沿線沒有跨越較大河流，多高山和盆地，地形變化多樣，平均海拔為800～1 000 m，屬于干旱氣候區。四季分明，春夏天氣炎熱多風沙，冬季寒冷干燥，全年平均氣溫為12 ℃，冬季極端最低溫度為-20 ℃。地表耐鹽堿性植被生長良好，淺層地下水對混凝土有腐蝕性，深層地下水有輕微-弱腐蝕性。

表1 常見材料與巖土體的相對介電常數Tab.1 Relative permittivities of common materials and rock-soil

全線周邊土層以埋深為1～2.4 m的粗粒硫酸鹽漬土為主，其中累計約2.3 km范圍內為低液限粉土、細砂等細粒土。經實驗室含鹽量測定，根據《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)的規定，沿線的鹽漬化程度以弱鹽漬土(平均含鹽量介于0.5%～1.5%)為主，占比達87%，其余為中鹽漬土和強鹽漬土。

實際施工時，取粗粒弱硫酸鹽漬土為路基填料進行施工，為了避免冬季負溫帶來的諸如運輸困難、結冰、人員凍傷等不便，所有現場施工在春至秋季開展，圖2為施工現場。

圖2 路基施工現場Fig.2 Construction field of subgrade

2.2 探測方法

實際探測時采用國內自行生產的低功耗、輕便型LTD-2100型地質雷達，配備屏蔽雙體式發射天線，其現場探測方法如表2所示，濾波參數、零點校正等參數取系統設定取值。

表2 地質雷達探測方法Tab.2 Detection methods of GPR

相對介電常數是實際探測時的關鍵參數。對于大范圍、長里程的實際道路工程而言，難以利用既有研究所述的混合介質介電常數模型對鹽漬土的相對介電常數進行直接求取。為此，采用美國DECAGON公司的GS3土層傳感器以及EM50數據接收裝置對鹽漬土路基的相對介電常數進行測量[12-13]。GS3傳感器能同時測量土層的體積含水率以及相對介電常數，文后所指含水率均為體積含水率。

現場測量時，無論路基填料如何均勻，土層內部不同位置的實際溫度、體積含水率以及含鹽量依然會存在一定的差異性。因此，在現場埋設傳感器時，有兩個關鍵點：一是傳感器的埋設位置，二是連續測量時間的長短。為此在探測斷面處，根據肖澤岸等人的研究[14]，為了保證數據的可靠性和代表性，采用傳感器自帶的投送桿將6個傳感器沿橫向按單排分別放置于路基表面下30 cm、80 cm深度處，橫向間距為1 m，且實施24 h連續測量，如圖3所示意。取6個傳感器所得相對介電常數的算術平均值為該探測斷面的相對介電常數，并輸入到地質雷達參數系統中進行探測。

圖3 傳感器布置Fig.3 Layout of sensors

需要注意的是，地質雷達在現場探測時容易受到諸如外界震動、錨桿、鋼管、鋼筋網甚至手持式手機信號干擾等不利因素的影響。因此，在實際探測時，需注意及時消除或者弱化此類不利影響，以保證探測的有效性[15]。

探測完畢后，通過IDSP分析軟件對連續線測和點測原始圖像的波形與頻譜特征進行分析，獲取相應的初始特征。

3 室內模型試驗

受限于工期進度與施工作業，現場探測有時會受到干擾甚至破壞。為了對上述初始特征進行彌補和驗證，還需要開展室內模型試驗分析。

該路基的實際填土厚度達到2.3～2.6 m，室內試驗難以制作足尺模型。為此，制作一長×寬×高為1 m×0.8 m×0.8 m的模型箱，其中：(1)試驗用土選用現場填料，并按照設計壓實度分3層進行壓實，上、中、下層的壓實厚度分別為25，25，30 cm。

