地质雷达在混凝土完整性检测中的应用.pdf

第 3 8卷第 1 O期 2 01 1年 1 O月 建筑技术开发 Bui l di ng Te c hn i q u e De v e l o pme n t Vo 1 ． 38， No ．1 0 Oc t ． 201 1 地质 雷达在混凝土完整性检 测中的应 用 陈月顺 ( 1 ． 湖 北工 业大 学土木 工程 与建 筑 学院 ， 武汉 刘 莉 4 3 0 0 6 8 ； 2 ． 湖北 工业 大 学 图书馆 ， 武汉4 3 0 0 6 8 ) [ 摘要 ] 探地雷达作为 近 1 O几年来新兴起来的进行地下探 测 和混 凝土 无损检 测的一 种高新 技术 ， 具有操 作简单 ， 结 果稳定 的优点 。采用劳雷 S I R一 2 0型地质雷达 ， 对某轨道梁的混凝土完整性 进行检测 ， 同时与完好梁 的检测 结果进行对 比 ， 该梁混凝土完整性较好 。 [ 关键词 ] 地质 雷达 ； 混凝土 ； 完整性检 测 [ 中图分类号 ] T U 3 1 7 5 [ 文献标志码] B [ 文章编号 ] 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 1 0 — 0 0 2 1 - 0 4 APPLI CATI oN oF GRoUND P]E NETRATI NG R ADA R I N I NTEGRI TY DETECTI oN FoR CoNCRETE Ch e n Yu e ． s h u Li u Li [ Ab s t r a c t ] [ Ke y w o r d s ] As a h i g h- t e c h n o n— d e s t r u c t i v e t e s t i n g t e c hn o l o g y， t he g r o u nd pe n e t r a t i ng r a d a r h a s b e e n u s e d t o d e t e c t e me r g i n g u n de r g r o un d a nd c o nc r e t e d e f e c t o v e r t h e l a s t d e c a d e， whi c h b e u s e d s i mpl y a n d t h e s t a b i l i t y r e s ul t s c o ul d b e r e- c e i v e d．I n t hi s p a p e r ， t h e L a ur e SI R一 20 r a da r ha s be e n u s e d t o d e t e c t t he i n t e g r i t y o f a co nc r e t e r a i l b e a m， a t s a me t i me t he d e t ec t r e s u l t s h a v e b e e n c o mp a r e s t h e a i n t a c t b e a m， t he r e b e a g o o d a g r e e me n t be t we e n t h e m ， S O t he be a m c o nc r e t e i n t e g r i t y i s g o o d． g r o u nd pe ne t r a t i n g r a d a r ； c o n c r e t e； i n t e g r i t y d e t e c t i o n 探地 雷达是 近十几 年来 新 兴起 来 的进行 地 下 探 测和地面混凝土构筑物无损检测的一种高新技术 。 人 们从 2 0世 纪 3 0年代 初就 已开 始探 索和 研究 混凝土无损检测方法 ， 并获得迅速的发展 。2 0世 纪 7 0年代美国地球物理探测公 司( G S S I ) 研制生产 出第一台探地雷达， 探地雷达在混凝土无损检测 中 的应用大大提高了混凝土质量无损检测的速度和精 度 。