地質(zhì)雷達在鋼筋混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

張 宇，葉唐進，劉入源，孫明露，劉叢叢

（1.西藏大學 工學院，拉薩 850000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，四川 德陽 618000；3.大連理工大學 建設(shè)工程學部，遼寧大連 116024；4.西藏自然科學博物館，拉薩 850000）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工廠、房屋、公路、橋梁和隧道等現(xiàn)代建筑中。鋼筋具有良好的抗拉性能，混凝土具有良好的抗壓性能，二者優(yōu)勢互補，使得鋼筋混凝土同時具有較好的抗壓和抗拉性能。在施工過程中，施工工藝差異、施工管理失控以及施工質(zhì)量控制不嚴格等因素常常會造成混凝土內(nèi)部鋼筋與設(shè)計標準不符，從而引發(fā)安全隱患。而鋼筋埋于混凝土的內(nèi)部，很難直觀觀測其存在的質(zhì)量問題，因此有必要采取一種直觀有效、快速精準的方法來對鋼筋混凝土進行質(zhì)量檢測。

目前，地質(zhì)雷達（GPR）在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。李晉平等[1]針對鐵路隧道，使用地質(zhì)雷達對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進行檢測，精確探測了襯砌厚度，確定了鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數(shù)量，證明該技術(shù)方法是切實可行的；姚帥等[2]等針對空心樓蓋的內(nèi)部構(gòu)造特點，提出了以天線頻率為1 500 MHz的雷達檢測薄板及分析方法，準確地確定空心樓蓋下翼緣薄板由振搗不充分而導(dǎo)致的不密實區(qū)的位置及延伸范圍，為類似工程檢測提供了依據(jù)；浦滬軍等[3]利用地質(zhì)雷達對某一混凝土進行檢測，總結(jié)了混凝土和鋼筋的常見圖像；趙文軻等[4]從二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度、鋼筋分布和密實情況3方面，探討了公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)雷達檢測結(jié)果的解譯方法，有效提高了地質(zhì)雷達檢測結(jié)果的直觀性和準確性。

綜上所述，大多數(shù)學者利用地質(zhì)雷達在鋼筋混凝土質(zhì)量檢測中取得了一定的效果，而針對鋼筋直徑大小、間距等檢測還需進一步分析研究。本文利用SIR-4000型地質(zhì)雷達對某一鋼筋混凝土路面進行質(zhì)量檢測，探究地質(zhì)雷達在檢測混凝土保護層厚度、鋼筋直徑和間距的準確性。

1 工程背景

以某鋼筋混凝土路面為例，對該段路面中的鋼筋混凝土進行質(zhì)量檢測。混凝土強度等級為C30，鋼筋布置一層，采用強度等級為400 MPa的熱軋帶肋鋼筋。路面以下分為2層，分別為混凝土層和人工填土層。圖1中較小直徑鋼筋路面混凝土層厚度為300 mm，鋼筋直徑為15 mm，鋼筋間距分別為505、510、505、505 mm，混凝土保護層厚度為160 mm；較大直徑鋼筋所示路面混凝土層厚度為290 mm，鋼筋直徑為25 mm，鋼筋間距分別為490、560、560、560 mm，混凝土保護層厚度為130 mm。

圖1 現(xiàn)場路面勘測圖

由于空氣、混凝土和鋼筋之間存在明顯的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等差異，且鋼筋只鋪設(shè)1層，為地質(zhì)雷達檢測鋼筋混凝土提供了可靠的地球物理條件。

2 地質(zhì)雷達檢測的原理

地質(zhì)雷達檢測技術(shù)（Ground Penetrating Radar，GPR）利用主頻為106～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由混凝土表面通過天線發(fā)射器發(fā)送至混凝土內(nèi)，經(jīng)混凝土鋼筋或混凝土層界面反射后返回表面，被接收天線接收達到檢測前方目標體的目的，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達檢測原理示意圖

電磁波脈沖行程需時[5]為

式中：t為電磁波脈沖需要的時間；z為被檢測體埋深；x為收發(fā)距；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

檢測深度為式中：h為混凝土深度；v為電磁波的傳播速度；Δt為電磁波在路面結(jié)構(gòu)層中雙程走時。

本次工程檢測中遇到的鋼筋是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)。在這類介質(zhì)中，波速和反射系數(shù)主要取決于介電常數(shù)[4]為

式中：r為反射系數(shù)；ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，下角標1、2分別代表不同的介質(zhì)。

3 現(xiàn)場檢測及結(jié)果分析

3.1 儀器設(shè)備

本次檢測采用美國GSSI生產(chǎn)的SIR-4000型號的雷達儀器，該系統(tǒng)由主機構(gòu)成、雷達天線和連接線等組成，如圖3所示。該套雷達系統(tǒng)分辨率高、精度高、輕便快速、成果直觀、工作場地條件寬松、適應(yīng)性強，可廣泛應(yīng)用于公路、橋梁和隧道等諸多領(lǐng)域的檢測[6-9]。

