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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳信龍
論文名稱:步進式高頻地質雷達於道路檢測之模擬與研究
論文名稱(外文):Model Test and Study in Road Testing with Stepped-FrequencyGeoradar at High Frequencies
指導教授:江健仲
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:156
中文關鍵詞:透地雷達
相關次數:
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步進式地質雷達(stepped-frequency georadar)是利用發射高頻電磁波,並由接收天線接收反射回波的訊號來探測地下狀況。由於地質雷達檢測是非破壞性的、可不接觸路面以快速施測,故非常適合發展為自動化路面的檢測技術。本研究的主要目的,在於探求剛性及柔性路面之厚度及裂隙與空洞之可能位置,以及地下水位探測的可能性。
砂箱模型試驗中,得知當砂中含水量大於5﹪時即可由雷達探測得知,含水量越高則其界面越明顯,在水位面上的反射回波尤其明顯。
混凝土版試驗中,於表面裂縫探查時,當裂縫長度越長時,混凝土底部所形成弧形越彎曲,於內部裂縫探查時,混凝土底部亦形成弧形,但其受底部裂縫開裂長度影響較表面裂縫來得小,於混凝土版底部以下的多道反射層在雙程走時(8.5ns)處常有斷開現象且位於裂縫正下方。
現地探測混凝土樓地板時,由於情形較為複雜,且未能驗證實際樓地板底部開裂情形及內部之真實情況,故只能根據模型試驗結果推測裂縫及孔洞位置。其中表面裂縫之反應型態,與模型試驗中表面裂縫的探測結果最為相似,於混凝土版底部會形成上凸的弧形。
Stepped-frequency georadar radiates electromagnetic waves into ground to obtain the underground information , from the backscattered signal received by the receiver antenna . Because of the nondestructive feature and rapid measurement of the georardar, it is suitable to be developed for automatic pavement detection. This thesis was to detect the thickness of the rigid and flexible pavement, the position of cracks and cavities, and the ground water table.
In the sand box model tests , we found that when the water content was over 5﹪,we could detect an interface from the reflection wave of georadar. The interface become clearer when the water content went up, especially in the presence of ground water table .
In the concrete-block model tests, when the cracks become deeper, the bottom responses of the concrete block become more crooked for the surface cracks detection. As the internal crack detection, the bottom responses of the concrete block also become crooked at the position of cracks, but the influence was slighter. The multiple reflection (at 8.5ns) below the bottom responses of concrete was broken at the position of internal cracks.
In the field tests of detect the concrete floor, the condition is more complex. It was hard to know the exact situation inside the concrete floor so we compared the results of field tests with the results of model tests. The field responses of surface cracks were most similar to the results of model tests.
目 錄
中文摘要……………………………………………………….………………………i
英文摘要………………………………………………………………….…………ii
