探地雷达方法技术在钢筋混凝土检测中的应用以混凝土中钢筋检测为例

2017-04-24张保安

四川水泥 2017年1期

关键词：探地双曲线间距

张保安

(中铁二局三公司)

探地雷达方法技术在钢筋混凝土检测中的应用以混凝土中钢筋检测为例

张保安

(中铁二局三公司)

本文的研究内容为混凝土内钢筋的检测，针对不同的钢筋直径、间距、埋深等不同情况进行数值模拟，并对模拟后的结果进行去直达波、FK偏移处理，研究获得成果如下：（1）钢筋直径越大，其反射波振幅越大，钢筋埋深越大，其反射波振幅越小；雷达天线中心频率与钢筋分辨率的关系对比关系，天线收发距增加有利于双层钢筋探测；（2）钢筋网判识的影响主要为钢筋网上下之间干扰波的频率相对大一些，振幅上差别不大；在实际检测当中，可以通过增加频率来探测双层钢筋。在室内处理时，去除直达波，选取合适的速度对钢筋进行偏移归位，将更有利于双层钢筋的判识。

探地雷达；数值模拟；钢筋检测

1 前言

国外较早开展探地雷达检测混凝土结构的应用研究。其中在隧道和道路检测上的应用最为广泛和成熟。国内外的工程实践及试验研究表明对于混凝土内钢筋间距较小、多层钢筋网或钢筋网下面存在缺陷情况的研究较少。在钢筋间距小、多层钢筋网的情况下，钢筋网对雷达信号屏蔽作用、钢筋之间相互干扰以及多次波的存在使得探地雷达图像变得非常复杂，不能有效的分辨出多层钢筋以及缺陷体的反射信号。因此本文的前期工作是系统研究探地雷达的探测深度、测量方式与频率的关系，选取合适的数值模拟方法。根据不同的钢筋网格间距和空洞的大小，选取不同的频率和测量方式，以对钢筋混凝土进行精确检测。

2 地雷达的基本原理

2.1 剖面法

剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线和接收天线合二为一时称为单天线形式，反之成为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示（图2-1）。该图像为双层介质模型的剖面图，横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为发射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需要的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态(中国水利电力物探科技信息网，2011)。

图 0-1 剖面法示意图（左）和雷达剖面图（右）

2.2 宽角法

一个天线固定在地面某一点上不动，另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方法称为宽角法。以地面一固定点（测点）为中心，发射天线与接收天线相互平行置于测点两侧，并与测量点保持对称，以固定的步长沿相反方向同步移动发射与接收天线进行测量，测量过程中发射天线与接收天线之间的距离逐步加大，这种方法称为共中心点法(CMP)(图 2-2)。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。这两种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度(雷宛，肖宏跃，邓一谦，2006)。

图 0-2 共测深点探测示意图（(a)为共接收点示意图；(b)为共发射点示意图）(曾昭发，等，2006)

3 钢筋混凝土的探地雷达影响因素

3.1 钢筋埋深对探测结果的影响

建立模型：模型规格为1.1m*0.5m，上层为空气，厚度为0.1m，下层为混凝土，厚度为0.4m；混凝土参数为：相对介电常数ε=6，电导率为0.005S/m，相对磁导率μr=1；钢筋为良导体，圆心坐标为分别为：（0.15.,0.2）、（0.35、0.25）、（0.55、0.3）、（0.75,0.35）、（0.95,0.4），直径为0.01m。

测量方式选取剖面法，收发距为0.25m，天线中心频率为600MHz，测量位置为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面见图3-1，由图中可以看出，由于钢筋的强反射性，不同埋深的钢筋均在剖面上形成一系列的开口向下的双曲线，随着深度的增加，双曲线的曲率增加，即开口加大，但是能量的变化不是很明显，这时提取模拟结果剖面中钢筋所在的X坐标处，即X为0.35m，0.55m，0.75m，0.95m处的单道反射回波曲线，如图3-2所示，在图中就可以明显的看出X坐标为0.35m、0.55m、0.75m、0.95m，对应的埋深为0.25m、0.3m、0.35m、0.4m的钢筋反射回波波形，通过计算，雷达接收到反射回波波峰到达的时间依次为4.2ns、5.1ns、5.9ns、6.7ns，观察曲线这几个时间点的波峰能量，埋深大，能量小，其中横坐标位于0.75m、0.95m处的钢筋由于受到左右两边钢筋的干扰，波形出现叠加。埋深增加反射波能量较小是由于电磁波在混凝土中传播会消耗能量。在本模型的正演、偏移、分析计算中可以得到，在测量参数和物性参数相同的情况下，钢筋的埋深变大，钢筋的反射能量变小，形成的绕射双曲线的曲率变大。

