基于地質(zhì)雷達法的鋼絞線定位模擬分析與應用

戴泉水

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

預應力鋼絞線與鋼筋混凝土協(xié)同作用可提高構件的抗彎能力和剛度，使構件在相同荷載下?lián)隙葴p小，提高構件的極限承載力[1-2]，但在實際工程施工中由于各種因素影響，常造成鋼絞線布設與設計不相符，給工程質(zhì)量帶來安全隱患，因此有必要尋求直觀有效的方法，進行預應力鋼絞線的定位。

中心頻率900 MHz及以上的高頻地質(zhì)雷達，因其成熟的技術方法、便捷的操作以及直觀的顯示方式，在工程檢測中擁有獨特的優(yōu)勢?；诖耍疚尼槍︻A應力鋼絞線進行地質(zhì)雷達探測模擬分析，并結(jié)合實際案例進行應用總結(jié)，為類似工程質(zhì)量檢測提供參考。

1 地質(zhì)雷達方法原理與模擬

1.1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)又名探地雷達，其系統(tǒng)主要由天線、主機、數(shù)據(jù)采集處理設備3部分組成。地質(zhì)雷達通過天線向介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射寬頻帶短脈沖高頻電磁波，并接收由介質(zhì)內(nèi)部的介電常數(shù)分界面反射回的電磁波信號[3]。因此，通過處理分析反射信號的振幅、頻率和相位的特征及變化，即可獲得介質(zhì)內(nèi)部信息。

1.2 雷達數(shù)據(jù)處理與解釋

1.2.1介電常數(shù)或波速標定

地質(zhì)雷達現(xiàn)場采集得到的時間——距離(道數(shù))剖面，其中時間為電磁波信號從發(fā)射到反射被接收所經(jīng)歷的時間，即雙程旅行時，進行時間——深度轉(zhuǎn)換以后可得到深度剖面。時深轉(zhuǎn)換通過介電常數(shù)或波速標定來實現(xiàn)。介電常數(shù)或波速標定，通常是在已知厚度試塊測試獲取雙程旅行時，或者鉆取芯樣量取長度，之后根據(jù)公式計算出介質(zhì)的介電常數(shù)或波速。其中介電常數(shù)根據(jù)式(1)計算，波速根據(jù)式(2)計算。

(1)

(2)

式中：εr為相對介電常數(shù)；

v為電磁波速；

t為雙程旅行時；

d為標定厚度或芯樣長度[4]。

對于高頻地質(zhì)雷達，時深轉(zhuǎn)換的準確性直接決定著地質(zhì)雷達法的定量分析結(jié)果。

1.2.2數(shù)據(jù)處理解釋

地質(zhì)雷達直接采集的原始數(shù)據(jù)，通常存在較多外界和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾信號，會影響遮蓋有效信號；且電磁波具有球面擴散、在介質(zhì)中吸收衰減等特點，傳播越遠信號越弱。因此，需要對原始數(shù)據(jù)進行去除干擾和增強有效信號的處理。常用數(shù)據(jù)處理方法有：背景去除(水平濾波)、高通/低通/帶通濾波、平滑增益等，根據(jù)需要合理選擇處理方法和步驟及相應參數(shù)。

在地質(zhì)雷達檢測鋼絞線實驗中，需要識別鋼絞線的反射信號及其特征。鋼絞線是由鋼筋或數(shù)根鋼絲絞合成股，其雷達反射圖形可參照鋼筋反射圖形進行識別。圖1為典型鋼筋反射，反射圖形為向下的月牙形，鋼筋處單道波形為典型的雷克子波。

圖1 典型鋼筋反射及單道波形圖

1.3 實驗模擬分析

利用計算機模擬鋼筋背后不同位置的預應力鋼絞線的雷達探測圖像，分析模擬剖面特點和反射波形特征。在理想條件下，混凝土可視為均一介質(zhì)。

如圖2所示，本次模擬鋼筋混凝土構件中含有一排鋼筋，鋼筋間距150 mm，鋼筋直徑20 mm，保護層厚度50 mm。鋼筋后方設置3束鋼絞線，每束鋼絞線由6根鋼絞線成梅花型絞合。實際中鋼絞線由多根鋼絲絞合，由于鋼絲尺寸小，絞合成股后間距緊密，每根綱絲對實際探測效果沒有獨立影響，因而模擬中將鋼絞線視為光圓鋼筋進行簡化模擬。3束鋼絞線與鋼筋垂直凈間距50 mm，水平方向上第一束鋼絞線位于兩根鋼筋中間，第二束鋼絞線位于鋼筋正后方，第三束鋼絞線位于兩根鋼筋之間并較靠近其中一根鋼筋。3束鋼絞線位置分別模擬實際預應力鋼絞線低松弛設計及綁扎時與鋼筋的相對位置變化情況。雷達模擬探測的主頻為1600 MHz，采樣點數(shù)512，時窗18ns。天線脈沖響應為雷克子波?；炷两殡姵?shù)設置為8。

圖2 鋼筋鋼絞線布置模型(單位mm)

