不同介質(zhì)條件下地下雙層空洞雷達探測試驗研究

趙得杰, 張永濤, 閆文科

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院, 石家莊 050043; 2. 中建國際投資(中國)有限公司, 廣東 深圳 518000)

不同介質(zhì)條件下地下雙層空洞雷達探測試驗研究

趙得杰1, 張永濤2, 閆文科1

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院, 石家莊 050043; 2. 中建國際投資(中國)有限公司, 廣東 深圳 518000)

探地雷達在地下雙層空洞檢測中應(yīng)用廣泛, 但是檢測時, 往往受到各種介質(zhì)的影響, 例如鋼筋、混凝土等, 致使雙層空洞難以分辨. 為此對不同介質(zhì)情形下的雙層空洞進行室內(nèi)試驗與圖像分析, 試驗結(jié)果表明, 探地雷達可以清晰地對雙層空洞進行辨別.

雙層空洞; 填土; 圖像分析; 探地雷達

路基是交通運輸最基本的保障之一, 承受車輛的荷載, 其強度和穩(wěn)定性是保證路面穩(wěn)定性的重要條件, 直接關(guān)系著國家的財產(chǎn)和人民的生命安全[1]. 但是由于路基一直暴露在自然界中, 受環(huán)境的影響較大,必然會出現(xiàn)各種病害, 尤其是空洞[2]. 目前, 我國傳統(tǒng)的路基檢測方法幾乎全是破損試驗, 費時費工、信息少、代表性差、偶然性大, 已不能滿足公路飛速發(fā)展的需求[3].

近年來隨著科技進步迅速發(fā)展, 探地雷達(GPR)以其經(jīng)濟、無損、快速、便攜、直觀的特點成為無損檢測的主要工具[4]. 但是對于缺陷圖形并沒有統(tǒng)一的認識, 檢測結(jié)果的準確性對檢測人員的經(jīng)驗有很大的依賴性, 因此只能作為一種輔助手段[5]. 為對該問題進行詳細研究, 特制作了填土雙層空洞缺陷模型, 利用LTD-2100型探地雷達進行試驗, 用400MHz天線、600MHz天線、900MHz天線進行掃描, 對圖像進行特殊處理, 得出了一些有益的結(jié)論.

1 模型設(shè)計

為了提高探地雷達對路基填土中雙層空洞探測的準確性, 特設(shè)計了不同介質(zhì)作用下雙層空洞的檢測試驗. 為了更加真實的模擬現(xiàn)場情況, 實驗在土槽中進行, 土槽的尺寸設(shè)計為3m×1.5m×1.5m(長×寬×高). 為了避免土槽壁反射波的影響, 試驗只在土槽中部1m范圍內(nèi)進行.

不同介質(zhì)作用下填土雙層空洞探測模型設(shè)計. 使用管徑為315mm的PVC管模擬空洞, 上下空洞在同一垂線上. 考慮到儀器分辨率和參考相關(guān)文獻, 當上下兩層空洞凈距大于2倍直徑時, 上層空洞對下層空洞影響較小, 為增強干擾, 將上下兩層空洞之間的凈距縮小為1倍直徑. 空洞的埋深分別為150mm和750mm, 空洞之間的間距大約為300mm,

圖1(a)為填土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型; 圖1(b)為單根鋼筋介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型, 鋼筋的直徑為22mm, 位于上層空洞右側(cè)150mm處; 圖1(c)為混凝土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型, 上層1#空洞頂部距混凝土層底部50mm, 混凝土厚度為150mm; 圖1(d)為鋼筋混凝土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型, 上層1#空洞頂部距鋼筋混凝土層底部50mm, 混凝土厚度為150mm, 鋼筋網(wǎng)為Φ22@150.