(2)模型箱的制作材料不得對電磁波產生吸收、干擾，因而選用干燥的木質板材，同時用塑料薄膜緊貼四周內壁以防止板材吸收土層的水分。

(3)模型填土的體積含水率由人工配置，結合現場填料的實際含水率并根據張莎莎等人[16]的研究，含水率范圍取5%～40%，間隔為5%。

(4)模型填土的溫度由溫度控制箱進行控制，溫度范圍根據當地春至秋季室外晝夜溫差設置，溫度范圍為2～32 ℃，屬于正溫條件。

圖4所示為木材加工廠定制的有蓋膠木板模型箱。模型制作完成后，沿模型箱長度方向將2個GS3傳感器埋入至試驗土中，埋置深度為30 cm，間距為40 cm，并實施24 h連續測量。

圖4 木質模型箱Fig.4 Wood model box

需要注意的是，模型箱內部填土的厚度為80 cm，而現場探測所用的600 MHz屏蔽式雙體天線的探測厚度一般可達1.3 m，顯然已經不適用于實施模型探測。因此，實施模型探測時，選用中心頻率為900 MHz的屏蔽式雙體天線，其最佳探測厚度一般不超過90 cm，與模型的填土厚度剛好匹配，且其橫向、縱向分辨率均優于600 MHz屏蔽式雙體天線。

與現場探測一樣，每次探測時均作好體積含水率記錄，并對相應的探測文件進行編號，以便于后續的統計分析。

4 波形與頻譜特征

采用與LTD-2100型地質雷達相配套的IDSP后處理分析軟件對現場探測和模型試驗所得探測文件的波形與頻譜特征進行分析。分析時首先進行背景去除、濾波和反褶積等時域與頻域處理，以壓制、弱化和剔除干擾信號，提高信噪比。

為了便于統計，實際分析時根據前期含水率記錄和探測文件編號，按照含水率逐漸遞增的順序對探測文件進行分析，結果表明：在正溫條件下，粗粒弱硫酸鹽漬土的波形與頻譜特征跟含水率(ω)有關，ω=32%是特征發生改變的臨界含水率。

4.1 8%<ω<27%時的波形與頻譜特征

當8%<ω<27%時，線測圖像具有典型的強反射特征，反射振幅達到最大，最大歸一化振幅接近于1.0。圖5～圖6為典型的線測圖像強反射特征，其中：圖5為現場探測所得圖像，圖6為模型探測所得圖像。

圖5 現場探測所得線測圖Fig.5 Field detected linear mapping image

由圖5可知，電磁損耗較少，強反射特征明顯，其中：0～2.5 m的波形較為均勻，多為水平狀同相軸，這表明路基填土在粒度組成上較為均勻，壓實度較好；2.5～3.5 m屬于原狀地基土，其波形變得更加雜亂。

圖6 模型探測所得線測圖Fig.6 Model detected linear mapping image

由圖6可知，線測圖強反射特征明顯，其中：0～50 cm的波形較為均勻，同相軸多為水平狀、少數為傾斜狀。然而，50～70 cm深度范圍內存在較為明顯的電磁損耗，這是因為模型填土的含水率調配完畢后即進行壓實處理并埋置傳感器以測量相對介電常數，而此時模型填土已經靜置了24 h，填土中的水受重力影響會下滲至填土的底部，因此導致探測時底部的含水率相對更大，從而填土底部出現電磁損耗現象，但這一局部現象并不影響填土整體的波形特征。

圖7為該含水率范圍內的典型頻譜圖像，可見：最大歸一化振幅接近于1.0，頻譜能量分散，主頻不突出，但小于200 MHz。這是由于電磁損耗較弱，入射電磁子波經不斷反射和折射后，雖然其頻率發生了改變，但是其能量并未衰減至堙沒，因而仍能被天線所接收從而表現為多頻率分布。

圖7 典型頻譜Fig.7 Typical frequency spectrum

4.2 32%<ω時的波形與頻譜特征

電磁反射并非隨著ω的增長而無限增強：當ω>32%時，電磁損耗增強，反射反而變弱，線測圖表現為典型的“雪花狀”特征，點測圖表現為典型的“類直線狀”特征，頻譜能量集中且主頻分布范圍為20～65 MHz，低頻特征明顯。

圖8～圖9為典型的線測圖像弱反射特征，其中：圖8為ω=32%時現場探測所得圖像，圖9為ω=37%時模型探測所得圖像。

圖8 現場探測所得線測圖(ω=32%)Fig.8 Field detected linear mapping image(ω=32%)

