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文檔簡(jiǎn)介
巖土工程測(cè)試專題之三,工程雷達(dá)檢測(cè)技術(shù),1.1概述,工程檢測(cè)中的雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興檢測(cè)技術(shù),屬于脈沖時(shí)域探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域(Ground-Penetrating-Radar,GPR),正弦電磁波的傳播特征是工程雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。用頻率102000MHz的寬頻脈沖電磁波來(lái)確定工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件介質(zhì)分布的一種電磁波方法。雷達(dá)天線由接收、發(fā)射兩部分組成,電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨通過(guò)介質(zhì)的電性和幾何形態(tài)而變化,根據(jù)反射波的時(shí)間、幅度與波形資料推斷工程介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分布。,2,1.1.1工程雷達(dá)檢測(cè)特點(diǎn),同為利用電磁波的反射原理探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)技術(shù),工程雷達(dá)區(qū)別于探空雷達(dá)的主要特點(diǎn):探空雷達(dá)是在無(wú)耗介質(zhì)中傳播,探地雷達(dá)探測(cè)的是在有耗介質(zhì)中傳播;探空雷達(dá)目標(biāo)體一般為金屬體,目標(biāo)回波能量大,工程雷達(dá)目標(biāo)體大多為非金屬體,與周圍介質(zhì)差異小,回波能量小。工程雷達(dá)與通用探地雷達(dá)也有所區(qū)別,要求探測(cè)深度相對(duì)較淺、精度和分辨率相對(duì)較高,探測(cè)目標(biāo)一類為金屬體(鋼筋、管線等);一類為非金屬體(工程介質(zhì)分層厚度及隱患),3,相對(duì)于工程中常用的其它無(wú)損檢測(cè)方法,具獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn):,使用不同天線頻率,可實(shí)現(xiàn)幾厘米到幾米的不同探測(cè)深度;改變天線中心頻率和頻帶寬度,可實(shí)現(xiàn)不同分辨率的檢測(cè);無(wú)接觸式掃描檢測(cè),速度快,可進(jìn)行大面積快速連續(xù)檢測(cè);可穿透介質(zhì)中的空隙探測(cè)到內(nèi)部質(zhì)量情況,可對(duì)有裝修層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè);可探測(cè)鋼筋等金屬體分布,也可探測(cè)孔洞裂隙等非金屬介質(zhì)差異;雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可二維切片圖或三維立體顯示。,4,1.1.2工程雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用,探測(cè)地下管網(wǎng)(水、電、油氣、熱);路面、機(jī)場(chǎng)跑道分層厚度,地基脫空、回填欠實(shí),地下水滲漏;隧道襯砌厚度、圍巖擾動(dòng)、脫空與空洞;橋梁或混凝土建筑中的鋼筋分布,孔洞、疏松、裂縫、剝離層等缺陷的位置與范圍。,5,1.2工程雷達(dá)檢測(cè)原理,1.2.1工程介質(zhì)中電磁波的傳播麥克斯韋(Maxwell)方程是研究電磁波傳播的基礎(chǔ)。大多數(shù)復(fù)雜形式的電磁波都可以近似成平面波的疊加。有耗介質(zhì)中,電磁波傳播的一維波動(dòng)方程(假設(shè)沿z軸方向傳播):,式中:E電場(chǎng)強(qiáng)度-介質(zhì)絕對(duì)介電常數(shù)-介質(zhì)絕對(duì)磁導(dǎo)率,6,水平極化電磁波,電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和波矢量K三者互相垂直。介質(zhì)中傳播的電磁波在數(shù)學(xué)上可表示為:其中,E0、H0為場(chǎng)源電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度;E、H為距場(chǎng)源距r點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,ejkr稱為基本波函數(shù);傳播常數(shù)k是一個(gè)復(fù)數(shù),k=+j;、為相位系數(shù)和吸收系數(shù)。,7,吸收系數(shù),式中:電磁波角頻率(2f);-介電常數(shù);-介質(zhì)電導(dǎo)率;-介質(zhì)導(dǎo)磁率。