图 3-1 不同钢筋埋深的雷达剖面图及各个深度反射回波单道曲线

3.2 钢筋直径对探测结果的影响

建立模型：模型规格为1.1m*0.5m，上层为空气，厚度为0.1m，下层为混凝土，厚度为0.4m；混凝土参数为：相对介电常数ε=6，电导率为0.005S/m，相对磁导率μr=1；钢筋为良导体，埋深为0.3m，横坐标和直径分别为：（0.15m,0.001m），（0.35m,0.002m），（0.55m,0.003m），（0.75m,0.004m），（0.95m,0.005m）。

测量方式选取剖面法，收发距为0.25m，天线中心频率为600MHz，测量位置为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面见图3-2，从原始模拟结果中可以看出不同直径的钢筋均可形成绕射双曲线，且能量强度、弧度大小和形态都十分的相似，很难分辨出钢筋直径的大小，这时提取原始模拟结果中的钢筋反射回波曲线，即X为0.35,m、0.55m、0.75m、0.95m处的单道反射曲线，如图3-6所示，从图中看出，不同直径的钢筋的反射波形相似，但是能量还是有差别的规律，观察反射波的波峰和波谷，直径越大反射波的振幅越大，在本模型中可以计算出直径每增加1mm，则在同等条件下的反射波振幅能量增加0.2～0.6V/m。

在本模型的正演、偏移、分析计算中可以得到，在测量参数和物性参数相同的情况下，钢筋的直径变大，钢筋的反射能量变大，形成的绕射双曲线的曲率不变，反射回波的波形不变。

图 3-2 不同钢筋直径的雷达剖面及反射回波单道曲线

3.3 天线中心频率对钢筋探测结果的影响

建立模型：模型规格为2.5m*0.5m，上层为空气，厚度为0.1m，下层为混凝土，厚度为0.4m；混凝土参数为：相对介电常数ε=6，电导率为0.005S/m，相对磁导率μr=1；钢筋为良导体，直径为0.005m，埋深为0.3m，第一根钢筋的横坐标为0.25m，钢筋的间距从左到右分别为为0.05m、0.06m、0.07m…0.2m，步阶为0.01m。

测量方式选取剖面法，收发距为0.25m，天线中心频率为400MHz、800 MHz、1.2 GHz，测量位置为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面见图3-3。由图中可以看出，由于钢筋对雷达波的强绕射作用，在雷达剖面上形成明显的双曲线，且雷达的频率越高，双曲线越清晰，这是由于电磁波频率越高，波长越短，其横向分辨率越高，双曲线的顶部对应着钢筋的位置，由于相邻的绕射波的相互叠加，在雷达剖面的左侧会出现很强的能量团，这时很难辨识双曲线的顶点，随着钢筋间距的增加，钢筋的绕射双曲线可以很好的辨别出来，不同的天线中心频率，横向识别钢筋的能力不同，详见表格3-1。

图 3-3不同天线中心频率的雷达剖面

(a)为400MHz；(b)为800MHz；(c)为1.2GHz

表格 3-1 天线中心频率与钢筋间距的关系

从表格中可以看出天线中心频率越高，可识别的最小钢筋间距就越小，即横向分辨率越高，通过比较发现由于混凝土中的介电损耗，横向分辨率降低了2.4～3.18倍左右。在本模型的正演、偏移、分析计算中可以得到，在测量参数和物性参数相同的情况下，天线中心频率增加，雷达的横向分辨率增加，可识别的最小钢筋间距变小，而且在本模型中由于介电损耗，横向分辨率和理想情况下的分辨率比值为2.4～3.18之间。