圖3 地質(zhì)雷達設(shè)備

3.2 檢測方法

混凝土質(zhì)量檢測是采用持續(xù)拖動地質(zhì)雷達天線的方法來獲得混凝土斷面的掃描圖像。在進行檢測之前，要選擇合適的雷達天線，這是確保檢測結(jié)果準確的前提，本次檢測的對象主要為鋼筋，因為鋼筋分布及其數(shù)量的檢測需要較高的分辨率，故采用900 MHz的天線進行檢測。在確定好檢測目標之后，要布置測線，測線布置要與所測目標的走向垂直。雷達天線與主機連接完畢并設(shè)置好參數(shù)后，將雷達天線與地面貼合，然后由操作人員拖動天線在測線上勻速前進。

3.3 參數(shù)設(shè)置

開機，選擇900 MHz的天線，進入專家模式，新建工作項目，雷達設(shè)置為時間采集模式，掃描/秒設(shè)置為50～120，采樣/掃描設(shè)置為512，無靜態(tài)疊加，無掃描/標記，土壤類型設(shè)置為混凝土，記錄長度設(shè)置為15-20-25，信號位置方式設(shè)置為手動，表面設(shè)置為0，增益點數(shù)設(shè)置為3，F(xiàn)IR低通和FIR高通設(shè)置為關(guān)閉，F(xiàn)IR疊加（掃描）設(shè)置為3，F(xiàn)IR背景去除（掃描）設(shè)置為0，IIR低通無限響應(yīng)濾波器設(shè)置為2 500，IIR高通無限響應(yīng)濾波器設(shè)置為225，IIR疊加設(shè)置為3，IIR背景去除設(shè)置為0。

3.4 數(shù)據(jù)解譯與分析

電磁波從空氣進入混凝土層，遇到界面會出現(xiàn)反射。電磁波遇到以傳導(dǎo)電流為主的鋼筋，由于鋼筋為良導(dǎo)體，會出現(xiàn)強反射，可以接收到非常強的能量，在雷達圖上表現(xiàn)為雙曲線形式的強反射信號，因此可以確定鋼筋在混凝土中的分布情況，以及混凝土的保護層厚度；同時分析雙曲線形狀，并進行擬合可以進一步判釋鋼筋直徑大小。圖4和圖5為鋼筋雷達圖與剖面圖。

圖4 小直徑鋼筋雷達圖與剖面圖

由圖4可知，小直徑鋼筋混凝土路面檢測中，（a）圖為小鋼筋地質(zhì)雷達圖，（b）圖為小鋼筋混凝土路面剖面圖。通過地質(zhì)雷達圖與剖面圖對比，兩者鋼筋間距的差分別為0.84、2.30、1.16、2.10 mm，混凝土保護層厚度差值為0.68 mm。

由圖5可知，大直徑鋼筋混凝土路面檢測中，（a）圖為大鋼筋地質(zhì)雷達圖，（b）圖為大鋼筋混凝土路面剖面圖。通過地質(zhì)雷達圖與剖面圖對比，兩者鋼筋間距的差分別為1.23、1.55、2.22、1.15 mm，混凝土保護層厚度為1.10 mm。

圖5 大直徑鋼筋雷達圖與剖面圖

由圖4和圖5對比分析可知，雙曲線形狀與鋼筋直徑大小有關(guān)，大直徑鋼筋的曲線頂部較為平緩，開口較寬；而小直徑鋼筋曲線頂部較尖銳，開口較窄。

通過不同直徑鋼筋擬合曲線，可以進一步計算出鋼筋直徑。其小直徑鋼筋檢測數(shù)據(jù)及差值見表1，大直徑鋼筋檢測數(shù)據(jù)及差值見表2。

由表1和表2可知，該路面混凝土保護層厚度、鋼筋直徑、鋼筋間距均與實際工程情況存在微小偏差?；炷帘Ｗo層厚度的偏差小于0.846%；鋼筋直徑的偏差小于0.53%；鋼筋間距的偏差小于0.71%。

表1 小直徑鋼筋檢測誤差表mm

表2 大直徑鋼筋檢測誤差表mm

4 結(jié)論

本文利用SIR-4000地質(zhì)雷達對混凝土路面進行質(zhì)量檢測，結(jié)合波形圖和工程實測數(shù)據(jù)對比分析和解譯，得出以下結(jié)論。

（1）鋼筋混凝土的混凝土厚度檢測中，混凝土保護層厚度雷達檢測值與實際測量值誤差小于0.846%，完全滿足檢測質(zhì)量要求。

（2）鋼筋混凝土的鋼筋間距檢測中，鋼筋間距的雷達檢測值與實際測量值誤差低于0.71%，符合質(zhì)量檢測需要。

（3）鋼筋混凝土的鋼筋直徑檢測中，通過圖形判釋，鋼筋直徑越大，其開口越大，頂部越平緩，反之則開口越小，頂部越尖銳；且通過擬合對比分析，其雷達檢測誤差小于0.53%，滿足檢測條件。