,相位系數(shù),8,1.2.2電磁波在介質(zhì)中的傳播速度,探地雷達(dá)測(cè)量的是介質(zhì)界面的反射波的走時(shí),為了獲取界面的深度,必須要有介質(zhì)的電磁波傳播速度,其值為:,-為相位系數(shù);-為導(dǎo)電率(1/);-為介電系數(shù),=0r,空氣介電常數(shù)與相對(duì)介電常數(shù)成積;-為磁導(dǎo)率,=0r,空氣導(dǎo)磁率與相對(duì)導(dǎo)磁率成積。,9,相位系數(shù)是波速?zèng)Q定因素,討論二種極限情況:,10,11,1.2.3電磁波在介質(zhì)中的吸收特性,12,1.2.4工程介質(zhì)的電磁學(xué)特性,介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)可用介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率來(lái)表征:1.介電常數(shù)是表征物質(zhì)在外加電場(chǎng)中儲(chǔ)存極化電荷的能力的物理量。介電常數(shù)最大的物質(zhì)是水,其相對(duì)介電常數(shù)是81;最小的是空氣,相對(duì)介電常數(shù)為l。工程介質(zhì)的介電常數(shù)一般為中等值,如巖石、土、混凝土等常見(jiàn)的工程介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)在4到9之間,其介電常數(shù)的差異主要取決于介質(zhì)中的含水量大小,例如干砂的相對(duì)介電常數(shù)為2.6,充水后其相對(duì)介電常數(shù)可升高到25,提高了10倍。,13,2.電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))表征介質(zhì)的導(dǎo)電能力。介質(zhì)的電導(dǎo)率越高,則電磁波衰減越大,即電磁波傳播距離越短。低電導(dǎo)介質(zhì)的l0mS/m,在此類介質(zhì)中,電磁波衰減極大,雷達(dá)難于工作。例如:濕粘土、濕頁(yè)巖、海水、海水冰、濕沃土、含水砂巖、含水灰?guī)r、金屬等。,14,3.磁導(dǎo)率是表征介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁感應(yīng)能力大小的物理量。絕大多數(shù)工程介質(zhì)都是非鐵磁性物質(zhì),其相對(duì)磁導(dǎo)率接近1,對(duì)電磁波傳播無(wú)大影響。而鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高,對(duì)電磁波的波速和衰減有著重要影響。表1-1列出了一些常見(jiàn)介質(zhì)的電磁參數(shù),15,表1-1常見(jiàn)介質(zhì)的電磁參數(shù),16,1.2.5電磁波的反射系數(shù),電磁波在傳播過(guò)程中,遇到不同的阻抗界面時(shí)將產(chǎn)生反射波和透射波,其反射與透射遵循反射與透射定律。反射波能量大小取決于反射系數(shù)R,垂直入射時(shí),反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式:,17,1.3工程雷達(dá)儀器,工程中應(yīng)用的雷達(dá)為脈沖時(shí)域雷達(dá),雷達(dá)由主機(jī)和發(fā)射、接收天線組成。,主機(jī)與天線雷達(dá)天線沿測(cè)線從左向右移動(dòng),如圖;發(fā)射天線不斷發(fā)射雷達(dá)電磁波,并輻射到被測(cè)介質(zhì),接收天線接收到一條條雷達(dá)回波。將雷達(dá)回波按順序排列展開(kāi),便可準(zhǔn)確、形象地反映出地下探測(cè)目的體及反射界面的位置。,18,天線類型按頻率劃分為低頻、中頻、高頻天線;按結(jié)構(gòu)劃分為非屏蔽、屏蔽天線;按電性參數(shù)劃分為偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭天線。80MHz以下為低頻天線,通常采用非屏蔽式半波偶極子桿狀天線,無(wú)反射器偶極子天線一半的長(zhǎng)度為/4,用于較深目標(biāo)的探測(cè);1001000MHz為中頻天線,采用屏蔽式半波偶極子天線,半個(gè)偶極子長(zhǎng)度為/4,反射器將輻射到后方的能量集中到前方,在前方形成較強(qiáng)的電磁場(chǎng)密度,具有體積小,發(fā)射效率高的特點(diǎn),在工程檢測(cè)中常使用此類天線;高于1GHz的為高頻天線,一般為喇叭形,以提高輻射效率,該類天線輻射能量集中,分辨率高,主要用于道路質(zhì)量檢測(cè)。,19,加拿大Sensor這類干擾波在振幅、頻率上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、同相軸連續(xù),中心頻率接近發(fā)射天線的中心頻率,在一次波下會(huì)產(chǎn)生多次波,特別是桿形地物為金屬質(zhì)地時(shí)。,39,2.