天線極化模式對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)探測(cè)效果研究

張家松，胡 濤，肖 戈

(1.湖南致力工程科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410208； 2.現(xiàn)代投資股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

橋梁、隧道等大型構(gòu)筑物施工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，是其安全運(yùn)營和耐久使用的基本保障。結(jié)構(gòu)混凝土施工主要以隱蔽施工為主，地質(zhì)雷達(dá)作為一種常用無損檢測(cè)技術(shù)，在鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測(cè)過程中具有十分重要的作用；不僅可以應(yīng)用于運(yùn)營期鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土工程質(zhì)量檢測(cè)，還廣泛應(yīng)用于在建工程施工質(zhì)量全過程控制。橋梁、隧道等大型構(gòu)筑物主要采用素混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋數(shù)量、厚度、密實(shí)度等是結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)的主要控制參數(shù)。素混凝土結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)體判別相對(duì)比較簡(jiǎn)單，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中雙層鋼筋網(wǎng)排列密集，由于鋼筋的散射作用，地質(zhì)雷達(dá)電磁波信號(hào)很難穿透雙層鋼筋網(wǎng)得到深層目標(biāo)體清晰的反射信息，甚至可能完全淹沒在鋼筋反射背景場(chǎng)中，導(dǎo)致目標(biāo)體信息的漏判或誤判，嚴(yán)重干擾了檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和判斷。

地質(zhì)雷達(dá)偶極子天線由于具有極化特性和對(duì)目標(biāo)體的電磁散射特征，因此合理地利用天線與天線、天線與目標(biāo)體的極化特性，不僅可以有效降低淺層鋼筋反射信號(hào)的干擾，還能突出鋼筋背后深層目標(biāo)體的反射信息，諸多科研工作者和檢測(cè)技術(shù)人員為此進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐研究。鄭龍金等[1]對(duì)不同雷達(dá)極化波條件下的隧道二次襯砌異常的響應(yīng)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究、工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)結(jié)果分析，認(rèn)為采用水平極化和垂直極化方式探測(cè)時(shí)，不同的極化角度對(duì)二襯鋼筋、空洞、厚度的探測(cè)效果不同，但對(duì)破碎帶的探測(cè)效果影響不大，破碎帶的探測(cè)效果更多的受圍巖綜合介電常數(shù)的影響。恩和得力海等[2]將全極化探地雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于冰川裂縫寬度和走向的探測(cè)，通過極化分解和三維時(shí)域有限差分法，在小尺度冰裂縫的探測(cè)成像上得到了較好的效果；認(rèn)為相較于傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)，全極化探地雷達(dá)可以得到更全面、更直觀的冰裂縫信息。張文波等[3]利用地質(zhì)雷達(dá)的極化特性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的雙層鋼筋進(jìn)行探測(cè)研究，認(rèn)為當(dāng)高導(dǎo)圓柱體的半徑與地質(zhì)雷達(dá)反射波波長(zhǎng)之比較小時(shí)，TE極化的散射場(chǎng)后向散射寬度比TM極化的后向散射寬度要小，地質(zhì)雷達(dá)接收天線對(duì)與天線長(zhǎng)軸方向平行的目標(biāo)體最敏感，可以利用天線的極化特性，通過調(diào)整天線與建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的走向方向減少淺層鋼筋的反射、增強(qiáng)深部目標(biāo)體的反射信號(hào)。仝傳雪等[4]利用時(shí)域有限差分法對(duì)探地雷達(dá)的極化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為根據(jù)目標(biāo)體和天線的極化特征，選擇不同的天線極化方式可以得到不同的極化信息，可以利用探地雷達(dá)的極化特性，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋、電纜的延伸情況進(jìn)行有效探測(cè)。徐建東等[5]通過探地雷達(dá)收發(fā)天線極化特性方向的變化，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層、路基潛在的問題和隱患進(jìn)行了探測(cè)，通過物理模擬和試驗(yàn)研究，認(rèn)為探地雷達(dá)極化特性可以有效的對(duì)路面和路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

本文通過對(duì)地質(zhì)雷達(dá)天線的極化特性進(jìn)行分析和研究，利用天線的極化特性對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型和隧道工程結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，可以有效地降低淺層鋼筋反射信號(hào)，突出鋼筋網(wǎng)背后深層目標(biāo)體的反射信息，將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式與不同的天線極化模式相結(jié)合，準(zhǔn)確、直觀、快速地實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土深部目標(biāo)體的檢測(cè)和識(shí)別，為我國橋梁、隧道等大型構(gòu)筑物的質(zhì)量檢測(cè)提供方法借鑒。

