天线极化模式对钢筋混凝土结构探测效果研究

2023-01-16张家松

公路工程 2022年6期

张家松，胡涛，肖戈

(1.湖南致力工程科技有限公司，湖南长沙 410208； 2.现代投资股份有限公司，湖南长沙 410004)

0 引言

桥梁、隧道等大型构筑物施工质量是否符合设计和规范要求，是其安全运营和耐久使用的基本保障。结构混凝土施工主要以隐蔽施工为主，地质雷达作为一种常用无损检测技术，在钢筋结构混凝土质量检测过程中具有十分重要的作用；不仅可以应用于运营期钢筋结构混凝土工程质量检测，还广泛应用于在建工程施工质量全过程控制。桥梁、隧道等大型构筑物主要采用素混凝土或钢筋混凝土结构，混凝土结构中的钢筋数量、厚度、密实度等是结构质量检测的主要控制参数。素混凝土结构中的目标体判别相对比较简单，钢筋混凝土结构中双层钢筋网排列密集，由于钢筋的散射作用，地质雷达电磁波信号很难穿透双层钢筋网得到深层目标体清晰的反射信息，甚至可能完全淹没在钢筋反射背景场中，导致目标体信息的漏判或误判，严重干扰了检测数据的分析和判断。

地质雷达偶极子天线由于具有极化特性和对目标体的电磁散射特征，因此合理地利用天线与天线、天线与目标体的极化特性，不仅可以有效降低浅层钢筋反射信号的干扰，还能突出钢筋背后深层目标体的反射信息，诸多科研工作者和检测技术人员为此进行了大量的数值模拟、室内试验和应用实践研究。郑龙金等[1]对不同雷达极化波条件下的隧道二次衬砌异常的响应特征进行了数值模拟研究、工程现场实测和数据结果分析，认为采用水平极化和垂直极化方式探测时，不同的极化角度对二衬钢筋、空洞、厚度的探测效果不同，但对破碎带的探测效果影响不大，破碎带的探测效果更多的受围岩综合介电常数的影响。恩和得力海等[2]将全极化探地雷达系统应用于冰川裂缝宽度和走向的探测，通过极化分解和三维时域有限差分法，在小尺度冰裂缝的探测成像上得到了较好的效果；认为相较于传统的脉冲雷达，全极化探地雷达可以得到更全面、更直观的冰裂缝信息。张文波等[3]利用地质雷达的极化特性对建筑结构的双层钢筋进行探测研究，认为当高导圆柱体的半径与地质雷达反射波波长之比较小时，TE极化的散射场后向散射宽度比TM极化的后向散射宽度要小，地质雷达接收天线对与天线长轴方向平行的目标体最敏感，可以利用天线的极化特性，通过调整天线与建筑结构内钢筋的走向方向减少浅层钢筋的反射、增强深部目标体的反射信号。仝传雪等[4]利用时域有限差分法对探地雷达的极化特性进行了数值模拟研究，认为根据目标体和天线的极化特征，选择不同的天线极化方式可以得到不同的极化信息，可以利用探地雷达的极化特性，对钢筋混凝土中钢筋、电缆的延伸情况进行有效探测。徐建东等[5]通过探地雷达收发天线极化特性方向的变化，对路面结构层、路基潜在的问题和隐患进行了探测，通过物理模拟和试验研究，认为探地雷达极化特性可以有效的对路面和路基结构进行检测。

本文通过对地质雷达天线的极化特性进行分析和研究，利用天线的极化特性对钢筋混凝土结构模型和隧道工程结构混凝土的质量进行现场检测，可以有效地降低浅层钢筋反射信号，突出钢筋网背后深层目标体的反射信息，将传统的数据采集方式与不同的天线极化模式相结合，准确、直观、快速地实现了钢筋混凝土深部目标体的检测和识别，为我国桥梁、隧道等大型构筑物的质量检测提供方法借鉴。

1 检测原理

1.1 地质雷达法检测原理

地质雷达又称探地雷达，其用于钢筋混凝土结构质量检测时，主要通过发射天线向结构体发射脉冲电磁波，电磁波在钢筋混凝土结构中传播，当遇到钢筋、空洞、分层、欠密实等介电常数存在差异的结构体时，一部分电磁波在介电常数存在差异的交界面处发生反射并被接收天线接收，另一部分电磁波在结构混凝土中继续传播。通过接收天线接收的反射波信号特征，可以对结构混凝土中存在的质量问题进行识别和判断。其工作原理如图1所示。

图1 地质雷达工作原理示意图

1.2 地质雷达天线极化特性

地质雷达屏蔽天线多采用蝶形天线和偶极子天线，蝶形天线在电场的远区场与偶极子天线的特性相似。本文以偶极子天线为例对地质雷达天线的极化特性进行分析，偶极子电场如图2所示，无穷小偶极子天线辐射远区场的球坐标系方程如下[6]：

图2 偶极子电场

(1)

式中：k为传播常数；i为偶极子中的电流，A；l为天线的长度，m；z为介质的波阻抗，Ω。

在笛卡尔坐标系中，可将Eθ分解成3个极化分量，即：平行于偶极子轴的Ez和垂直于偶极子轴的Ex、Ey。

Ex=Eθcosθcosφ

(2)