2 0 0 5年水利部颁布了《 水利水 电工程物探规 程》 ， 将探地雷达作为检测混凝土强度、 缺陷和混凝 土内钢筋分布情况 的方 法之一 ； 《 建筑结构检测技 术标准》 也将雷达法作为钢筋位置 、 保护层厚度 和 钢筋 数量 检测 的方 法之 一 。 自 2 0世 纪 8 0年代 以来 ， 国 内引 进 了包 括 日本 应用 地质 株 式 会 社 ( O Y O 公 司 ) 的 G E O R A D A R 系 列 、 加 拿 大探 头及 软件公 司 ( S & S ) 的 P u l s e E K K O系 列 、 美 国地球 物理 探 测设 备 公 司 的 S I R 系列 及 瑞 典 的 R A MA C ／ G P R系列在 内的地 质雷达 。近些年 也 开发 了研制 可发 了 L T系列 地 质雷 达 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 —0 7—1 5 作者简介 ： 陈月顺 ( 1 9 7 5 - ) ， 男 ， 湖北人 ， 毕业于华中科技大学 ， 工学博 士 ， 副教 授 ， 现从事结构检测工作 。 1雷达 工作 原理 探 地雷 达发 射 和 接 收 的是 高 频 电磁 波 “ ， 根 据 电磁 波理论 ， 电磁 波 在 地下 介 质 中 的传 播 特 性取 决 于介质 的波阻抗 叩 ， 而 田又 主 要 与介 质 的相对 介 电常数 成比例关系， 即 叼=1 ／ 。当相邻两层介 质的 占存在差异时 ， 也就是两介质 的波阻抗 有差 异时， 使入射到两结构层分界面上 的电磁波产生反 射( 如图 1 所示 ) ， 形成反射波， 被地面仪器接 收到 ， 从而使该 结构层分界面被识 别 出来 。这种波 阻 抗差异可用反射系数 表示 ， 即 R ≈ ( 叼 一叼 1 ) ／ ( ， 7 2+卵 ) ( √ 占 一√ ： ) ／ ( √ 占 。 +~ ／ 8 ： ) 图 1 探地雷 达工作原 理 21 第 1 0期 陈月顺 ， 等 ： 地质雷达在混凝 土完整性检 测 中的应用 第 3 8卷 也可以用功率反射系数 P 表示 ， 即P =I l 。 反射 系数 直接 反 映 了介质 的 电性及 其 差异 。 由上述 表达 式可 知 ， 在一 定 深 度 范 围 内相 邻 两介 质 的相 对 介 电常数 差异 越 大 ， 反 射波 越强 ， 反 射界 面越 容易 识 别 。 地质 雷 达 由 发 射 天 线 T向 混 凝 土 介 质 中发 射 一 定 主频 的 电磁 脉 冲 波 ， 电磁 脉 冲 波 在 混凝 土 介质 中传 播 时 ， 遇 到 混 凝 土 介 质 中 的 物 性 介 面 ( 主 要 指 电阻率 和介 电 常 数 的 差 异 分 介 面 ) 时 ， 发 生 波 的反 射 和透 射 ； 被反 射 的 电磁 波传 回测 试 面 ， 被 接 收天线 R所接 收 。 电脑和 仪器 控制 并接 收从 接 收天 线 经 电 路 和光 缆传 回的混 凝 土 反 射 回波 信 息 ， 在 电脑 中存 储 每一 测 点上 波形 序 列 的振 幅 及 波 的旅 行 时 间 ， 沿 测 线 等间 隔移 动天 线 ， 在 每一 观 测 点 上 可 获 得 一 个 波 形序 列 ， 对 于整 条 测线 就 可 形 成 一 条 雷 达 剖 面 ( 如 图 2所 示 ) 。 厘 茁 艇 I冬 J 2宙 达 检 测 工 作不 恿 由于 不 同 的介 质 不 仅 会 引起 电磁 波 的反 射 ， 而 且 还会使 电磁波 发 生 衰 减 和 相位 等 特征 的变 化 ， 当 混凝 土 中存 在蜂 窝 、 空洞 或裂 缝 等缺 陷 ， 各 层介 质 的 介 电常 数有 明显 的差 异 ， 它 们 之 间 能 形 成 良好 的 电 磁 反射 界 面 。 当 结 构 层 发 生 破 损 ( 如 出 现 空 洞 、 裂 隙 、 脱空 等 ) ， 在 雷达 资 料 中便 会 出现 明显 的 特 征 反 射 ， 如蜂 窝 、 空洞 等 会 产 生 绕 射 等 ， 从 而 判 断 缺 陷 位 置及 范 围 。 22 2数据 处理 及 图像解 释 通 过对 雷 达 图像 的处 理 ， 使 探 测 目标 体 的信 号 反 映更加 明 显 ， 以帮 助 我 们判 读 混 凝 土 内部 的异 常 位 置及形 态 。