由圖8可知，電磁損耗較大，弱反射特征明顯，1.5 m深度范圍內的波形較為均勻且多為水平狀同相軸，但是波形明顯模糊不清；從1.5 m深度開始出現了“雪花狀”模糊信號特征，從2.7 m深度處已經無法分辨反射回波的同相軸信號，難以對填土狀況進行分析判斷，也就直接影響了對填土內部的壓實狀況進行預報。

圖9表明：電磁波在全深度范圍內損耗嚴重，即便在模型填土的表層(10 cm范圍內)，依然無法對波形進行識別，存在大面積“雪花狀”模糊信號，這表明此時已經無法采用地質雷達對路基內部進行預報分析，也就表明此時地質雷達探測已經失效。

圖9 模型探測所得線測圖(ω=37%)Fig.9 Model detected linear mapping image (ω=37%)

圖10所示為ω=37%時模型探測所得點測圖像，可見反射很弱，波形具有典型的“類直線狀”特征，與上述線測圖像一致反映了電磁波產生了嚴重的能量損耗。圖中標記部分是電磁波從空氣進入填土表面時產生的反射，與填土內部反射無關，要注意區別。

圖10 模型探測所得點測圖(ω=37%)Fig.10 Model detected point mapping image(ω=37%)

這種能量損耗，正是在高含水率條件下，可溶性硫酸鹽具有較高的溶解度，導致填土中的游離離子濃度增加，增強了填土的電導率而極大地提高了土顆粒的電磁極化強度，從而導致入射電磁波的能量被迅速吸收損耗[17]。

圖11～12分別為ω=32%時現場探測所得頻譜圖像和ω=37%時模型探測所得頻譜圖像。可見頻譜能量集中，低頻特征明顯且含水率越大主頻越低，主頻分布范圍為20～65 MHz。

圖11 現場探測所得典型頻譜(ω=32%)Fig.11 Field detected typical frequency spectrum (ω=32%)

圖12 現場探測所得典型頻譜(ω=37%)Fig.12 Field detected typical frequency spectrum 12 (ω=37%)

由此可見，高含水率本身及由其引起的游離離子濃度的提高是導致低頻現象的關鍵貢獻因素。上述研究結果與理論分析基本一致，說明了現場探測和模型探測分析所得結果的有效性和歸類分析的正確性。

將上述粗粒弱硫酸鹽漬土的波形與頻譜特征進行歸納，如表3所示。

表3 特征歸納Tab.3 Property summary

注：表中ω表示體積含水率。

需要說明的是，受限于依托工程現場探測，本研究僅針對正溫條件下的波形與頻譜特征開展分析研究。事實上，在負溫條件下，鹽漬土中的自由水可能會結冰，受豎直埋深方向溫度梯度的影響，填土內部的水并不完全以冰或者液態水的形式存在，而是冰-水共生、冰-土膠結共生。在這種情況下，鹽漬土內部的組成成分變得更加復雜，土顆粒的電磁極化和整體的電導率變化規律將與正溫條件下不同，由此導致其波形與頻譜特征與正溫條件下不同，這也是作者接下來需要繼續完成的重要工作。

5 結論

本研究以新疆若羌縣-尉犁縣省道拓寬工程為依托，基于理論分析、現場探測和模型試驗對正溫條件下粗粒弱硫酸鹽漬土的波形與頻譜特征進行了分析，結論如下：

(1)在正溫條件下，填土內部的水以自由水形式存在，不但會直接增強土層的電導率，還可增強可溶性硫酸鹽的溶解度而增強游離離子的濃度以間接增強土層的電導率。

(2)隨著含水率的提高，電磁反射的強度屬于有限增強，存在一個臨界含水率，即：32%，超過該含水率時電磁反射強度會持續減弱。

(3)當8%<ω<27%時，反射強度隨含水率增大而增強，頻譜能量分散，主頻不突出但小于200 MHz；當ω>32%時，電磁損耗顯著加劇，線測圖表現為典型的“雪花狀”特征，點測圖表現為典型的“類直線狀”特征，頻譜能量集中，分布范圍為20～65 MHz，低頻特征明顯。