圖1 不同介質(zhì)作用下填土雙層空洞探測模型

2 檢測結(jié)果及分析

2.1 填土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型

圖2(a)為測線3未經(jīng)增益處理的掃描圖, 圖2 (b)為測線3經(jīng)過濾波、增益處理后的掃描圖. 在圖2(a)中只能分辨出上層1#空洞, 下層2#空洞無任何顯示. 通過土中標尺可以讀出雙曲線翼緣寬度為1000mm,高度為300mm. 在圖2 (b)中可以看到上層1#空洞雙曲線兩側(cè)翼緣變長, 達到1500mm, 覆蓋面積增大. 下層2#空洞只能看到雙曲線的下半部分, 反射弧頂消失. 這是由于在探測過程中, 雷達由遠及近的通過雙層空洞時, 雷達波可以同時斜射到上下兩個空洞. 當天線到達空洞正上方時, 雷達波經(jīng)過上層空洞時衰減嚴重, 不能在下層空洞表面形成反射. 這是因為上下兩層空洞間距較小, 干擾強烈.

圖3為使用400MHz天線和900MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖. 經(jīng)過1.5倍增益處理后, 可以看到圖3(a)的清晰度明顯大于圖3(b), 這是由于高頻天線發(fā)射角小于低頻天線, 探測深度小. 在圖3(a)中可以清晰的看到上層1#空洞, 下層2#空洞由于受到干擾, 雙曲線發(fā)生錯段、頂部缺失. 下層2#空洞翼緣從850mm處開始出現(xiàn), 而下層2#空洞的頂部位置應(yīng)該在750mm處, 雙曲線頂部被屏蔽掉100mm. 通過單道波形圖可以看到雷達波振幅在750mm處突然增大, 由此可以判斷出存在缺陷.

圖2 填土介質(zhì)作用下600MHz雷達掃描圖像

2.2 單根鋼筋介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型

圖4(a)為測線3未經(jīng)增益處理的掃描圖, 圖4(b)為測線3經(jīng)過濾波、增益處理后的掃描圖. 在圖4(a)中基本分辨不出下層2#空洞. 圖4(b)中鋼筋反射波形圖將空洞反射波形圖的右半支完全覆蓋, 右側(cè)翼緣高度為150mm, 較填土介質(zhì)時的300mm減小50%, 而左側(cè)翼緣高度仍為300mm, 這是由于鋼筋的反射強度要遠大于管線的反射強度, 鋼筋對雷達波有較大的影響. 因此在檢測過程中要選擇合理的探測區(qū)域, 避開鋼筋密集區(qū)域.

圖5為用400MHz天線和900MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖. 與模型圖進行對比分析, 750mm處的反射雙曲線為下層2#空洞的反射圖. 與填土介質(zhì)作用下相比, 下層2#空洞基本未發(fā)生變化.在圖5(b)中, 上層1#空洞和鋼筋的反射圖像可以清晰辨別, 空洞與鋼筋的反射波疊加較弱, 下層2#空洞圖像上部被完全屏蔽, 兩側(cè)翼緣呈“八”字形, 保持為典型的雙曲線形式.

圖4 單根鋼筋介質(zhì)作用下600MHz雷達掃描圖像

圖5 單根鋼筋介質(zhì)作用下雷達掃描圖像

2.3 混凝土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型

圖6(a)為測線3未經(jīng)增益處理的掃描圖, 圖6 (b)為測線3經(jīng)過濾波、增益處理后的掃描圖. 與填土介質(zhì)作用下的掃描圖像對比分析可知, 混凝土介質(zhì)影響范圍較小, 對上層1#空洞幾乎無影響. 在圖6(b)中可以看到下層2#空洞反射圖像兩側(cè)翼緣的下半部分, 但是比較模糊, 與填土介質(zhì)作用下的掃描圖對比分析可知,雙曲線形式未發(fā)生變化, 僅僅是圖像清晰度有所降低. 因此在混凝土干擾下, 上層空洞容易探測, 下層空洞由于反射能量降低和雜波的干擾不易分辨, 但從圖像中仍然可以分辨出缺陷(非典型雙曲線形式).

圖7為使用400MHz天線和900MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖. 在圖像中可以看到上層1#空洞的反射圖像, 下層2#空洞頂部雖然被屏蔽, 但仍可以分辨出來. 從單道波形圖中可以看到750mm處振幅增大, 反射強度增強, 說明此處存在缺陷, 符合模型設(shè)計. 圖像特征與填土介質(zhì)作用下無太大變化,只是清晰度降低, 說明混凝土介質(zhì)對空洞的探測影響較小, 對混凝土路面的檢測有很好的效果.

