基于地质雷达法的钢绞线定位模拟分析与应用

戴泉水

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

预应力钢绞线与钢筋混凝土协同作用可提高构件的抗弯能力和刚度，使构件在相同荷载下挠度减小，提高构件的极限承载力[1-2]，但在实际工程施工中由于各种因素影响，常造成钢绞线布设与设计不相符，给工程质量带来安全隐患，因此有必要寻求直观有效的方法，进行预应力钢绞线的定位。

中心频率900 MHz及以上的高频地质雷达，因其成熟的技术方法、便捷的操作以及直观的显示方式，在工程检测中拥有独特的优势。基于此，本文针对预应力钢绞线进行地质雷达探测模拟分析，并结合实际案例进行应用总结，为类似工程质量检测提供参考。

1 地质雷达方法原理与模拟

1.1 地质雷达工作原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)又名探地雷达，其系统主要由天线、主机、数据采集处理设备3部分组成。地质雷达通过天线向介质内部发射宽频带短脉冲高频电磁波，并接收由介质内部的介电常数分界面反射回的电磁波信号[3]。因此，通过处理分析反射信号的振幅、频率和相位的特征及变化，即可获得介质内部信息。

1.2 雷达数据处理与解释

1.2.1介电常数或波速标定

地质雷达现场采集得到的时间——距离(道数)剖面，其中时间为电磁波信号从发射到反射被接收所经历的时间，即双程旅行时，进行时间——深度转换以后可得到深度剖面。时深转换通过介电常数或波速标定来实现。介电常数或波速标定，通常是在已知厚度试块测试获取双程旅行时，或者钻取芯样量取长度，之后根据公式计算出介质的介电常数或波速。其中介电常数根据式(1)计算，波速根据式(2)计算。

(1)

(2)

式中：εr为相对介电常数；

v为电磁波速；

t为双程旅行时；

d为标定厚度或芯样长度[4]。

对于高频地质雷达，时深转换的准确性直接决定着地质雷达法的定量分析结果。

1.2.2数据处理解释

地质雷达直接采集的原始数据，通常存在较多外界和系统本身产生的干扰信号，会影响遮盖有效信号；且电磁波具有球面扩散、在介质中吸收衰减等特点，传播越远信号越弱。因此，需要对原始数据进行去除干扰和增强有效信号的处理。常用数据处理方法有：背景去除(水平滤波)、高通/低通/带通滤波、平滑增益等，根据需要合理选择处理方法和步骤及相应参数。

在地质雷达检测钢绞线实验中，需要识别钢绞线的反射信号及其特征。钢绞线是由钢筋或数根钢丝绞合成股，其雷达反射图形可参照钢筋反射图形进行识别。图1为典型钢筋反射，反射图形为向下的月牙形，钢筋处单道波形为典型的雷克子波。

图1 典型钢筋反射及单道波形图

1.3 实验模拟分析

利用计算机模拟钢筋背后不同位置的预应力钢绞线的雷达探测图像，分析模拟剖面特点和反射波形特征。在理想条件下，混凝土可视为均一介质。

如图2所示，本次模拟钢筋混凝土构件中含有一排钢筋，钢筋间距150 mm，钢筋直径20 mm，保护层厚度50 mm。钢筋后方设置3束钢绞线，每束钢绞线由6根钢绞线成梅花型绞合。实际中钢绞线由多根钢丝绞合，由于钢丝尺寸小，绞合成股后间距紧密，每根纲丝对实际探测效果没有独立影响，因而模拟中将钢绞线视为光圆钢筋进行简化模拟。3束钢绞线与钢筋垂直净间距50 mm，水平方向上第一束钢绞线位于两根钢筋中间，第二束钢绞线位于钢筋正后方，第三束钢绞线位于两根钢筋之间并较靠近其中一根钢筋。3束钢绞线位置分别模拟实际预应力钢绞线低松弛设计及绑扎时与钢筋的相对位置变化情况。雷达模拟探测的主频为1600 MHz，采样点数512，时窗18ns。天线脉冲响应为雷克子波。混凝土介电常数设置为8。

图2 钢筋钢绞线布置模型(单位mm)

