探地雷達(dá)在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用研究

吉同元，李鵬飛，陳子祎，秦網(wǎng)根

（1.江蘇省水運(yùn)技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京210014）

探地雷達(dá)在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用研究

吉同元1，2，李鵬飛1，2，陳子祎1，2，秦網(wǎng)根1，2

（1.江蘇省水運(yùn)技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京210014）

本文通過模型試驗(yàn)和工程應(yīng)用，研究了探地雷達(dá)在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用技術(shù)。首先通過4組模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究不同直徑、不同埋深、不同間距和不同層數(shù)的鋼筋對(duì)雷達(dá)接收波形特征的影響，得到了探地雷達(dá)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用方法和適用條件。在此基礎(chǔ)上，以某高樁碼頭為依托，分別應(yīng)用雷達(dá)法和電磁法對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)法檢測(cè)準(zhǔn)確性可滿足工程要求，除此在操作性和結(jié)果的直觀性上雷達(dá)法更具優(yōu)勢(shì)。

探地雷達(dá)；港工檢測(cè)；混凝土；鋼筋參數(shù)

引 言

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）又稱透地雷達(dá)、地質(zhì)雷達(dá)，是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種無損探測(cè)方法。早在1910年，Letmbach和Lowy首次闡述了探地雷達(dá)的基本概念，1926年Hdlsenbeck成功將該技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐［1］。二十世紀(jì)八十年代，中國引進(jìn)了探地雷達(dá)技術(shù)，眾多學(xué)者對(duì)其基本原理、測(cè)試方法、數(shù)據(jù)處理和圖像解釋等方面開展了大量研究［2～5］。目前探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在礦產(chǎn)資源勘察、考古、環(huán)境工程、工程檢測(cè)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［6～9］。

混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)做為工程檢測(cè)的重要內(nèi)容，其傳統(tǒng)方法主要有超聲法、回彈法、取芯法等。與上述方法相比，探地雷達(dá)技術(shù)具有實(shí)時(shí)連續(xù)、高精度、快速和無損的特點(diǎn)［10］，能夠很好地推動(dòng)檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展。但是目前該技術(shù)在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用研究還十分匱乏，還未形成系統(tǒng)的規(guī)范，技術(shù)的應(yīng)用較大程度地依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文首先簡要分析了探地雷達(dá)的工作原理，然后通過模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同直徑、不同埋深、不同間距和不同層數(shù)的鋼筋對(duì)雷達(dá)接收波形特征的影響，最后將該技術(shù)應(yīng)用到高樁碼頭的結(jié)構(gòu)檢測(cè)中。

1 探地雷達(dá)工作原理

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意

探地雷達(dá)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，首先探地雷達(dá)通過發(fā)射天線將高頻電磁波以短脈沖形式發(fā)送到混凝土內(nèi)部，電磁波在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)一旦遇到存在電性差異的界面（如鋼筋、混凝土缺陷等）便會(huì)產(chǎn)生發(fā)射，反射信號(hào)由接收天線接收。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，提取反射信號(hào)的振幅、波形、時(shí)頻特征等，進(jìn)而推斷混凝土內(nèi)部的鋼筋分布和缺陷情況等。根據(jù)探地雷達(dá)工作原理示意（圖1）可知，脈沖波的行程時(shí)間為：

式中：t為電磁波的總行程時(shí)間；z為目標(biāo)體的埋深；x為發(fā)射天線和接收天線的距離；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

對(duì)于非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)，傳播速度一般可用下式計(jì)算：

式中：c為真空中電磁波傳播速度0.3 m/ns；rε為相對(duì)介電常數(shù)。

2 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用美國 SIR-3000型探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，共設(shè)計(jì)2個(gè)混凝土試塊，按照上下面布筋不同共分為四組試驗(yàn)，分別研究混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋直徑、鋼筋埋深、鋼筋間距和鋼筋層數(shù)對(duì)雷達(dá)圖像的影響。

2.1 模型設(shè)計(jì)

2個(gè)混凝土試塊均為長方體，采用C30混凝土澆筑而成。試塊內(nèi)部鋼筋埋設(shè)和缺陷設(shè)置根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定，鋼筋兩端均露出試塊5 cm，以便準(zhǔn)確測(cè)定鋼筋參數(shù)。