1 檢測(cè)原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)又稱探地雷達(dá)，其用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，主要通過發(fā)射天線向結(jié)構(gòu)體發(fā)射脈沖電磁波，電磁波在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中傳播，當(dāng)遇到鋼筋、空洞、分層、欠密實(shí)等介電常數(shù)存在差異的結(jié)構(gòu)體時(shí)，一部分電磁波在介電常數(shù)存在差異的交界面處發(fā)生反射并被接收天線接收，另一部分電磁波在結(jié)構(gòu)混凝土中繼續(xù)傳播。通過接收天線接收的反射波信號(hào)特征，可以對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土中存在的質(zhì)量問題進(jìn)行識(shí)別和判斷。其工作原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

1.2 地質(zhì)雷達(dá)天線極化特性

地質(zhì)雷達(dá)屏蔽天線多采用蝶形天線和偶極子天線，蝶形天線在電場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與偶極子天線的特性相似。本文以偶極子天線為例對(duì)地質(zhì)雷達(dá)天線的極化特性進(jìn)行分析，偶極子電場(chǎng)如圖2所示，無窮小偶極子天線輻射遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的球坐標(biāo)系方程如下[6]：

圖2 偶極子電場(chǎng)

(1)

式中：k為傳播常數(shù)；i為偶極子中的電流，A；l為天線的長(zhǎng)度，m；z為介質(zhì)的波阻抗，Ω。

在笛卡爾坐標(biāo)系中，可將Eθ分解成3個(gè)極化分量，即：平行于偶極子軸的Ez和垂直于偶極子軸的Ex、Ey。

Ex=Eθcosθcosφ

(2)

Ey=Eθcosθsinφ

(3)

Ez=-Eθsinφ

(4)

當(dāng)θ=90°時(shí)，Ex和Ey的值為零時(shí)，Ez的值達(dá)到最大，此時(shí)，平行于偶極子軸的電場(chǎng)分量Ez占偶極子天線輻射場(chǎng)的絕大部分，而垂直于偶極子軸的電場(chǎng)分量Ex和Ey可忽略不計(jì)。即地質(zhì)雷達(dá)天線線性極化波的主要極化方向平行于天線的長(zhǎng)軸方向，短軸方向的電場(chǎng)分量在天線輻射總能量中的占比很小。根據(jù)互易原理[7]，接收天線的極化特性與發(fā)射天線的極化特性相同時(shí)，偶極子天線和蝶形天線對(duì)與其長(zhǎng)軸方向平行的入射電場(chǎng)分量最為敏感。

偶極子天線和蝶形天線由于其發(fā)射天線和接收天線處于平行狀態(tài)，又稱為共極化天線。采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，為了得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋最明顯的后散射場(chǎng)反射信號(hào)，多采用發(fā)射天線(T)、接收天線(R)與鋼筋長(zhǎng)軸方向垂直的方向進(jìn)行斷面掃描，這種模式稱為TM極化模式(見圖3)。鋼筋混凝土質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，由于淺層密集鋼筋的強(qiáng)反射信號(hào)極易掩蓋鋼筋背后目標(biāo)體的反射信號(hào)，對(duì)深部的異常反射信息造成漏判。為了減少淺層鋼筋的后向散射場(chǎng)，突出鋼筋網(wǎng)背后目標(biāo)體的反射信息，可以采用發(fā)射天線、接收天線與鋼筋長(zhǎng)軸方向平行的方向進(jìn)行斷面掃描，這種模式稱為TE極化模式(見圖4)。

圖3 TM極化模式

圖4 TE極化模式

2 檢測(cè)天線和極化模式選擇

公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)天線通常沿隧道軸線方向進(jìn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，此時(shí)地質(zhì)雷達(dá)天線的方向與襯砌混凝土中主筋的布置方向平行、移動(dòng)方向與主筋方向垂直，即TM極化模式。由于天線的極化作用，這種探測(cè)模式得到的淺層鋼筋后向散射場(chǎng)最大，鋼筋的異常反射信號(hào)最明顯，同時(shí)由于鋼筋反射拋物線拖尾信號(hào)的疊加和干擾，鋼筋背后目標(biāo)體的反射信號(hào)因相對(duì)微弱而不易分辨和識(shí)別。為了提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋背后深部目標(biāo)體弱反射信號(hào)的分辨能力，可以采用天線方向與襯砌混凝土中鋼筋的方向垂直、移動(dòng)方向與主筋方向平行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即TE極化模式。利用天線的極化特效，這種探測(cè)模式得到的淺層鋼筋后向散射場(chǎng)最小，有利于更多的電磁波信號(hào)進(jìn)入結(jié)構(gòu)混凝土中，從而最大程度的增強(qiáng)深部目標(biāo)體反射信號(hào)，極大地提高深部目標(biāo)體的識(shí)別效果和分辨能力。