Ey=Eθcosθsinφ

(3)

Ez=-Eθsinφ

(4)

当θ=90°时，Ex和Ey的值为零时，Ez的值达到最大，此时，平行于偶极子轴的电场分量Ez占偶极子天线辐射场的绝大部分，而垂直于偶极子轴的电场分量Ex和Ey可忽略不计。即地质雷达天线线性极化波的主要极化方向平行于天线的长轴方向，短轴方向的电场分量在天线辐射总能量中的占比很小。根据互易原理[7]，接收天线的极化特性与发射天线的极化特性相同时，偶极子天线和蝶形天线对与其长轴方向平行的入射电场分量最为敏感。

偶极子天线和蝶形天线由于其发射天线和接收天线处于平行状态，又称为共极化天线。采用地质雷达法进行钢筋混凝土结构质量检测时，为了得到钢筋混凝土结构中钢筋最明显的后散射场反射信号，多采用发射天线(T)、接收天线(R)与钢筋长轴方向垂直的方向进行断面扫描，这种模式称为TM极化模式(见图3)。钢筋混凝土质量检测时，由于浅层密集钢筋的强反射信号极易掩盖钢筋背后目标体的反射信号，对深部的异常反射信息造成漏判。为了减少浅层钢筋的后向散射场，突出钢筋网背后目标体的反射信息，可以采用发射天线、接收天线与钢筋长轴方向平行的方向进行断面扫描，这种模式称为TE极化模式(见图4)。

图3 TM极化模式

图4 TE极化模式

2 检测天线和极化模式选择

公路隧道衬砌质量检测中，地质雷达天线通常沿隧道轴线方向进行数据的连续采集，此时地质雷达天线的方向与衬砌混凝土中主筋的布置方向平行、移动方向与主筋方向垂直，即TM极化模式。由于天线的极化作用，这种探测模式得到的浅层钢筋后向散射场最大，钢筋的异常反射信号最明显，同时由于钢筋反射抛物线拖尾信号的叠加和干扰，钢筋背后目标体的反射信号因相对微弱而不易分辨和识别。为了提高钢筋混凝土结构钢筋背后深部目标体弱反射信号的分辨能力，可以采用天线方向与衬砌混凝土中钢筋的方向垂直、移动方向与主筋方向平行进行数据采集，即TE极化模式。利用天线的极化特效，这种探测模式得到的浅层钢筋后向散射场最小，有利于更多的电磁波信号进入结构混凝土中，从而最大程度的增强深部目标体反射信号，极大地提高深部目标体的识别效果和分辨能力。

3 模拟试验与分析

为了验证地质雷达天线极化特性在钢筋混凝土质量检测中的应用效果，设置钢筋混凝土预制模型和钢筋混凝土内的空洞模型。模型大小为1.2 m×0.2 m，模型中设置一排距离顶面为0.03 m、直径为0.01 m、横向为0.1 m等间距钢筋，异常体模型为直径0.015 m、距离顶面0.08 m的空洞模型(见图5)。采用美国劳雷SIR-3000型地质雷达配合2 600 MHz天线对钢筋混凝土模型中的异常体进行探测，分别得到TM模式和TE模式的探测结果图，如图6、图7所示。

图5 钢筋混凝土模型示意图

图6中TM极化模式下的探测结果表明，该断面深度为0.03 m位置的钢筋呈现规则、等间距的抛物线状弧形强反射信号，钢筋背后空洞的异常反射信号因表层钢筋强反射信号的干扰，缺陷反射信号无法识别。图7中TE极化模式下的探测结果表明，表层钢筋的反射信号强度有所降低，钢筋背后空洞异常体的反射信号强度得到了大幅度地提升，呈现明显的抛物线状。这主要是由于表层钢筋的后向散射强度减弱，从而加大了进入混凝土内部的电磁波强度，有效地增强了空洞异常体的反射信号，提高了目标体的识别能力。

图6 TM极化模式检测结果图

图7 TE极化模式检测结果图

4 应用实例和结果解译

本文以某公路隧道钢筋混凝土衬砌结构质量检测为例，采用美国劳雷SIR-3000型地质雷达配合900 MHz天线进行隧道衬砌质量检测。公路隧道设计中，二衬钢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，地质雷达探测深度不小于1.3倍的最小有效探测深度。实际施工过程中，初支和二衬混凝土浇筑厚度可能会远远大于设计厚度，为了有效探测出初支与二衬、初支与围岩体的施工质量情况，本文中有效探测深度设置为1.25 m。

图8为隧道衬砌结构示意图，图9为隧道钢筋混凝土衬砌平面结构的测线布置示意图。以隧道衬砌的边墙检测数据为例，在同一测线位置分别采用地质雷达天线的TM极化模式和TE极化模式进行数据采集。图10为TM极化模式检测结果，该断面深度为0.1 m左右的位置，呈现为近似等间距规则的抛物线状弧形反射，反射信号清晰、明显，推测为二衬混凝土中钢筋的反射信号；二衬背后初支混凝土中无明显的异常反射信号。图11为TE极化模式检测结果，由于浅层钢筋的后向散射场最小，该断面二衬混凝土中钢筋的反射信号较弱，深度约0.75 m位置呈现规则的弧形反射信号，推测该位置为初支混凝土中的拱架反射信号。