試塊一用于研究鋼筋直徑和鋼筋埋深對(duì)雷達(dá)圖像特征的影響，尺寸為150 cm×50 cm×70 cm。如圖2所示，試塊一上側(cè)布置4根鋼筋，直徑從左往右分別為20、6、12、32mm，鋼筋間距15 cm，埋深5 cm。下測(cè)布置6根鋼筋，直徑為20mm，鋼筋間距10 cm，埋深分別為10、20、30、40、50、60 cm。

圖2 試塊一

試塊二用于研究鋼筋間距和鋼筋層數(shù)對(duì)雷達(dá)圖像特征的影響，尺寸為150 cm×50 cm×35 cm。如圖3所示，試塊二上側(cè)布置6根鋼筋，直徑為12 cm，間距從左向右分別為2、18、8、12、5 cm，埋深10 cm。下側(cè)布置2層鋼筋，鋼筋直徑20 cm，間距10 cm，埋深依次為5 cm和15 cm。

圖3 試塊二

2.2 試驗(yàn)儀器

儀器采用美國 SIR-3000型探地雷達(dá)，配合1 600 MHz天線。具體參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射率為100 kHz，數(shù)據(jù)采集模式為距離模式，采樣點(diǎn)數(shù)為512，測(cè)程為10 ns，數(shù)據(jù)位為16，增益設(shè)置為5點(diǎn)自動(dòng)增益，濾波器采用有限響應(yīng)濾波器，垂向低通濾波值為 250 MHz，垂向高通濾波值為3 000 MHz。

圖4 探地雷達(dá)檢測(cè)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，共得到四組雷達(dá)初始采集圖像。利用雷達(dá)測(cè)得的雙線程走時(shí)和實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度，根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算試塊的介電常數(shù)rε。再根據(jù)地面反射波法去除首層波干擾，對(duì)頭文件進(jìn)行統(tǒng)一化處理。在此基礎(chǔ)上對(duì)圖像進(jìn)行濾波和F-K偏移處理，得到如圖5～圖8所示的4種工況的灰度剖面，其中每種工況的左圖為濾波后的灰度剖面，右圖為F-K偏移處理后的灰度剖面。

1）鋼筋直徑對(duì)雷達(dá)圖像的影響

圖5 工況一灰度剖面

圖5（左）為工況一濾波后的雷達(dá)灰度剖面，由于鋼筋對(duì)高頻電磁波有很強(qiáng)的繞射作用，所以在鋼筋位置處形成十分明顯的“V型”曲線，曲線頂部即為鋼筋位置。除此，由于相臨的繞射波相互疊加，在兩根鋼筋的斜下方也會(huì)形成類似的繞射雙曲線，從而形成一定干擾，影響剖面解釋。為此，可利用F-K偏移法對(duì)圖5（左）進(jìn)一步處理得到如圖 5（右）所示的灰度剖面，從該圖中可以看出，F(xiàn)-K偏移法去除了大量雜波以及鋼筋繞射波之間的疊加干擾，更為準(zhǔn)確地標(biāo)示了鋼筋位置。

圖 5中四根鋼筋產(chǎn)生的繞射曲線從能量強(qiáng)度、弧度大小、形態(tài)等都非常相似，很難直接分辨出鋼筋直徑的差異。為進(jìn)一步了解其他相關(guān)鋼筋參數(shù)，通過交換式解釋計(jì)算得到四根鋼筋的保護(hù)層厚度，如表1所示。從表1可知，利用探地雷達(dá)交換式解釋計(jì)算得到的保護(hù)層厚度與實(shí)測(cè)值非常接近，可用于實(shí)際工程檢測(cè)。

表1 保護(hù)層厚度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2）鋼筋埋深對(duì)雷達(dá)圖像的影響