4 小结

在钢筋混凝土探测中，钢筋网格的间距和埋深是需要解决的重要问题。本文分析了不同钢筋直径、不同钢筋埋深，不同天线中心频率探地雷达的探测效果，为钢筋网格混凝土探测提供了重要的方法技术，为了提高对钢筋网格识别能力，过模拟研究得到的结论见表。

表格 4-1 钢筋的混凝土模型模拟结果

道回波曲线，钢筋的反射能量随直径的变大而增强。雷达天线中心频率在测量参数和物性参数相同的情况下，天线中心频率增加，雷达的横向分辨率增加，可识别的最小钢筋间距变小，而且在本模型中由于介电损耗，在本文模型中的横向分辨率和理想情况下的分辨率比值为2.4～3.18之间。

5 实例应用

工程应用的实例选在了成都附近的一条铁路隧道，该区以低山和丘陵为主。测区内测区上覆第四系全新统坡残积粉质黏土，上更新统风积层松软土、成都黏土；下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组泥岩夹砂岩，上统遂宁组泥岩夹砂岩，上统蓬莱镇组泥岩夹砂岩；压碎岩。

实验段的隧道主要衬砌设计参数为：围岩级别为Ⅳ级，衬砌类型为全封闭复合，二衬环向钢筋为20cm*20cm25cm*25cm，二次衬砌厚度为45cm，砼强度为C35。

探测使用美国劳雷的SIR-3000地质雷达仪，配置天线为400M、900M。

5.1 钢筋网探测

图 5-1 钢筋网的探测(a)为400M天线(b)为900M天线

初次扫描选用400M的天线，钢筋绕射双曲线模糊，但是用900M天线之后，钢筋绕射双曲线清晰，可以准确的查清钢筋的根数和间距，如图5-1。

6 结论

混凝土作为工程建筑中的重要材料，尤其在隧道支护中，但是混凝土中隐伏危害，如钢筋网的分布等，造成这些问题的原因有施工中的操作不规范、养护不及时、自然灾害等，这些病害如果不及时检测处理，将会影响整个工程的质量，有时严重的时候会危及人身的安全，为了保障工程质量，需要对其中的病害进行精确的定位(李家伟，2002)，探底雷达作为一种快速、无损、高效的检测手段，在混凝土检测中获得了广泛的应用(周黎明，王法刚，2003; 中国水利电力物探科技信息网，2011; 袁明德，2001A)，但是探地雷达在检测中也会碰到一些检测困难的情况，例如双层钢筋，会相互干扰，电磁波的能量被屏蔽，对于钢筋网下钢筋探测难度加大，本文通过对模拟得到的雷达剖面进行去除直达波和FK偏移处理，找出了探地雷达在探测钢筋网的方法关系，主要包括以下几个方面：

（1）研究了钢筋的直径、埋深对于钢筋网格探测的影响，并找出了不同钢筋直径和埋深的效果关系；

（2）研究了不同天线中心频率对于钢筋网格间距的探测的影响；

通过对以上问题的分析，得到了以下成果：

（1）钢筋的直径遇钢筋反射波振幅呈正比，钢筋埋深与钢筋反射波振幅呈反比；

（2）天线中心频率增加，钢筋网横向分辨率增加，但是上层钢筋网格的分辨率高于下层钢筋网格

[1]雷宛，肖宏跃，邓一谦．2006．工程与环境物探教程[M]．北京：地质出版社．

[2]史凌峰．2008．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．

[3]舒志乐．2010．隧道衬砌内空洞探地雷达探测正反演研究[D]．重庆：重庆大学．

[4]袁明德．2001A．地质雷达的最新进展[J]．地质装备（ 03）

[5]曾昭发，刘四新，王者江，等．2006．探地雷达原理与应用[M]．北京：科技出版社．

[6]中国水利电力物探科技信息网．2011．工程物探手册[M]．北京：中国水利水电出版社．

[7]周黎明，王法刚．2003．地质雷达检测隧道衬砌混凝土质量[J]．岩土工程界（03）．