土石混合体作为一种常见的工程材料,广泛出现在地基工程中,由于其组分多变,尺寸较大,导致针对土石体的探测手段较为缺乏且效果较差。而探地雷达具有高效、无损、精度高的特点,非常适合大面积土石体场地的全面勘察。但长期以来,针对土石体电磁特性的研究不足,导致探地雷达探测土石体厚度、含水率、粒径等指标误差较大。为进一步发挥探地雷达在土石体探测中的作用,减小探测误差,本文依据土石混合体空间分布特征、土石混合体介电常数变化规律,综合采用PFC力学建模软件、基于FDTD算法的gprMax软件以及MATLAB软件,开发了适用于土石体的正演建模算法及信号分析软件;研究了土体相对介电常数10～30,块石粒径4～100cm的土石混合体在100MHz、200MHz、400MHz点源激励下的波速,振幅及频谱特征;对比分析了不同粒径下,颗粒形状、土石比、二维模型与三维模型信号;实测了砂卵石地层雷达数据并与正演数据对比验证。通过以上研究,本文得到了以下成果:（1）开发了PFC-gprMax联合建模方法,构建了基于真实颗粒形状的三维土石体gprMax正演模型,提高了土石体电磁建模精细度;基于MATLAB平台开发了土石体探地雷达信号分析工具,可对gprMax数据及GSSI雷达数据直接处理;基于时频变换、边缘检测算法、短时能量及短时平均过零率算法实现了土石体信号传播阶段的划分,土石体地层下界面反射信号识别;实现了对振幅、波速、波形等特征的提取,信号时频谱及功率谱的计算。（2）绘制了不同粒径、不同含水率下土石体地层的时域及频域图谱,发现信号的规律性随天线频率及粒径的增加而显著降低;认为对于同一土石体,采用低频天线更有利于计算土石体地层厚度及波速,采用高频天线更有利于探测土石体平均粒径及土体体积含水率。（3）在不同频率下,定量研究发现了信号整流平均值呈现出先增加后缓慢减小的趋势,高频天线整流平均值更大,变化幅度更大,拐点对应粒径更小,采用高频天线对粒径的分辨率更高,可分辨范围更大。采用了双相希尔模型,实现了较好的拟合。（4）当块石粒径小于30cm时,波速随粒径呈波浪型变化,不同频率天线下波速相近;当粒径大于30cm时,天线频率越高,波速越快,粒径与波速近似为线性关系;等效相对介电常数变化范围略大于传统理论计算值,证实了粒径对波速存在较大影响。（5）地层体积含水率越高、天线频率越高,反射波整流平均值越大,增长关系近似线性;波速随地层体积含水率增加呈现出明显的线性减小,粒径越大,含水率越高,波速及等效相对介电常数越趋近于定值。（6）真实颗粒形状、真实分布的土石体,波速略小于等大圆形颗粒最密堆积二维模型,误差在5%以内。三维模型与二维模型信号在归一化后趋势高度一致,频谱及时域波场特征高度一致,表明采用二维剖面研究成果对三维实际工况参考价值较大,并可有效降低计算量。平均粒径11.13cm的400MHz天线作用下的饱和砂卵石实测数据与该工况的正演结果在波速及频谱方面误差较小,表明正演结果具有一定的实际参考价值。综上所述,本文成果可为泥石流堆积体、道砟囊病害、土石坝工程、填海造陆工程等土石体的探地雷达探测提供参考,研究有助于提高探地雷达在土石体厚度、粒径、含水率等方面的探测精度,涉及到的建模算法及信号分析算法可为土石体电磁特性研究提供一些新的思路。