致謝…………………………………………………………………………………iii
目錄………………………………………………………………………………iv
表目錄………………………………………………………………………………v
圖目錄………………………………………………………………………………ix
照片目錄……………………………………………………..……………………… x
符號說明 ………………………………………………………………………xi
第一章緒論
1.1前言 ………………………………………………………………………… 1
1.2研究動機 …………………………………………………………………… 1
1.3研究目的及內容 …………………………………………………………… 2
第二章 文獻回顧
2.1 透地雷達之發展 ………………………………………………………………3
2.2 地質雷達系統簡介 ……………………………………………………………4
2.3 文獻回顧 ………………………………………………………………………5
2.3.1 地質雷達應用於管線、洞穴之調查 …………………………………5
2.3.2地質雷達應用於地下水及土層構造之調查………………………… 12
2.3.3地質雷達於混凝土及道路工程之應用 ………………………………17
第三章 地質雷達相關理論
3.1 電磁波基本概念………………………… ……………………………………26
3.2 Maxwell方程式...………………………………………………………………29
3.3 地層電性參數………………………………………………………………… 31
3.3.1相對介電常數 ………………………………………………………… 31
3.3.2反射係數 ………………………………………………………………34
3.3.3反射能量的帶寬 ………………………………………………………34
3.4 天線頻率的影響……………………………………………………………… 36
3.4.1頻率與電流密度的關係……………………………………………… 36
3.4.2頻率與電磁波速的關係 ……………………………………………… 37
3.4.3衰減係數與頻率的關係 ……………………………………………… 38
3.5 地質雷達探測的方式………………………………………………………… 39
3.6 地質雷達探測深度的影響因子……………………………………………… 43
3.7 雷達方程式…………………………………………………………………… 44
3.8 電磁波訊號的品質…………………………………………………………… 46
3.9 使用儀器介紹………………………………………………………………… 47
3.10步進式地質雷達簡介………………………………………………………… 51
第四章 試驗方法與結果
4.1前言 …………………………………………………………………………… 53
4.2地質雷達的探測計劃 ………………………………………………………… 53
4.2.1 地質雷達探測計劃考量…….…………………………………… 53
4.2.2地質雷達探測作業程序………………………………………… 54
4.2.3 儀器操作步驟……………………………………………………… 56
4.2.4 面臨的問題與解決的方法…………………………………………… 58
4.3 模型砂箱試驗………………………………………………………………… 62
4.3.1 含水量變化的影響 ………………………………………………… 64
4.3.2 深度的判定 ………………………………………………………… 73
4.3.3 地下水位的探測模擬………………………………………………… 76
4.4混凝土版模型試驗 ……………………………………………………………86
4.4.1混凝土版含孔洞及表面裂縫探測…………………………………… 86
4.4.2混凝土版內部孔洞及底部裂縫探測…………………………………99
4.4.3混凝土版底部的確認與底部鋼材之影響…………………………109
4.4.4混凝土版表面裂縫內填砂的影響…………………………………113
4.4.5保麗龍版與空氣層的差異……………………………………………117
4.4.6 混凝土版厚度與波速的判定 ……………………………………… 124
4.4.7孔洞位置上的背景訊號處理 ……………………………………… .128
4.5現地試驗………………………………………………………………………130
4.5.1路旁水溝蓋版探測……………………………………………………130
4.5.2營建系新試驗館地板檢測……………………………………………134
4.5.3校內AC路面檢測………………………………………………………144
第五章結論與建議
5.1結論……………………………………………………………………………149
5.2建議……………………………………………………………………………150
參考文獻…………………………………………………………………………152
作者簡歷…………………………………………………………………………155
表目錄
表2.2.1國內各大學相關研究方向及使用系統表………………………………….4
表2.3.1舖面探測所需參數表………………………………………………………18
表2.3.2橋樑探測所需參數表……………………………………...……………….18
表3.3.1電磁波於各種介質中常見的電性參數……………………………………32
表3.3.2 各種介質中常見的反射係數…….………………………….………………34
圖目錄