地形干擾,坎狀地形引起的異常會(huì)在雷達(dá)記錄上產(chǎn)生2組交叉的特征波,其信號(hào)能量強(qiáng),相位數(shù)多,其波傳播的視速度既不是空氣中電磁波的速度,也不是地下介質(zhì)中電磁波的速度,而是介于兩者之間,它是沿自由,表面?zhèn)鞑サ牡孛娌?其出現(xiàn)的時(shí)間與天線距坎邊的距離相關(guān)。單坎,其波組呈倒“V”型,其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于坎邊,波組頂部往往與直達(dá)波復(fù)合,“V”型不明顯,在記錄上呈明顯的“八”字型,40,“凸”型坎波組形狀在記錄上呈“X”型,在兩三個(gè)相位之后,兩組波相互干涉在一起,形成水平狀(右圖)。這種地形對(duì)有效信號(hào)引起的干擾特別嚴(yán)重,造成有效反射信號(hào)無(wú)法辨認(rèn)。,41,3.耦合效應(yīng)引起的干擾圖像,局部地形變化,改變了雷達(dá)波的輻射特征,并引起電磁波的散射和漫射。當(dāng)?shù)孛娲嬖谛匣蚴瘔K等雜物,天線不能很好地與地面接觸,能量不能有效地耦合傳輸?shù)降叵?使電磁波在地面與天線間形成振蕩。由于天線耦合不好而引起的干擾波,在記錄自始至終都存在,其頻率接近工作主頻,信號(hào)強(qiáng),衰減慢,像無(wú)阻尼振蕩(右圖)。,42,如果天線垂直離開(kāi)地面一定距離,其干擾現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制,但直達(dá)波的相位數(shù)亦會(huì)增多,輻射到地下的能量也會(huì)衰減。,43,4.空中輸電線干擾圖像特征,當(dāng)雷達(dá)測(cè)線垂直通過(guò)輸電線,天線的極化方向與輸電線方向平行時(shí),輸電線引起的干擾呈雙曲線型,其頂點(diǎn)正對(duì)于輸電線的下方,尤其是高壓輸電線,其影響范圍遠(yuǎn)達(dá)5080m,信號(hào)強(qiáng)、相位多。高度根據(jù)tc/2計(jì)算。,單線架空輸電線路干擾,44,當(dāng)測(cè)線與架空輸電線路平行時(shí),天線的極化方向與架空輸電線路方向垂直,輸電線路在地質(zhì)雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為一強(qiáng)振幅水平同向軸。,平行測(cè)線架空輸電線路干擾,45,多線高壓輸電線路在地質(zhì)雷達(dá)剖面上的反映,剖面上出現(xiàn)了多組能量強(qiáng)、多次波多的反射,其干擾非常嚴(yán)重,多線架空輸電線路干擾,46,5.地表金屬物影響,天線通過(guò)地表金屬物時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射,在地質(zhì)雷達(dá)剖面上反映為強(qiáng)能量同相軸出現(xiàn),并且反射波會(huì)在金屬物和天線間產(chǎn)生多次反射,在剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同相軸垂向延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。,47,1.5.3測(cè)線布置原則,測(cè)量工作進(jìn)行之前必須首先建立測(cè)區(qū)坐標(biāo),以便確定測(cè)線的平面位置。(1)目標(biāo)是一維體,如管線方向已知,測(cè)線應(yīng)垂直管線長(zhǎng)軸;如果方向未知,則應(yīng)采用方格網(wǎng)。(2)對(duì)基巖面等二維體進(jìn)行調(diào)查時(shí),測(cè)線應(yīng)垂直二維體的走向,線距取決于目的體沿走向方向的變化程度。(3)目的體體積有限時(shí),先用大網(wǎng)格小比例尺初查,以確定目的體的范圍,然后用小網(wǎng)格、大比例尺測(cè)網(wǎng)進(jìn)行詳查。網(wǎng)格大小等于目的體尺小。,48,1.5.4測(cè)試方法,剖面法(反射觀測(cè)方式),49,柱墻樓板,發(fā)射天線,接收天線,透射法,寬角法(共深點(diǎn)法,CDP)用于求取表層土的電磁波傳播速度,空氣波,地表直達(dá)波,50,1.5.5測(cè)量參數(shù)選擇,測(cè)量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測(cè)量的效果。測(cè)量參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距與發(fā)射、接收天線間距。,(1)天線中心頻率選擇。天線中心頻率選擇需兼顧目的體深度與目的體的尺寸,一般來(lái)說(shuō),在滿足分辨率且場(chǎng)地條件又許可時(shí),應(yīng)該盡量使用中心頻率較低的天線;天線頻率與探測(cè)深度的粗略關(guān)系:1000M-0.5m500M-1.0m200M-2.0m100M-5.0m50M-10m10M-50m,51,(2)時(shí)窗選擇。時(shí)窗選擇主要取決于最大探測(cè)深度hmax(單位m)與地層電磁波速度v(單位m/ns)。