圖6 混凝土介質(zhì)作用下600MHz雷達掃描圖像

圖7 混凝土介質(zhì)作用下雷達掃描圖像

2.4 鋼筋混凝土介質(zhì)作用下雙層空洞探測模型

圖8為測線3經(jīng)過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像. 在圖8(a)中可以清晰的看到鋼筋網(wǎng)的反射圖像, 雖然鋼筋網(wǎng)的間距很近, 反射圖像相互疊加, 但是每根鋼筋的翼緣仍比較清晰. 由于受到鋼筋網(wǎng)的干擾, 上層1#空洞被完全覆蓋, 分辨不出其位置. 在圖8(b)中可以看到鋼筋網(wǎng)反射圖像為畸形鋸齒狀.

圖9為使用400MHz天線和900MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖. 在鋼筋網(wǎng)的干擾下, 鋼筋網(wǎng)和上層1#空洞的反射波疊加嚴重, 上層1#空洞被完全淹沒. 下層2#空洞也受到鋼筋網(wǎng)的干擾變得異常模糊, 但仍可以分辨出部分翼緣. 900MHz天線受到的屏蔽更加嚴重, 下層2#空洞只能分辨出一側(cè)翼緣. 說明在多重介質(zhì)作用下, 尤其是鋼筋網(wǎng)存在時, 對電磁波的損耗較大, 在工程中如果探測到淺層鋼筋網(wǎng)的存在, 應(yīng)改變測線的方向和位置并結(jié)合其它方法進行探測, 以防出現(xiàn)錯誤判斷.

圖8 鋼筋混凝土介質(zhì)作用下600MHz雷達掃描圖像

圖9 鋼筋混凝土介質(zhì)作用下雷達掃描圖像

3 結(jié)論

① 當上下兩層空洞間距較近時, 下層空洞圖像頂部被屏蔽, 圖像呈正“八”字形, 應(yīng)結(jié)合單道波形圖振幅突變的位置來確定下層空洞的頂部位置.

② 混凝土對雷達探測深度的影響較小, 當混凝土層厚度為150mm時, 影響深度大約為50mm, 因此探地雷達在混凝土路面的檢測中有很好的效果.

③ 鋼筋網(wǎng)對雷達的探測影響很大, 在檢測過程中如遇到鋼筋網(wǎng), 應(yīng)將測線布置成測線陣進行探測.

[1] 夏才初, 潘國榮, 等. 土木工程監(jiān)測技術(shù)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2001

[2] 賀學海, 王 卓, 隋景峰. 探地雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量的誤差分析[J]. 勘察科學技術(shù), 2003, 05: 56～59

[3] 郭士禮, 蔡建超, 張學強, 等. 探地雷達檢測橋梁隱蔽病害方法研究[J]. 地球物理學進展, 2012,04: 1812～1821

[4] 江 凱. 探地雷達在路基檢測中的應(yīng)用研究[D]. 成都: 西南交通大學碩士學位論文, 2011

[5] 史凌峰. 探地雷達檢測中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安: 西安電子科技大學博士學位論文, 2008

The Applied Research of Ground Penetrating Radar Technology on Underground Double-cavity Detection in Different Medium

ZHAO De-jie1, ZHANG Yong-tao2, YAN Wen-ke1
(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. China State Construction International Investments (China) Limited, Shenzhen 518000, China)

The Ground Penetrating Radar technology is widely used in underground double-cavity detection. However, it is pretty hard to recognize the double-inanity due to the influence of different medium such as steel or concrete. The tests on the double-holes are carried out under various circumstances in laboratory and image analysis. The tests show that the ground penetrating radar can clearly identify the double-holes in the fill.

double-inanity; fill; image analysis; ground penetrating radar

TU19

A

1672-5298(2015)02-0064-05

2015-05-16

趙得杰(1990? ), 男, 河北邯鄲人, 石家莊鐵道大學土木工程學院碩士研究生. 主要研究方向: 季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基結(jié)構(gòu), 公路路基結(jié)構(gòu)及無損檢測