3 模擬試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)天線極化特性在鋼筋混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用效果，設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)制模型和鋼筋混凝土內(nèi)的空洞模型。模型大小為1.2 m×0.2 m，模型中設(shè)置一排距離頂面為0.03 m、直徑為0.01 m、橫向?yàn)?.1 m等間距鋼筋，異常體模型為直徑0.015 m、距離頂面0.08 m的空洞模型(見圖5)。采用美國勞雷SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)配合2 600 MHz天線對(duì)鋼筋混凝土模型中的異常體進(jìn)行探測(cè)，分別得到TM模式和TE模式的探測(cè)結(jié)果圖，如圖6、圖7所示。

圖5 鋼筋混凝土模型示意圖

圖6中TM極化模式下的探測(cè)結(jié)果表明，該斷面深度為0.03 m位置的鋼筋呈現(xiàn)規(guī)則、等間距的拋物線狀弧形強(qiáng)反射信號(hào)，鋼筋背后空洞的異常反射信號(hào)因表層鋼筋強(qiáng)反射信號(hào)的干擾，缺陷反射信號(hào)無法識(shí)別。圖7中TE極化模式下的探測(cè)結(jié)果表明，表層鋼筋的反射信號(hào)強(qiáng)度有所降低，鋼筋背后空洞異常體的反射信號(hào)強(qiáng)度得到了大幅度地提升，呈現(xiàn)明顯的拋物線狀。這主要是由于表層鋼筋的后向散射強(qiáng)度減弱，從而加大了進(jìn)入混凝土內(nèi)部的電磁波強(qiáng)度，有效地增強(qiáng)了空洞異常體的反射信號(hào)，提高了目標(biāo)體的識(shí)別能力。

圖6 TM極化模式檢測(cè)結(jié)果圖

圖7 TE極化模式檢測(cè)結(jié)果圖

4 應(yīng)用實(shí)例和結(jié)果解譯

本文以某公路隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)為例，采用美國勞雷SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)配合900 MHz天線進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)。公路隧道設(shè)計(jì)中，二襯鋼筋混凝土厚度不小于0.45 m，初支混凝土厚度不小于0.25 m，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度不小于1.3倍的最小有效探測(cè)深度。實(shí)際施工過程中，初支和二襯混凝土澆筑厚度可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)厚度，為了有效探測(cè)出初支與二襯、初支與圍巖體的施工質(zhì)量情況，本文中有效探測(cè)深度設(shè)置為1.25 m。

圖8為隧道襯砌結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為隧道鋼筋混凝土襯砌平面結(jié)構(gòu)的測(cè)線布置示意圖。以隧道襯砌的邊墻檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，在同一測(cè)線位置分別采用地質(zhì)雷達(dá)天線的TM極化模式和TE極化模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖10為TM極化模式檢測(cè)結(jié)果，該斷面深度為0.1 m左右的位置，呈現(xiàn)為近似等間距規(guī)則的拋物線狀弧形反射，反射信號(hào)清晰、明顯，推測(cè)為二襯混凝土中鋼筋的反射信號(hào)；二襯背后初支混凝土中無明顯的異常反射信號(hào)。圖11為TE極化模式檢測(cè)結(jié)果，由于淺層鋼筋的后向散射場(chǎng)最小，該斷面二襯混凝土中鋼筋的反射信號(hào)較弱，深度約0.75 m位置呈現(xiàn)規(guī)則的弧形反射信號(hào)，推測(cè)該位置為初支混凝土中的拱架反射信號(hào)。

圖8 隧道襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 檢測(cè)測(cè)線布置示意圖

圖10 TM極化模式檢測(cè)結(jié)果圖

圖11 TE極化模式檢測(cè)結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文采用地質(zhì)雷達(dá)天線不同的極化模式，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型和隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析和解譯。該技術(shù)方法不僅可以得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)淺層目標(biāo)體的反射信息，還可以得到鋼筋網(wǎng)背后深層目標(biāo)體的反射信息，對(duì)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深部目標(biāo)體的識(shí)別效果和分辨能力具有重要借鑒意義。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)天線的TM極化模式可以得到清晰的淺層目標(biāo)體反射信息，而深層目標(biāo)體信息不易識(shí)別；天線的TE極化模式可以得到清晰的深層目標(biāo)體反射信息，而淺層目標(biāo)體信息不易識(shí)別。

地質(zhì)雷達(dá)法在公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)體等大型構(gòu)筑物的鋼筋混凝土質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，根據(jù)不同的檢測(cè)需求，采用不同的地質(zhì)雷達(dá)天線頻率和天線極化模式，可以對(duì)不同深度的目標(biāo)體進(jìn)行快速檢測(cè)。