主要 应 用如 下数 据处 理 的方法 来进 行 雷 达资料 的解 译 ’ 。 1 ) 原 始数 据 图面 分析 ； 2 ) 数 据零 点 分析 ； 3 ) 雷 达 图像谱 分 析 ； 4 ) 雷 达 数据 滤波 与背 景场 剔除 ； 5 ) 部 分 图像 道混 合 ； 6) 深 度 校正 。 普 通混 凝土 的雷 达反 射波 形特 征 和混凝 土 的密 实 程度 有关 ： 密 实度 好 的混 凝 土 反 射 波 衰减 速 度 基 本一致 ， 在图像上会显示出同相轴基本连续的特征 ， 反 之 ， 密实 度差 的混 凝土 ， 在 图像 上会 显示 同相轴 不 连续 的特 征 。若混 凝 土 内部 有 钢筋且 钢 筋走 向 和 雷 达 天线移 动方 向垂 直 ， 则 在 图 像 上 会 显示 出大 的 圆弧特 征 ， 若钢 筋走 向 和天线 移动 方 向平行 ， 则会 显 示 出波形粗 黑 的特征 。与普通 混 凝土 的雷 达反 射 波 形 相 比， 裂 缝处 由于空 气 的存 在 反 射 波 衰 减 速度 较 慢 ， 在 图像 上会 显示 出 同相轴 错 断 的特 征 。 同样 地 ， 由于 空气 层 的原 因 空洞 处 的 反 射 波 衰 减 速 度 也 较 慢 ， 在 图像 上会 显示 出同相轴 局 部错 断 的形态 ， 空 洞 的顶 部有 弧 形 反 射 波 。 出 现 同 相 轴 局 部 不 连 续 现 象 ， 是 空洞 在 雷达 图像 上 出现 的典型 特征 。 在 数 据 处 理 时 ， 先截 取 雷 达 波 形 图 中反 映 混 凝 土部 分 的数据 ， 然 后将 混凝 土表 面 部 分 雷 达 反 射 波 信号 全部 变 为 0， 最 后 进 行 增 益 、 滤 波 处 理 ， 对 各 个 测线 雷达 成像 彩 色 图 ， 图 中彩 条 的颜 色 表 示 雷 达 波 的相 对 幅值 。在 此基 础 上 ， 根 据 图 中 的数 据 作 在 此道 水平 测 线天线 移 动过程 中各测 点雷 达反 射波 幅 度 图和剖 面 方 向雷 达反 射波 的等 幅 度 线 的 轮 廓 图 。 在 雷达反 射 波 的幅值 有 明显突 变 的地方 则 可推 断为 孑 L 洞 的位 置 。然 后在 此分 析基 础上 ， 沿 深度 方 向 ， 根 据 各点 雷达 发射 波等 幅度 线找 到 幅度产 生 突变 的相 应 位置 ， 则 为孔 洞所处 的位置 。 在 雷 达成 像 剖 面 图分 析 的基 础 上 ， 进 一 步对 雷 达 反射 波 的信号 做水 平切 片分 析 ， 作 出水平 切 片 图 ， 在水平方向判断孔洞所处 的位置和大致形状。 在 同一 介质 、 同一 深 度 处 、 孔 洞 的尺 寸 越 大 ， 雷 达 反射 波 形 图 中 出现 衰 减 的 区 域 也 越 大 ， 越 容 易 识 别 。 二 维 切 片 分析 ， 在一 定 程 度 上可 以克 服 表 面 波 等 的 干扰 ， 可 以增 强对 某 特 定 目标 体 的 雷 达 反射 波 ～ 一 第 3 8卷 陈 月顺 ， 等： 地质 雷达在混凝 土完整 性检 测 中的应用 第 1 0期 信号 分 析 。 3 工程 实例 3 ． 1 工 程 概 况 某码 头 轨道 梁 部 分 长 7 5 5 ． 5 m， 混 凝 土 分 段 一 次性 浇 注成 型 ， 为排 除 混凝 土存 在 孔 洞 或 离 析 的可 能性 ， 通 过地 质 雷达 检 测 方 法对 轨 梁 梁 身 进 行 混凝 土完 整性 检 测 。截面 图如 图 3所 示 。 — — ] 『 ! —— L 磐 竺 算 — —— ———— —拌 萎 ’r⋯ 1’’ ’r’ ’1 ’’ 、 l L． 】 J ! 二 图 3轨道梁截面 3 ． 2测线布 置 现 场 仅存 在 一 个 测试 面 ， 即从 轨 道梁 顶 部 垂直 向下 进 行探测 。测 线 布置 采 用 网格 分 布 ， 并 取一 段 完好段作比对测试 ， 该完好 段纵 向及横 向测线的布 置均 同怀疑段 。雷达测线具体布置如图4所示 。 