图3为模型的地质雷达模拟探测剖面。从图3中可见，第一层的钢筋由于间距大且上方无干扰物，钢筋反射清晰可辨，钢筋位置可根据弧形反射的顶点来确定。第一束钢绞线反射信号受钢筋干扰小，信号强且清晰，可以清楚地识别；第二束钢绞线正上方反射信号被上方钢筋遮挡，造成中部信号强度较弱，但结合两边的尾部信号及其整体连续性，仍然可以识别出钢绞线并判断其位置；第三束钢绞线在靠近钢筋一侧的反射强度被削弱，远离钢筋的一侧反射信号强且清晰，同样可辨别出钢绞线及其位置。综合来看，钢绞线束直径较钢筋直径大且埋深较深，因此反射弧形的张角比钢筋反射弧形张角大，该特征也可作为区分钢筋和钢绞线反射的依据之一。根据此模拟结果可知，高频地质雷达运用于钢绞线探测定位在理论上具有较强的可行性。

图3 地质雷达模拟剖面

2 钢绞线定位实例分析

2.1 工程概况

厦门市某工程预应力结构梁构件，其预应力钢绞线纵断面设计如图4所示，梁截面设计如图5所示。在预应力梁内等间距布置4束钢绞线，同一截面内钢绞线处于同一水平面。因装修需要在梁侧打孔以固定螺栓，为了避免冲击钻损伤钢筋和钢绞线，使用钢筋扫描仪进行梁侧腰筋定位，但钢绞线位置超出钢筋扫描仪量程且存在钢筋干扰，使用钢筋扫描仪无法识别定位钢绞线。因此，使用高频地质雷达探测钢绞线位置。

图4 钢绞线纵断面设计图(单位:mm)

图5 梁截面设计图(单位:mm)

2.2 探测效果测试

设备采用意大利IDS生产的RIS-K2型地质雷达，天线选择频率1600 MHz的高频屏蔽天线，波长为1 cm，探测深度0.5 m。该频率的地质雷达纵向分辨率及探测深度能够满足钢筋和钢绞线的分辨识别及保护层厚度检测的要求[5]。通过分析，检测过程中的技术参数为：采样点数512；时窗20ns；信噪比≥160dB；A/D转换16bit。触发方式为测距轮触发。在梁侧面沿着梁截面方向，间隔一定间距布置多条平行测线进行雷达探测效果试验。

图6测试效果为钢绞线位于两根钢筋中间时，对应图3中第一束钢绞线的模拟情况，反射弧形张角较大，信号清晰完整，实际探测效果与模拟效果相符；图7测试效果为钢绞线偏向其中一根钢筋时，位置对应图3模拟中的第二束钢绞线。对比模拟图像与实际探测图像，发现实际探测图像中钢绞线反射弧形完整且信号较强，实际探测效果优于模拟效果；图8测试效果为钢绞线位于钢筋正下方时，位置对应图3模拟中的第三束钢绞线，实际探测图像中钢绞线反射信号以中点为界一侧信号强，另一侧信号弱，与模拟的中部信号弱两侧信号强的特征有所差别，但仍然可以识别出钢绞线。

图6 钢绞线位于钢筋中间的探测效果

图7 钢绞线偏向钢筋的探测效果

图8 钢绞线位于钢筋正下方的探测效果

根据以上探测效果测试可知，该频率地质雷达用于钢绞线探测定位直观有效，探测图像能够清晰地反映出钢绞线及其相对钢筋的位置。

2.3 钢绞线平面定位

如图9所示，在螺栓孔的两侧，沿着梁截面向下方向，间隔20 cm各布置3条平行测线进行探测。图10和图11分别为两处梁侧面的探测组合。由探测图像可知，同一组的雷达剖面图像在同一位置和深度清晰可见同一根钢筋反射；在大于钢筋深度位置可见钢绞线反射，且可判断在探测范围内钢绞线具有一定的倾斜走向趋势。通过同一梁多个平行剖面组合，将同一根钢筋及钢绞线弧形反射的顶点连接起来，可直观地展示出钢绞线在梁内部的走向，同时也清晰地反映出钢筋位置，节省使用钢筋探测仪的步骤，效果直观、可信度高。

图9 预应力梁梁侧面测线布置(单位：mm)

图10 预应力梁雷达剖面组合一

图11 预应力梁雷达剖面组合二

3 结语

通过数值模拟，从理论上说明高频地质雷达在钢绞线位于钢筋后方不同位置时，均能够清晰地反应出钢绞线位置。针对某工程实际情况，在钢筋扫描仪无法发挥作用或无法满足检测要求时，通过测试证明高频地质雷达法定位钢绞线的可行性，且探测效果清晰可靠。进一步的剖面组合方式更加直观地展示钢绞线走向和钢筋位置，凸显了地质雷达的技术优势，为地质雷达的应用提供了有力的参考。