不同介质条件下地下双层空洞雷达探测试验研究

赵得杰, 张永涛, 闫文科

(1. 石家庄铁道大学 土木工程学院, 石家庄 050043; 2. 中建国际投资(中国)有限公司, 广东 深圳 518000)

不同介质条件下地下双层空洞雷达探测试验研究

赵得杰1, 张永涛2, 闫文科1

(1. 石家庄铁道大学 土木工程学院, 石家庄 050043; 2. 中建国际投资(中国)有限公司, 广东 深圳 518000)

探地雷达在地下双层空洞检测中应用广泛, 但是检测时, 往往受到各种介质的影响, 例如钢筋、混凝土等, 致使双层空洞难以分辨. 为此对不同介质情形下的双层空洞进行室内试验与图像分析, 试验结果表明, 探地雷达可以清晰地对双层空洞进行辨别.

双层空洞; 填土; 图像分析; 探地雷达

路基是交通运输最基本的保障之一, 承受车辆的荷载, 其强度和稳定性是保证路面稳定性的重要条件, 直接关系着国家的财产和人民的生命安全[1]. 但是由于路基一直暴露在自然界中, 受环境的影响较大,必然会出现各种病害, 尤其是空洞[2]. 目前, 我国传统的路基检测方法几乎全是破损试验, 费时费工、信息少、代表性差、偶然性大, 已不能满足公路飞速发展的需求[3].

近年来随着科技进步迅速发展, 探地雷达(GPR)以其经济、无损、快速、便携、直观的特点成为无损检测的主要工具[4]. 但是对于缺陷图形并没有统一的认识, 检测结果的准确性对检测人员的经验有很大的依赖性, 因此只能作为一种辅助手段[5]. 为对该问题进行详细研究, 特制作了填土双层空洞缺陷模型, 利用LTD-2100型探地雷达进行试验, 用400MHz天线、600MHz天线、900MHz天线进行扫描, 对图像进行特殊处理, 得出了一些有益的结论.

1 模型设计

为了提高探地雷达对路基填土中双层空洞探测的准确性, 特设计了不同介质作用下双层空洞的检测试验. 为了更加真实的模拟现场情况, 实验在土槽中进行, 土槽的尺寸设计为3m×1.5m×1.5m(长×宽×高). 为了避免土槽壁反射波的影响, 试验只在土槽中部1m范围内进行.

不同介质作用下填土双层空洞探测模型设计. 使用管径为315mm的PVC管模拟空洞, 上下空洞在同一垂线上. 考虑到仪器分辨率和参考相关文献, 当上下两层空洞净距大于2倍直径时, 上层空洞对下层空洞影响较小, 为增强干扰, 将上下两层空洞之间的净距缩小为1倍直径. 空洞的埋深分别为150mm和750mm, 空洞之间的间距大约为300mm,

图1(a)为填土介质作用下双层空洞探测模型; 图1(b)为单根钢筋介质作用下双层空洞探测模型, 钢筋的直径为22mm, 位于上层空洞右侧150mm处; 图1(c)为混凝土介质作用下双层空洞探测模型, 上层1#空洞顶部距混凝土层底部50mm, 混凝土厚度为150mm; 图1(d)为钢筋混凝土介质作用下双层空洞探测模型, 上层1#空洞顶部距钢筋混凝土层底部50mm, 混凝土厚度为150mm, 钢筋网为Φ22@150.

图1 不同介质作用下填土双层空洞探测模型

2 检测结果及分析

2.1 填土介质作用下双层空洞探测模型

图2(a)为测线3未经增益处理的扫描图, 图2 (b)为测线3经过滤波、增益处理后的扫描图. 在图2(a)中只能分辨出上层1#空洞, 下层2#空洞无任何显示. 通过土中标尺可以读出双曲线翼缘宽度为1000mm,高度为300mm. 在图2 (b)中可以看到上层1#空洞双曲线两侧翼缘变长, 达到1500mm, 覆盖面积增大. 下层2#空洞只能看到双曲线的下半部分, 反射弧顶消失. 这是由于在探测过程中, 雷达由远及近的通过双层空洞时, 雷达波可以同时斜射到上下两个空洞. 当天线到达空洞正上方时, 雷达波经过上层空洞时衰减严重, 不能在下层空洞表面形成反射. 这是因为上下两层空洞间距较小, 干扰强烈.

图3为使用400MHz天线和900MHz天线所得的空洞图像及单道波形图. 经过1.5倍增益处理后, 可以看到图3(a)的清晰度明显大于图3(b), 这是由于高频天线发射角小于低频天线, 探测深度小. 在图3(a)中可以清晰的看到上层1#空洞, 下层2#空洞由于受到干扰, 双曲线发生错段、顶部缺失. 下层2#空洞翼缘从850mm处开始出现, 而下层2#空洞的顶部位置应该在750mm处, 双曲线顶部被屏蔽掉100mm. 通过单道波形图可以看到雷达波振幅在750mm处突然增大, 由此可以判断出存在缺陷.