圖6 工況二灰度剖面

圖6為工況二對(duì)應(yīng)的兩個(gè)雷達(dá)灰度剖面，從圖中可以看出隨著鋼筋埋深逐漸增加，反射波的能量越來越弱。該工況下共有6根不同埋深的鋼筋，濾波后的灰度剖面圖中，埋深10 cm處的鋼筋“V型”曲線非常清晰，往下逐漸模糊，當(dāng)埋深為30 cm時(shí)其“V型”曲線已變得非常模糊，很難判斷鋼筋位置，再往下的三根鋼筋（埋深30、40、50 cm）則無繞射曲線。通過進(jìn)一步偏移處理得到的灰度剖面圖，其規(guī)律與左圖基本一致，埋深30 cm處的鋼筋標(biāo)示也十分模糊。因此用1 600 MHz雷達(dá)天線檢測(cè)混凝土中鋼筋位置時(shí)，鋼筋埋深不宜超過30 cm。

3）鋼筋間距對(duì)雷達(dá)圖像的影響

圖7為工況三對(duì)應(yīng)的兩個(gè)雷達(dá)灰度剖面，該工況共設(shè)有8根不同間距的鋼筋，在兩幅剖面圖中都只能找到7個(gè)鋼筋標(biāo)示點(diǎn)。通過與模型試件對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋼筋間距在0.02 m時(shí)（圖中從左往右第三個(gè)標(biāo)示），兩根鋼筋的繞射曲線相互疊加，在左圖中“V型”曲線頂點(diǎn)處亮度增加，范圍變大，在右圖中，鋼筋的標(biāo)示點(diǎn)變大，形成一個(gè)繞射能量團(tuán)，很難分辨此處有兩根鋼筋。除此，鋼筋間距在0.05 m時(shí)（圖中最右側(cè)兩個(gè)標(biāo)示），兩側(cè)鋼筋的繞射曲線疊加情況也十分嚴(yán)重，在左圖中兩根“V型”曲線基本重疊，曲線頂點(diǎn)顯著增大，很難分辨鋼筋數(shù)量，通過F-K偏移處理，在右圖中，兩個(gè)鋼筋標(biāo)示點(diǎn)基本粘連在一起，但基本能判斷鋼筋數(shù)量。因此用1 600 MHz雷達(dá)天線檢測(cè)混凝土中鋼筋位置時(shí)，鋼筋間距不宜小于0.05 m。

圖7 工況三灰度剖面

4）鋼筋層數(shù)對(duì)雷達(dá)圖像的影響

圖8 工況四灰度剖面

圖8為工況四對(duì)應(yīng)的兩個(gè)雷達(dá)灰度剖面。在左圖中由于鋼筋間距較小，所以多個(gè)鋼筋繞射曲線相互交匯，在鋼筋間及其下方形成很多高能量點(diǎn)，剖面變得非常復(fù)雜。同時(shí)，由于下層鋼筋埋深較大和上層鋼筋的屏蔽作用，致使下層鋼筋網(wǎng)反射波非常弱，與上層鋼筋的多次波連在一起，很難分辨二層鋼筋位置。經(jīng)過進(jìn)一步偏移處理得到右圖，從右圖中可以看出處理后鋼筋屏蔽作用明顯減小，下層鋼筋的繞射雙曲線比較完整，其頂點(diǎn)為鋼筋的位置，但能量明顯比上層繞射雙曲線弱。偏移處理后，繞射波能量被很好地集聚于繞射雙曲線頂點(diǎn)處，其能量大于多次波的能量，相對(duì)壓制了多次波，突出了有效信號(hào)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，岸線總長450 m，寬度18 m，共10個(gè)結(jié)構(gòu)段，碼頭前沿水深-5.80 m，碼頭面標(biāo)高4.10 m。碼頭樁基采用600mm×600mm預(yù)應(yīng)力空心方樁，排架間距為7 m，共70個(gè)排架，每個(gè)排架7根樁其中2根斜樁，5根直樁。樁基頂部設(shè)現(xiàn)澆混凝土橫梁，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制安裝靠船構(gòu)件、縱梁、管溝梁、面板及現(xiàn)澆碼頭混凝土面層結(jié)構(gòu)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

本次檢測(cè)同時(shí)采用探地雷達(dá)法和傳統(tǒng)的電磁法，對(duì)高樁碼頭的管溝梁、邊梁、軌道梁、橫向進(jìn)行掃描檢測(cè)。檢測(cè)儀器分別選用SIR-3000型探地雷達(dá)（1 600 MHz天線）和ZBL-R620混凝土鋼筋檢測(cè)儀。

