【摘要】：近年來(lái),隧道及地下工程的發(fā)展越來(lái)越快,其面臨的地形、地質(zhì)條件以及探測(cè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,給地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)及解譯帶來(lái)困難。針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)正演模擬開(kāi)展了理論研究與物理試驗(yàn),本文主要研究工作如下：(1)利用MATLAB開(kāi)發(fā)了基于時(shí)域有限差分(FDTD)的二維TM波GPR探測(cè)正演計(jì)算軟件。該軟件從FDTD的三大要素(差分格式、解的穩(wěn)定性、吸收邊界條件)出發(fā),利用二階精度的中心差分近似把麥克斯韋旋度方程中的微分算符直接轉(zhuǎn)化為差分形式,轉(zhuǎn)化成地質(zhì)雷達(dá)正演模擬的時(shí)域有限差分方程。同時(shí),在數(shù)值穩(wěn)定性條件和理想色散關(guān)系的基礎(chǔ)上,計(jì)算出合理的時(shí)間采樣間隔和空間離散間隔,并利用二維Yee元胞對(duì)正演模型進(jìn)行網(wǎng)格的剖分,并且對(duì)每個(gè)網(wǎng)格設(shè)置對(duì)應(yīng)的正演模型電性參數(shù)。但是由于受到計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存空間的限制,FDTD的計(jì)算模型大小是固定的、有限的,在FDTD計(jì)算中計(jì)算機(jī)無(wú)法模擬一個(gè)無(wú)限大的計(jì)算區(qū)域,因此,為了更好的模擬GPR探測(cè)發(fā)射的電磁波在無(wú)限大開(kāi)域中的傳播過(guò)程,加入了完全匹配層(Perfectly Matched Layer,PML)吸收邊界條件。(2)利用C#開(kāi)發(fā)了基于圖像識(shí)別技術(shù)的GPR探測(cè)正演建模軟件。該軟件集成讀取正演模型圖像、介質(zhì)參數(shù)賦值以及建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸出的功能,可以讀取利用任何畫圖軟件畫好的正演模型圖像,對(duì)模型圖像的不同顏色進(jìn)行介質(zhì)參數(shù)賦值,并轉(zhuǎn)換成正演模型數(shù)據(jù)文件,供GPR探測(cè)正演計(jì)算軟件運(yùn)算使用,有效的簡(jiǎn)化了正演建模過(guò)程。(3)利用該GPR探測(cè)正演模擬軟件的動(dòng)態(tài)顯示模塊,通過(guò)動(dòng)態(tài)輸出連續(xù)時(shí)刻的場(chǎng)值分布圖像,模擬GPR探測(cè)發(fā)射的電磁波在地下介質(zhì)中的傳播過(guò)程,便于更形象的了解和分析GPR探測(cè)中電磁波傳播過(guò)程和規(guī)律。(4)利用該GPR探測(cè)正演模擬軟件針對(duì)隧道及地下工程中的典型不良地質(zhì)體(溶洞、斷層)、典型結(jié)構(gòu)物(鋼筋、鋼拱架)、典型分界面(層狀、階梯狀、溝渠狀)模型分別進(jìn)行了正演模擬,模擬得到對(duì)應(yīng)的GPR探測(cè)正演模擬結(jié)果,同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比與分析。(5)針對(duì)隧道及地下工程中的典型不良地質(zhì)體和典型結(jié)構(gòu)物,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的GPR探測(cè)物理試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)GPR探測(cè)物理試驗(yàn)的探測(cè)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值正演模擬結(jié)果基本一致,二者互相驗(yàn)證,對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)解譯提供了較可靠的依據(jù)。(6)總結(jié)了隧道及地下工程中典型目標(biāo)體的判斷準(zhǔn)則,并在實(shí)際施工中應(yīng)用,并證明判斷準(zhǔn)則是正確可靠的。
[Abstract]:In recent years, the tunnel and underground engineering are developing more and more rapidly. The topography, geological conditions and exploration environment are becoming more and more complex, which brings difficulties to the detection and interpretation of GPR. In order to solve the above problems, theoretical research and physical experiments are carried out on the forward modeling of GPR detection. The main research work in this paper is as follows: (1) the forward modeling software of two-dimensional TM wave GPR detection based on finite-difference time-domain (FDTD) is developed by using MATLAB. Based on the three elements of FDTD (difference scheme, stability of solution, absorbing boundary condition), the differential operator in Maxwell's curl equation is directly transformed into difference form by using the second-order precision central difference approximation. The finite difference time domain (FDTD) equation is transformed into the forward modeling of GPR. At the same time, on the basis of numerical stability condition and ideal dispersion relation, reasonable time sampling interval and spatial discrete interval are calculated, and the forward model is meshed by two-dimensional Yee cell. And the corresponding forward model electrical parameters are set for each grid. However, due to the limitation of computer storage space, the size of FDTD's computing model is fixed and finite, so the computer can not simulate an infinite computing area in FDTD computing. In order to better simulate the propagation of electromagnetic waves emitted by GPR in infinite open domain, a perfectly matched layer (Perfectly Matched Layer, is added. (2) A forward modeling software for GPR detection based on image recognition technology is developed by using C #. The software integrates the functions of reading forward model images, assigning medium parameters and transforming and outputting modeling data. It can read forward model images drawn by any drawing software and assign medium parameters to different colors of model images. The data file is converted into forward modeling data file, which can be used for the calculation of forward modeling software of GPR detection, which simplifies the modeling process effectively. (3) the dynamic display module of the forward modeling software using the GPR probe forward simulation software. By dynamically outputting the field value distribution image at continuous time, the propagation process of electromagnetic wave transmitted by GPR in underground medium is simulated. It is convenient to understand and analyze the electromagnetic wave propagation process and law in GPR detection more vividly. (4) the forward modeling software of GPR detection is used for typical bad geological bodies (caverns, faults) and typical structures (reinforced bar) in tunnel and underground engineering. In steel arch frame, the typical interface (layered, stepped, channel) models are simulated respectively, and the corresponding forward simulation results of GPR detection are obtained. At the same time, the results are compared and analyzed. (5) aiming at the typical bad geological bodies and typical structures in tunnel and underground engineering, the corresponding physical experiments of GPR detection are designed. It is found that the test results of GPR exploration physics experiment are basically consistent with the numerical forward simulation results, and both of them verify each other. It provides a reliable basis for the interpretation of the data detected by the GPR. (6) the judgment criteria of typical target bodies in tunnel and underground engineering are summarized and applied in practical construction, and it is proved that the criterion is correct and reliable.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU91

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本文編號(hào)：2424873