時(shí)窗w(ns)可由下式估算:w=1.3(2hmax/v);考慮到hmax和v的變化,時(shí)窗應(yīng)預(yù)留出30%以上的余量。,52,(3)掃描點(diǎn)數(shù)選擇。掃描點(diǎn)數(shù)即每道波形的采用點(diǎn)數(shù)(128、256、.2048等)。為保證在一定頻率下,每個(gè)波形有10個(gè)采樣點(diǎn),掃描點(diǎn)數(shù)應(yīng)滿足:掃描點(diǎn)數(shù)10時(shí)窗長(zhǎng)度(s)天線頻率(Hz)如:天線1000M,時(shí)窗50ns,要求點(diǎn)數(shù)大于500,可選512.,53,(4)掃描速率選擇。掃描速率為每秒采集的掃描線記錄數(shù),速率大時(shí)掃描線密集,可提高天線的移動(dòng)速度。確定速率后,根據(jù)目標(biāo)體尺寸決定天線移動(dòng)速度(vTcm/s)。應(yīng)保證最小探測(cè)目標(biāo)內(nèi)有20條掃描線。,54,1.5.6電磁波速的估計(jì)和標(biāo)定方法,雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)深度等于反射時(shí)間乘以電磁波速度,因此電磁波速度的估算直接關(guān)系到目標(biāo)深度的探測(cè)精度。雷達(dá)波速的估算方法有以下幾種:(1)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)類型查出對(duì)應(yīng)于測(cè)量對(duì)象材質(zhì)的介電常數(shù)后,用速度公式估算速度,要注意材質(zhì)中的含水情況對(duì)介電常數(shù)的影響會(huì)很大;(2)利用已知埋深物體的反射走時(shí)計(jì)算波速,v=2h/t,h為已知目標(biāo)埋深,t為反射波的雙程走時(shí)。這種方法簡(jiǎn)單可行,是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常用的一種方法;(3)利用地下點(diǎn)孤立目標(biāo)產(chǎn)生的反射雙曲線求速度(見(jiàn)下圖計(jì)算);(4)共中心點(diǎn)(CMP)法求速度(見(jiàn)下圖計(jì)算)。,55,如圖中,地下孤立目標(biāo)為一條管道。當(dāng)雷達(dá)天線由1號(hào)點(diǎn)向2號(hào)點(diǎn)方向掃描探測(cè),由于雷達(dá)發(fā)射的是球面波,故在1號(hào)點(diǎn)已可探測(cè)到管道,其反射時(shí)間為tx,但是反射波卻記錄在1號(hào)點(diǎn)的正下方。如此當(dāng)天線由1號(hào)點(diǎn)移動(dòng)X距離,掃描到2、3號(hào)點(diǎn),得到的反射波的分布便是圖中的“同相軸”。這個(gè)同相軸為雙曲線繞射波圖像。管道頂部2號(hào)點(diǎn)反射走時(shí)為t0,移動(dòng)x后的3號(hào)點(diǎn)反射走時(shí)亦為tx,計(jì)算管深h和波速v:,56,如圖,用可分離天線相對(duì)于某一中心位置對(duì)稱移動(dòng)發(fā)射、接收天線,t0為中心點(diǎn)反射走時(shí),tx為移動(dòng)x的反射走時(shí)。,57,共中心點(diǎn)法求速度,1.6雷達(dá)圖像的數(shù)字處理,常規(guī)的數(shù)字處理方法:預(yù)處理:點(diǎn)平均、道平均等數(shù)字濾波,低通、高通及帶通、中值濾波等偏移處理:以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法波動(dòng)方程偏移多次疊加技術(shù)特殊的數(shù)據(jù)處理方法:復(fù)信號(hào)分析:瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率其它一些非線性技術(shù)的應(yīng)用,如分形技術(shù)發(fā)展方向:成像處理、圖像的三維可視化、智能解釋功能,58,1.7雷達(dá)資料解釋,1.7.1時(shí)間剖面的對(duì)比原則對(duì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)是提取反射目標(biāo),只要被測(cè)介質(zhì)中存在電性差異,就可以在雷達(dá)剖面圖中找到相應(yīng)的反射波。識(shí)別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù):同相性、振幅顯著性變化、波形特征同相性:在水平電性分界層,產(chǎn)生的反射波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對(duì)應(yīng),這一特性稱為反射波組的同相性;相似性:雷達(dá)記錄點(diǎn)距與介質(zhì)變化相比要小得多,相鄰道同一個(gè)反射波組的波形,振幅周期及包絡(luò)線形態(tài)有一定特征,這一特征稱為反射波形的相似性。