【摘要】：當今社會,交通在國民經濟中占據著非常重要的地位,而混凝土是道路建設中應用最廣泛的材料之一。大規(guī)模的公路建設完成后,伴隨而來的是運營期間的病害治理,而路面積水、塌陷等是影響道路安全最常見的危害。國內外調查研究報到表明,有一定比例的道路,由于滲、漏水及塌陷等病害,對道路交通有嚴重的威脅,縮小了道路的維護周期和使用壽命,并且影響交通質量。探地雷達無損檢測技術由于抗干擾能力強、使用方便、檢測速度快、分辨率高、非破壞性等優(yōu)點,廣泛地應用于地下工程領域。探地雷達主要對采集的數據進行預處理,然后通過人工分析進行識別,判定地下目標體的大小、深度和方位等特征參數。本文的理論基礎是電磁波在有損耗且色散媒質中的傳播規(guī)則,采用探地雷達無損檢測技術測得實驗制混凝土的介電常數,建立與混凝土內部結構和測量數據相符的數學模型。由于差分進化算法可處理復雜的實際優(yōu)化問題、并行性、魯棒性、自適應性以及易與其它算法結合等優(yōu)點,故將其應用到所建模型中的參數優(yōu)化。時域有限差分方法是應用Yee元胞的空間網格模型,利用中心差商替代微商,將空間連續(xù)變量離散化,把電磁場進行規(guī)約化,得到二維空間上的時域有限差分方程。在給定初始值和邊界條件后,本文選擇吸收效果較好的完全匹配層吸收邊界,應用時域有限差分方法求解高頻電磁波在混凝土中傳播的麥克斯韋方程。麥克斯韋方程概括了宏觀電磁場的基本性質,它揭示了電場與磁場之間,以及電磁場與電荷、電流之間的相互關系,是一切宏觀電磁現(xiàn)象所遵循的普遍規(guī)律。本文通過軟件GprMax正演數值模擬了實際交通中頻繁出現(xiàn)的混凝土空洞、積水、鋼筋變形及坍塌等災害現(xiàn)象,并驗證方程解的正確性。數值模擬結果表明:(1)本文建立的關于混凝土特征參數的數學模型是有效的,并且符合混凝土自身結構特征及觀測數據;(2)應用差分進化算法優(yōu)化模型中的參數是有效的,差分進化算法的Matlab編程是可行的;(3)利用時域有限差分方法求得麥克斯韋方程的數值解是可靠的;(4)應用軟件GprMax模擬高頻電磁波在混凝土媒質中的傳播,雷達剖面圖能夠準確地定位埋藏物的位置、分界面反射波的特征以及空洞、水泡和鋼筋等埋藏物反射的強弱。
[Abstract]:Nowadays, traffic occupies a very important position in the national economy, and concrete is one of the most widely used materials in road construction. After the completion of large-scale highway construction, it is accompanied by disease management during the operation period, and the road surface water accumulation and collapse are the most common hazards affecting road safety. The investigation and research at home and abroad show that there is a certain proportion of roads, due to seepage, water leakage and collapse and other diseases, there is a serious threat to road traffic, reduce the maintenance cycle and service life of roads, and affect the quality of traffic. Non-destructive testing technology of ground penetrating radar is widely used in underground engineering field because of its strong anti-jamming ability, convenient use, high detection speed, high resolution, non-destructive and so on. Ground penetrating radar (GPR) mainly preprocesses the collected data and then identifies them by manual analysis to determine the characteristic parameters such as size depth and azimuth of underground objects. The theory of this paper is based on the propagation rules of electromagnetic waves in lossy and dispersive media. The dielectric constant of concrete is measured by using ground-penetrating radar nondestructive testing technique, and a mathematical model consistent with the internal structure of concrete and the measured data is established. Because differential evolution algorithm can deal with complex practical optimization problems, parallelism, robustness, adaptability and easy combination with other algorithms, it is applied to the parameter optimization of the model. The finite-difference time-domain (FDTD) method applies Yee cell's spatial grid model to discretize the spatial continuous variables and normalize the electromagnetic field by using the center difference quotient instead of the differential quotient. The finite-difference time-domain equations in two-dimensional space are obtained by using the finite-difference time-domain (FDTD) method. Given the initial values and the boundary conditions, a perfectly matched layer absorbing boundary is chosen, and the Maxwell equation of high frequency electromagnetic wave propagation in concrete is solved by using the finite difference time-domain method. Maxwell's equation summarizes the basic properties of the macroscopic electromagnetic field, which reveals the relationship between the electric field and the magnetic field, as well as between the electromagnetic field and the charge and the current, which is the universal rule followed by all the macroscopic electromagnetic phenomena. In this paper, through the software GprMax forward numerical simulation, the frequent occurrence of concrete cavities, water accumulation, steel bar deformation and collapse in actual traffic are simulated, and the correctness of the equation solution is verified. The numerical simulation results show that: (1) the mathematical model of concrete characteristic parameters established in this paper is effective and accords with the concrete structural characteristics and observed data; (2) the differential evolution algorithm is used to optimize the parameters in the model. The Matlab programming of differential evolution algorithm is feasible. (3) it is reliable to obtain the numerical solution of Maxwell equation by using finite difference time domain method. (4) the software GprMax is used to simulate the propagation of high frequency electromagnetic wave in concrete medium. Radar profiles can accurately locate the location of buried objects, the characteristics of the reflected waves at the interface, and the reflection of holes, blisters and steel bars.
【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U414;TP18

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本文編號：2137179