圖2.3.1 水深2.13m游泳池未埋管之探測結果…………………………………6
圖2.3.2 外徑3cm金屬管,外徑8.5cm硬塑膠管之探測結果.. ……………………..6
圖2.3.3 水平斷落板(小斷層)雷達圖………………………………………..……..7
圖2.3.4 非金屬水平板雷達圖…………………………………………………..….….7
圖2.3.5 排水混凝土管實際圖…………………………………….………………..…..8
圖2.3.6 排水混凝土管之探測結果………………………………………….…….…..8
圖2.3.7 單一水泥排水管:雲林科技大學測區與測線斷面示意圖……..…………10
圖2.3.8 外徑30cm水泥管,埋深約0.4~0.6cm(IF分別為250 Hz與3700Hz)
之探測結果…………………….……………………….…………….…………..11
圖2.3.9 永安地區地質雷達施測影像圖與試驗地點示意圖…………………..……13
圖2.3.10長老會雷達探測圖……………………………………………………….….14
圖2.3.11襄陽城南峴山一土體滑坡劃分出五個層面的雷達探測圖…………….….15
圖2.3.12(a)黃河土提裂縫探測雷達圖………………………………………………16
圖2.3.12(b)黃河土提孔洞模擬探測雷達圖………………………………….….…..17
圖2.3.13(a)台南市勝利路人行地下道概略設計圖….……….………….………….19
圖2.3.13(b)台南市勝利路人行地下道探測結果…………………..………………..19
圖2.3.14(a)錢塘江護堤之拋石舖蓋層,丁字壩體表面雷達探測圖………………20
圖2.4.14(b)丁字壩體表面雷達探測結果判釋圖………………………..…………20
圖2.3.15深圳深南大道福田公路雷達探測圖…………………….………………….21
圖 2.3.15國立中央大學試驗場舖面現場施測狀況與測線分佈圖………………….22
圖2.3.16測線12002A雷達探測剖面…………………………………………………23
圖2.3.17(a)桃園中正機場跑道測線位置圖…………………….………………….25
圖2.3.17(b)桃園中正機場跑道測線 9005m 雷達剖面圖………………………...25
圖3.1.1電磁波波譜應用分類圖……………………….…..…………………………27
圖3.1.2波能量反射及繞射圖…………………………….…….…....……………….28
圖3.1.3波能量繞射現象圖………………………………….…..………..…………..28
圖3.2.1於自由空間傳播的電磁波…………………………..……………….……....30
圖3.3.1沉積層土壤之相對介電常數與孔隙率之關係圖………..……………….....33
圖3.3.1天線發射至目的體示意圖…………………………………………………….35
圖3.3.2第一夫瑞奈帶示意圖………………………………………………………….35
圖3.4.1電流密度與頻率關係圖………………………………………….…….…..….36
圖3.4.2電磁波波速與頻率關係圖……………………….……………………………37
圖3.4.3衰減係數與頻率關係圖………………….………………………….…..38
圖3.5.1等支距施測法及同中點施測法…….………………………….……………..40
圖3.5.2反射波形之幾何關係圖……………………………….…..………………….42
圖3.6.1不同頻率與不同介質之探測深度的關係圖………..…….…………….……43
圖3.7.1雷達方程式流程圖………………………….………...………………………45
圖3.9.1 NGI地質雷達系統圖…………………………………………………………48
圖3.9.2 Aquisition部分……………………………………………………………..49
圖3.9.3 Replay部分……………..………………………………………….…………49
圖3.9.4 Setup 部分……………………………………………………..……………50
圖3.9.5 Misc部分…………………………..…………………………………………50
圖4.2.1地質雷達計畫考量系統圖……………….……………………………...……53
圖4.2.2 NGI地質雷達施作流程圖………………………………...………………….55
圖4.2.3 NGI地質雷達操作流程圖……………………………..…………………….57
圖4.2.4(a)混凝土版雷達探測Greyscale圖
(施測時天線與混凝土間加厚紙板)…………………………………...……..….59
圖4.2.4(b)混凝土版雷達探測Greyscale圖(施測時天線與混凝土面接觸)……59
圖4.2.5(a)trace number 總數107之混凝土版雷達探測Wiggle圖……….……60
圖4.2.5(b)trace number總數189之混凝土版雷達探測Wiggle圖…………….60
圖4.2.6 各種反射示意圖…………………………………….……………………….61
圖4.2.7多重反射層明顯時造成的影響圖……………………………………………61
圖4.3.1試驗用砂之粒徑分佈曲線圖……….………….…...………….……………..62
圖4.3.2(a)施測示意圖 ……………………………….…………………….…...…63
圖4.3.2(b)管線埋設圖 ….………………….……………………………..……….63