探地雷達(dá)對(duì)構(gòu)件掃描后得到如圖 10所示的灰度剖面（由于篇幅有限，此處以管溝梁為例），通過灰度剖面圖可以直觀地了解構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的分布情況。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行交互式解釋得到鋼筋保護(hù)層厚度和間距。

圖9 管溝梁結(jié)構(gòu)

圖10 管溝梁雷達(dá)檢測(cè)

電磁法檢測(cè)時(shí)先輸入被測(cè)構(gòu)件的主筋直徑，再將探頭在混凝土結(jié)構(gòu)表面垂直主筋方向來回移動(dòng)，通過電磁感應(yīng)，由顯示器指示與鋼筋的距離，同時(shí)程序自動(dòng)儲(chǔ)存最小值最為保護(hù)層厚度。電磁法檢測(cè)鋼筋間距需要現(xiàn)在構(gòu)件表面劃分網(wǎng)格，港工結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，測(cè)試條件較差，很難實(shí)現(xiàn)電磁法的間距檢測(cè)。

各構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果如表2～表3所示，由表2可知，表2中偏差指雷達(dá)法和電磁法測(cè)得的保護(hù)層厚度相對(duì)偏差。雷達(dá)法和電磁法的檢測(cè)結(jié)果十分接近，這說明雷達(dá)法也可用于港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)。除此，與電磁法相比，雷達(dá)法檢測(cè)港工混凝土構(gòu)件時(shí)操作更加便捷，檢測(cè)結(jié)果形象準(zhǔn)確，可同時(shí)得到鋼筋保護(hù)層和鋼筋間距。

表2 構(gòu)件保護(hù)層檢測(cè)結(jié)果

表3 構(gòu)件鋼筋間距檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過模型試驗(yàn)和工程應(yīng)用，研究了探地雷達(dá)在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用技術(shù)。首先通過四組模型試驗(yàn)，著重分析了鋼筋直徑、鋼筋埋深、鋼筋間距和鋼筋層數(shù)對(duì)雷達(dá)灰度剖面的影響，并得到如下結(jié)論：

1）探地雷達(dá)使用1 600 MHz雷達(dá)天線能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出鋼筋保護(hù)層厚度，但不能判斷鋼筋直徑。

2）用1 600 MHz雷達(dá)天線檢測(cè)混凝土中鋼筋位置時(shí)，鋼筋最大埋深不宜超過30 cm，鋼筋最小間距不宜小于5 cm，否則極易造成誤判。

3）用探地雷達(dá)檢測(cè)混凝土中的多層鋼筋時(shí)，內(nèi)層鋼筋受外層鋼筋的多次波影響，反射信號(hào)較弱，可使用偏移處理，突出有效信號(hào)。

在此基礎(chǔ)上，本文將探地雷達(dá)應(yīng)用于某高樁碼頭混凝土構(gòu)件的檢測(cè)中，具體檢測(cè)了管溝梁、邊梁、軌道梁和橫向。通過與傳統(tǒng)的電磁法相比，雷達(dá)法操作便捷、檢測(cè)結(jié)果不但準(zhǔn)確且更為直觀。該方法在港工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Study on Application of Ground Penetrating Radar in Detecting Harbor Concrete Structure

Ji Tongyuan1，2，Li Pengfei1，2，Chen Ziyi1，2，Qin Wanggen1，2
（1.Aquatic Transportation Center of Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210014，China； 2.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210014，China）

Model test and engineering application are adopted to study how ground penetrating radar （GPR）applies to the detection of harbor concrete structure.Firstly four model test systems show the change to the characteristic of wave

by radar against the steel bars with different diameters，embedded depth，spacing and number of layers，which deduces the method and appropriate conditions of applying GPR in detecting concrete struture.In the case，the concrete structures of one piled wharf are detected by using GPR and electromagnetic method respectively.the results show that the accuracy of GPR satisfies the engineering demand，in addition，GPR method is of operational and visual advantages.

ground penetrating radar； harbor work detection； concrete； reinforcement parameters

TV332

A

1004-9592（2016）05-0109-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160527

2016-01-07

吉同元（1981-），男，高級(jí)工程師，主要從事基礎(chǔ)工程、港口工程的檢測(cè)評(píng)估工作。