,59,水的介電常數(shù)為81,與河底的性質(zhì)差異較大,電磁波的強(qiáng)度和相位將有明顯變化,沿界面產(chǎn)生明顯異常,60,水下河床斷面的檢測(cè)圖象,1.7.2目標(biāo)波組初始相位識(shí)別的基本要點(diǎn),雷達(dá)記錄的判讀也叫雷達(dá)記錄的波相分析,是雷達(dá)資料解釋的基礎(chǔ)。1.反射波組的初始振幅與相位由可以看出兩點(diǎn):界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁性差異越大,反射波幅越強(qiáng);波從介電常數(shù)小的進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí),反射系數(shù)為負(fù),反射波振幅反相;反之,反射系數(shù)為正,反射波振幅與入射波同相。,61,從反射波的振幅和相位上可以判定反射界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)。其規(guī)律是:,1)從空氣中進(jìn)入混凝士,反射波振幅反相;2)從混凝土內(nèi)部的脫空層再反射回來(lái)后,反射波不反相;3)混凝土內(nèi)的充滿水界面,電磁波反射回來(lái)時(shí),反射波反相;4)混凝土中的鋼筋,因電磁波波速近似為零,反射波反相,且反射波振幅特別強(qiáng)。,62,混凝土模型中充水與未沖水孔的測(cè)試結(jié)果:500M天線,沖水孔界面反射波初始相位與直達(dá)波初始相位反相,未沖水孔界面的反射波初始相位與直達(dá)波初始相位同相;1000M天線測(cè)試,沖水孔界面反射波的初始相位與直達(dá)波初始相位相反,未沖水孔界面反射波初始相位與直達(dá)波初始相位相同。,63,2.反射波的頻譜特性不同介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特性,其反射波的頻譜特征明顯不同。例如:混凝土相對(duì)于巖層,比較均勻,沒(méi)有巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因而圍巖中反射波明顯,高頻波豐富,混凝土內(nèi)部反射波較少,只在有缺陷的部位發(fā)生反射。另外,圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅特征,易于識(shí)別。,64,3.反射波同向軸形態(tài)特征。雷達(dá)記錄中,同一連續(xù)界面的反射信號(hào)形成同相軸,依據(jù)同向軸的時(shí)間、形態(tài)、強(qiáng)弱、方向等進(jìn)行判斷。孤立的目標(biāo)體其反射的同向軸為向下開(kāi)口的雙曲線,無(wú)限長(zhǎng)平面界面反射的同向軸是直線,如圖所示。有限長(zhǎng)的板狀目標(biāo)同相軸的中間部位為直線,兩端為半只向下開(kāi)口的雙曲線。,65,1.7.3不同工程檢測(cè)中雷達(dá)圖像特征,1.潛水面水平的強(qiáng)振幅反射波潛水面上下介質(zhì)因?yàn)楹康牟顒e,介電常數(shù)產(chǎn)生較大的差異,反射系數(shù)較大。潛水面下的反射波組衰減較大。,66,2.不同土層的波場(chǎng)特征雜填土:反射波雜亂無(wú)序,粘土層:同相軸連續(xù),波組平行粉質(zhì)粘土,振幅中等淤泥質(zhì)粘土,衰減大,振幅小砂層的波場(chǎng)特征與粘土層相似,中等及粗砂層,反射波同相軸不連續(xù),存在有規(guī)律的繞射波,67,3.基巖破碎帶的波場(chǎng)特征同相軸錯(cuò)斷,但破碎帶兩側(cè)的波組關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定,破碎面上的振幅強(qiáng),68,4.暗浜及古河道的波場(chǎng)特征特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。成分復(fù)雜,電性差異大二者雷達(dá)圖像特征相似,區(qū)別在于范圍的大小反射波振幅大,波形粗黑,同相軸不連續(xù),波形雜亂,邊界明顯。,69,5.地下管線反射同相軸呈向上凸起的弧形,頂部反射振幅最強(qiáng),弧形兩端反射振幅最弱,不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不同:金屬管:介電常數(shù)大,導(dǎo)電率極強(qiáng),衰減極大,金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn),無(wú)管底的反射信息;非金屬管:管頂無(wú)極性反轉(zhuǎn),有可能出現(xiàn)管底信息;管內(nèi)是否充水,其波形特征亦不同,若充水,則亦出現(xiàn)波形的極性反轉(zhuǎn)管線的半徑越大,反射弧的曲率半徑就越大。,70,陶瓷,PVC,金屬,71,6.公路路面路基,路基場(chǎng)地為深達(dá)20多米的軟基。路基施工
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