圖4.3.2(c)純砂中之波速設定為0.1m/ns之雙程走時圖…………………….…….63
圖4.3.2(d)純砂中之波速為設定0.15m/ns之雙程走時圖 .. ……………...………63
圖4.3.3純砂中有無埋管(管中填滿乾砂)探測結果比較圖………………………64
圖4.3.4 埋深5cm 之PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm)不同含水量施測結果……..67
圖4.3.5埋深5cm之PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm),內裝不同含水
量之濕砂與純砂之單一描線比較圖……….………………………….…..…….68
圖4.3.6埋深10cm 之PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm)不同含水量施測結果……69
圖4.3.7埋深10cm之PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm),內裝不同含水
量之濕砂與純砂之單一描線比較……………….………………………….…...70
圖4.3.8埋深15cm 之 PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm)不同含水量施測結果……71
圖4.3.9埋深15cm之PVC管(外徑7.4cm、壁厚0.2cm),內裝不同含水量
之濕砂與純砂之單一描線比較……………….…………………….…………...72
圖4.3.10 PVC空管埋深5cm、10cm、15cm之探測結果……………………………….74
圖4.3.11 PVC管不同埋深與純砂的單一描線比較圖………………………………..75
圖4.3.12水位探測模型施測示意………………………………………………….….76
圖4.3.13濕砂側加舖1cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖………….…….…………....79
圖4.3.14濕砂側加舖3cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖……………….…….………80
圖4.3.15濕砂側加舖5cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖………….…..…………..….81
圖4.3.16濕砂側加舖7cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖…..…….…………………...82
圖4.3.17濕砂側加舖9cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖……….…………………….83
圖4.3.18濕砂側加舖11cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖……..………...………….. 84
圖4.3.19濕砂側加舖13cm乾砂Wiggle圖與單一描線圖…..…….………………….85
圖4.4.1混凝土版試體(含孔洞及表面裂縫)示意圖及俯視圖……………………86
圖4.4.2混凝土版中無裂縫及孔洞處定點施測Wiggle & trace 圖………………….88
圖4.4.3混凝土版-測線1施測雷達圖與剖面圖…………………………………..…89
圖4.4.4混凝土版-測線1單一trace圖……………………………………………....90
圖4.4.5混凝土版-測線2施測雷達圖與剖面圖……………………………………...91
圖4.4.6混凝土版-測線2單一trace圖……………….……………………………….92
圖4.4.7混凝土版-測線3施測雷達圖與剖面圖……………………………………....93
圖4.4.8混凝土版-測線3單一trace圖………………………….…………………….94
圖4.4.9混凝土版-測線4施測雷達圖與剖面圖………………….………………..….95
圖4.4.10混凝土版-測線4單一trace圖……………………………………………...96
圖4.4.11裂縫正上施測 Wiggle圖(IF 3700Hz)………………………………..…97
圖4.4.12測線5、6、7 trace number 55 的trace圖………………………………....98
圖4.4.13含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線1雷達圖與剖面圖….…….…………..101
圖4.4.14含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線1單一trace圖……………..………....102
圖4.4.13含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線2雷達圖與剖面圖………..…………..103
圖4.4.16含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線2單一trace圖……………..……..…..104
圖4.4.14含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線3雷達圖與剖面圖……………………105