图2 填土介质作用下600MHz雷达扫描图像

2.2 单根钢筋介质作用下双层空洞探测模型

图4(a)为测线3未经增益处理的扫描图, 图4(b)为测线3经过滤波、增益处理后的扫描图. 在图4(a)中基本分辨不出下层2#空洞. 图4(b)中钢筋反射波形图将空洞反射波形图的右半支完全覆盖, 右侧翼缘高度为150mm, 较填土介质时的300mm减小50%, 而左侧翼缘高度仍为300mm, 这是由于钢筋的反射强度要远大于管线的反射强度, 钢筋对雷达波有较大的影响. 因此在检测过程中要选择合理的探测区域, 避开钢筋密集区域.

图5为用400MHz天线和900MHz天线所得的空洞图像及单道波形图. 与模型图进行对比分析, 750mm处的反射双曲线为下层2#空洞的反射图. 与填土介质作用下相比, 下层2#空洞基本未发生变化.在图5(b)中, 上层1#空洞和钢筋的反射图像可以清晰辨别, 空洞与钢筋的反射波叠加较弱, 下层2#空洞图像上部被完全屏蔽, 两侧翼缘呈“八”字形, 保持为典型的双曲线形式.

图4 单根钢筋介质作用下600MHz雷达扫描图像

图5 单根钢筋介质作用下雷达扫描图像

2.3 混凝土介质作用下双层空洞探测模型

图6(a)为测线3未经增益处理的扫描图, 图6 (b)为测线3经过滤波、增益处理后的扫描图. 与填土介质作用下的扫描图像对比分析可知, 混凝土介质影响范围较小, 对上层1#空洞几乎无影响. 在图6(b)中可以看到下层2#空洞反射图像两侧翼缘的下半部分, 但是比较模糊, 与填土介质作用下的扫描图对比分析可知,双曲线形式未发生变化, 仅仅是图像清晰度有所降低. 因此在混凝土干扰下, 上层空洞容易探测, 下层空洞由于反射能量降低和杂波的干扰不易分辨, 但从图像中仍然可以分辨出缺陷(非典型双曲线形式).

图7为使用400MHz天线和900MHz天线所得的空洞图像及单道波形图. 在图像中可以看到上层1#空洞的反射图像, 下层2#空洞顶部虽然被屏蔽, 但仍可以分辨出来. 从单道波形图中可以看到750mm处振幅增大, 反射强度增强, 说明此处存在缺陷, 符合模型设计. 图像特征与填土介质作用下无太大变化,只是清晰度降低, 说明混凝土介质对空洞的探测影响较小, 对混凝土路面的检测有很好的效果.

图6 混凝土介质作用下600MHz雷达扫描图像

图7 混凝土介质作用下雷达扫描图像

2.4 钢筋混凝土介质作用下双层空洞探测模型

图8为测线3经过滤波、零线归位和增益处理后的空洞图像. 在图8(a)中可以清晰的看到钢筋网的反射图像, 虽然钢筋网的间距很近, 反射图像相互叠加, 但是每根钢筋的翼缘仍比较清晰. 由于受到钢筋网的干扰, 上层1#空洞被完全覆盖, 分辨不出其位置. 在图8(b)中可以看到钢筋网反射图像为畸形锯齿状.

图9为使用400MHz天线和900MHz天线所得的空洞图像及单道波形图. 在钢筋网的干扰下, 钢筋网和上层1#空洞的反射波叠加严重, 上层1#空洞被完全淹没. 下层2#空洞也受到钢筋网的干扰变得异常模糊, 但仍可以分辨出部分翼缘. 900MHz天线受到的屏蔽更加严重, 下层2#空洞只能分辨出一侧翼缘. 说明在多重介质作用下, 尤其是钢筋网存在时, 对电磁波的损耗较大, 在工程中如果探测到浅层钢筋网的存在, 应改变测线的方向和位置并结合其它方法进行探测, 以防出现错误判断.

图8 钢筋混凝土介质作用下600MHz雷达扫描图像

图9 钢筋混凝土介质作用下雷达扫描图像

3 结论

① 当上下两层空洞间距较近时, 下层空洞图像顶部被屏蔽, 图像呈正“八”字形, 应结合单道波形图振幅突变的位置来确定下层空洞的顶部位置.

② 混凝土对雷达探测深度的影响较小, 当混凝土层厚度为150mm时, 影响深度大约为50mm, 因此探地雷达在混凝土路面的检测中有很好的效果.

③ 钢筋网对雷达的探测影响很大, 在检测过程中如遇到钢筋网, 应将测线布置成测线阵进行探测.

[1] 夏才初, 潘国荣, 等. 土木工程监测技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001

[2] 贺学海, 王 卓, 隋景峰. 探地雷达检测隧道衬砌质量的误差分析[J]. 勘察科学技术, 2003, 05: 56～59

[3] 郭士礼, 蔡建超, 张学强, 等. 探地雷达检测桥梁隐蔽病害方法研究[J]. 地球物理学进展, 2012,04: 1812～1821

[4] 江 凯. 探地雷达在路基检测中的应用研究[D]. 成都: 西南交通大学硕士学位论文, 2011

[5] 史凌峰. 探地雷达检测中的关键技术研究[D]. 西安: 西安电子科技大学博士学位论文, 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

赵得杰(1990− ), 男, 河北邯郸人, 石家庄铁道大学土木工程学院硕士研究生. 主要研究方向: 季节性冻土区高速铁路路基结构, 公路路基结构及无损检测