圖3為模型的地質(zhì)雷達模擬探測剖面。從圖3中可見，第一層的鋼筋由于間距大且上方無干擾物，鋼筋反射清晰可辨，鋼筋位置可根據(jù)弧形反射的頂點來確定。第一束鋼絞線反射信號受鋼筋干擾小，信號強且清晰，可以清楚地識別；第二束鋼絞線正上方反射信號被上方鋼筋遮擋，造成中部信號強度較弱，但結(jié)合兩邊的尾部信號及其整體連續(xù)性，仍然可以識別出鋼絞線并判斷其位置；第三束鋼絞線在靠近鋼筋一側(cè)的反射強度被削弱，遠離鋼筋的一側(cè)反射信號強且清晰，同樣可辨別出鋼絞線及其位置。綜合來看，鋼絞線束直徑較鋼筋直徑大且埋深較深，因此反射弧形的張角比鋼筋反射弧形張角大，該特征也可作為區(qū)分鋼筋和鋼絞線反射的依據(jù)之一。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，高頻地質(zhì)雷達運用于鋼絞線探測定位在理論上具有較強的可行性。

圖3 地質(zhì)雷達模擬剖面

2 鋼絞線定位實例分析

2.1 工程概況

廈門市某工程預應力結(jié)構梁構件，其預應力鋼絞線縱斷面設計如圖4所示，梁截面設計如圖5所示。在預應力梁內(nèi)等間距布置4束鋼絞線，同一截面內(nèi)鋼絞線處于同一水平面。因裝修需要在梁側(cè)打孔以固定螺栓，為了避免沖擊鉆損傷鋼筋和鋼絞線，使用鋼筋掃描儀進行梁側(cè)腰筋定位，但鋼絞線位置超出鋼筋掃描儀量程且存在鋼筋干擾，使用鋼筋掃描儀無法識別定位鋼絞線。因此，使用高頻地質(zhì)雷達探測鋼絞線位置。

圖4 鋼絞線縱斷面設計圖(單位:mm)

圖5 梁截面設計圖(單位:mm)

2.2 探測效果測試

設備采用意大利IDS生產(chǎn)的RIS-K2型地質(zhì)雷達，天線選擇頻率1600 MHz的高頻屏蔽天線，波長為1 cm，探測深度0.5 m。該頻率的地質(zhì)雷達縱向分辨率及探測深度能夠滿足鋼筋和鋼絞線的分辨識別及保護層厚度檢測的要求[5]。通過分析，檢測過程中的技術參數(shù)為：采樣點數(shù)512；時窗20ns；信噪比≥160dB；A/D轉(zhuǎn)換16bit。觸發(fā)方式為測距輪觸發(fā)。在梁側(cè)面沿著梁截面方向，間隔一定間距布置多條平行測線進行雷達探測效果試驗。

圖6測試效果為鋼絞線位于兩根鋼筋中間時，對應圖3中第一束鋼絞線的模擬情況，反射弧形張角較大，信號清晰完整，實際探測效果與模擬效果相符；圖7測試效果為鋼絞線偏向其中一根鋼筋時，位置對應圖3模擬中的第二束鋼絞線。對比模擬圖像與實際探測圖像，發(fā)現(xiàn)實際探測圖像中鋼絞線反射弧形完整且信號較強，實際探測效果優(yōu)于模擬效果；圖8測試效果為鋼絞線位于鋼筋正下方時，位置對應圖3模擬中的第三束鋼絞線，實際探測圖像中鋼絞線反射信號以中點為界一側(cè)信號強，另一側(cè)信號弱，與模擬的中部信號弱兩側(cè)信號強的特征有所差別，但仍然可以識別出鋼絞線。

圖6 鋼絞線位于鋼筋中間的探測效果

圖7 鋼絞線偏向鋼筋的探測效果

圖8 鋼絞線位于鋼筋正下方的探測效果

根據(jù)以上探測效果測試可知，該頻率地質(zhì)雷達用于鋼絞線探測定位直觀有效，探測圖像能夠清晰地反映出鋼絞線及其相對鋼筋的位置。

2.3 鋼絞線平面定位

如圖9所示，在螺栓孔的兩側(cè)，沿著梁截面向下方向，間隔20 cm各布置3條平行測線進行探測。圖10和圖11分別為兩處梁側(cè)面的探測組合。由探測圖像可知，同一組的雷達剖面圖像在同一位置和深度清晰可見同一根鋼筋反射；在大于鋼筋深度位置可見鋼絞線反射，且可判斷在探測范圍內(nèi)鋼絞線具有一定的傾斜走向趨勢。通過同一梁多個平行剖面組合，將同一根鋼筋及鋼絞線弧形反射的頂點連接起來，可直觀地展示出鋼絞線在梁內(nèi)部的走向，同時也清晰地反映出鋼筋位置，節(jié)省使用鋼筋探測儀的步驟，效果直觀、可信度高。

圖9 預應力梁梁側(cè)面測線布置(單位：mm)

圖10 預應力梁雷達剖面組合一

圖11 預應力梁雷達剖面組合二

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，從理論上說明高頻地質(zhì)雷達在鋼絞線位于鋼筋后方不同位置時，均能夠清晰地反應出鋼絞線位置。針對某工程實際情況，在鋼筋掃描儀無法發(fā)揮作用或無法滿足檢測要求時，通過測試證明高頻地質(zhì)雷達法定位鋼絞線的可行性，且探測效果清晰可靠。進一步的剖面組合方式更加直觀地展示鋼絞線走向和鋼筋位置，凸顯了地質(zhì)雷達的技術優(yōu)勢，為地質(zhì)雷達的應用提供了有力的參考。