圖4.4.18含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線3單一trace圖………………………..106
圖4.4.19含底部裂縫及孔洞混凝土版-裂縫正上方施測Wiggle圖………………..107
圖4.4.20含底部裂縫及孔洞混凝土版-測線5、6、7單一trace圖……………….108
圖4.4.21(a)混凝土版正面版底舖鋼板-測線3 Wiggle圖(IF 3700Hz)………...…..110
圖4.4.21(b)混凝土版版底舖鋼板-測線3 Greyscale圖(IF 3700Hz)…..….……..110
圖4.4.21(c)混凝土版-測線3 Wiggle圖(IF 3700Hz)……………………..…..110
圖4.4.21(d)混凝土版正面-測線3 Greyscale圖(IF 3700Hz)……………..…..110
圖4.4.22混凝土版底部放置八號筋-測線3雷達圖與剖面圖………………..……112
圖4.4.23(a)混凝土版底部放置八號筋-測線1 Wiggle圖(IF 250Hz)……………..112
圖4.4.23(b)混凝土版底部放置八號筋-測線1 Greyscale圖(IF 250Hz).………….112
圖4.4.23(c)混凝土版-測線1 Wiggle圖(IF250Hz)…………………….……….…..112
圖4.4.23(d)混凝土版-測線1 Greyscale圖(IF250Hz)……………….………..……112
圖4.4.24混凝土版表面裂縫填砂-測線1剖面圖與雷達圖…………………..……..114
圖4.4.25混凝土版表面裂縫填砂-測線1單一trace圖 ………………….…….…..115
圖4.4.26混凝土版表面裂縫填砂-測線2剖面圖與雷達圖……………..……….….116
圖4.4.27保麗龍版位置示意圖………….……………………………………….…..117
圖4.4.28保麗龍版挖除前後-測線3雷達圖及描線圖………………….……..……118
圖4.4.29保麗龍版挖除前後-測線4雷達圖及描線圖………….……………….….119
圖4.4.30保麗龍版與空氣層的比較雷達圖…………………….………………..….123
圖4.4.31新灌混凝土版定點與移動施測Wiggle圖與單一描線圖………………..127
圖4.4.32訊號處理前後比較圖……………………………………………………....129
圖4.5.1水溝蓋版施測俯視圖……………………………………………….………130
圖4.5.2測線1 Wiggle圖與單一trace圖…………………………………….……..132
圖4.5.3測線2施測結果與單一trace圖…………………………………..……….133
圖4.5.4試驗館施測區域平面圖與測線示意圖……………………………….……136
圖4.5.5營建工程試驗館一樓地板測線1施測雷達圖與trace圖………….……...137
圖4.5.6營建工程試驗館一樓地板測線2施測雷達圖與trace圖…………………138
圖4.5.7營建工程試驗館一樓地板測線3施測雷達圖與trace圖……………..…..139
圖4.5.8營建工程試驗館一樓地板測線4施測雷達圖與trace圖…………………140
圖4.5.9營建工程試驗館一樓地板測線5施測雷達圖與trace圖…………..…….141
圖4.5.10營建工程試驗館一樓地板測線6施測雷達圖與trace圖…………..……..142
圖4.5.11營建工程試驗館一樓地板測線7施測雷達圖與trace圖……………..…..143
圖4.5.12柔性舖面典型斷面示意圖……………….……………………………..….144
圖4.5.13測線分布示意圖………………….…………………………………...……144
圖4.5.14瀝青混凝土路面-測線1施測結果…….……………………………….…146
圖4.5.15瀝青混凝土路面-測線2施測結果………………………………………..147
圖4.5.16瀝青混凝土路面-測線3施測結果……………………………………..…148
照片目錄
照片1新灌混凝土塊澆置完成狀況. ……….………………………………….…..122
照片2新灌混凝土塊拆模後狀況…. ……….………………………………….…..122
符號說明
C : 光速(speed of light) (m/ns)
¦ : 頻率(frequency) (MHz)
w : 角頻率(angular frequency) (rad/sec)
E : 電場強度(electric field intensity) (V/m)
H : 磁場強度(magnetic field intensity) (A/m)
e : 容電率(permittivity) (F/m)
m : 導磁率(permeability) (H/m)
er : 相對界電常數(relative dielectric constant)
r : 電阻率(resisttivity) (Ω/m)
s : 導電度(conductivity) (S/m)
a : 衰減係數(attenuation constant) (Np/m)
b : 相位常數(phase constant) (rad/m)
qv : 體積含水量(volumetric water content)
R : 反射係數(reflection coefficient)
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