图 4测 线 布 置 在 进行 横 向测试 时 ， 由于 轨 槽及 轨 槽 内的钢 轨 等对地质雷达测试具有很强 的干扰作用 ， 且横 向测 线 长度较 短 ， 而纵 向测 线 长 度 较 长 ， 类 似 干扰 较 小 ， 测试 准确 程较 高 ， 故 在对 测 试 结 果 进 行 分 析 时 以纵 向测 线结 果 为主 ， 横 向测 线结 果 为辅 。 3 ． 3检 测设备 所用仪器为美国劳雷 S I R一 2 0型地质雷达主机 ， 配置 主频为 1 0 0 0 M／ 5 0 0 M 的屏蔽 天线 ， 数 据处 理采 用 R A D N A 6 ． 5专用的地质雷达数据处理分析软件。 根据 现场 调试 分析 结果 ， 确定 主要 参数 如下 ： 1 ) 每道 ( 即每 个地 面采 样点 ) 包括 1 0 2 4个 时 间 采样 点 ； 2 ) 1 0 0 0 M 天线 的 时间窗 ( 记 录长 度 ) 为 2 5 n s ， 5 0 0 M 天线 的 时间窗 为 5 0 n s ； 3 ) 采 用分 段增 益 ， 由浅 至深线 性增 益 。 3 ． 4检 测 结果分 析 从 轨道 梁 ( C H1 0 3 ． 4～1 2 1 ． 8 m) 2条 主要 测 线 即纵 向测 线 1和纵 向测 线 2 ( 如 图 5所 示 ) 进 行地 质 雷 达检 测得 到的 成像 结 果 图分 析 来看 ， 该 段从 轨 梁 顶面向下约 2 0 0 m m深度范围内钢筋反射信号较 明 显 ， 钢筋 间距 大小 不一 ， 一 般 约在 1 5 0 m m 左 右 。而 在 轨梁 顶面 向下超 过 2 0 0 m m 深 度 直至 梁 底 范 围 内 雷达 反射 波衰 减 速度 基 本 一 致 ， 在 成像 结果 图显 示 出各 同相轴基 本 连续 的特 征 ， 未 见 明显 同 相轴 错 断 和类似双曲线的弧形反射波。 长 m ( a ) 轨道梁纵向测线1 雷达成像结果 ( 全图) 长度， m ( b ) 轨道梁纵向测线2 雷达成像结果 ( 全图) 图 5 轨道梁纵 向测线雷达成像结果 2 3 2 0 2 4 6 8 O 2 4 6 8 O 2 4 6 8 0 O O 0 0 0 1●1l 2 2 2 2 2 星 2 0 2 4 4 8 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 0 O 0 O 011l 1l 2 2 2 2 2 g ， 葺 ～ 聪 第 1 0期 陈月顺 ， 等 ： 地质雷达在混凝土 完整性检 测 中的应用 第 3 8卷 从 轨梁 ( C H 1 0 3 ． 4～1 2 1 ． 8 m) 3 6条 辅 助 测 线 即 横 向测线 H 0 0 0～H 0 3 7进 行 地质 雷 达 检 测得 到 的成 像结 果 图来看 ， 除 了各 测线 中段 因轨槽 以及 轨槽 内已 安装的钢轨产生的强烈的雷达反射信号外 ， 其余部分 也 未见 明显 同相轴错 断和类似 双 曲线 的弧形反射 波 。 再 同完好 段 对 比段 ( 如 图 6所 示 ) 的 比对 测 试 结 果 分析来 看 ， 轨 道 梁 的 两条 纵 向测 线 的雷 达 检 测 长度， m 长度， m 图 6 对 比段纵向测线雷达成像结果 成 像结 果 图与 对 比段段 两条 纵 向测线 的雷达 检测 成 像 结果 图基本 一致 ， 同样 未见 堆 到梁 梁 身 混 凝 土 明 显缺 陷 的雷达 反射 信 号 。 综 合 以上检 测结果 ， 可判 定 轨道 梁 ( C H 1 0 3 ． 4～ 1 2 1 ． 8 m) 与对 比段 的梁身混凝 土完整 性基 本相 似 ， 内 部无 明显 的缺陷 ， 混凝 土完整性 较好 。 4 结语 地质 雷 达 作 为一 种 较 为 成熟 的检 测 技 术 ， 在 混 凝土 完整 性检 测 中得 到可 以定 的应 用 。但在 本 文应 用地 质雷 达对 钢筋 混凝 土 轨道 梁 的完整 性教 学 就进 行 了检测 ， 并 与完 好梁 进行 对 比 ， 二者 具 有较 好 的一 致性 ， 说 明轨 道梁 混凝 土完 整性 较好 。 参考文献 [ 1 ] 曾昭发 ， 刘西新． 探地雷达方 法原理 及应用． 2 0 0 6 ， 北 京 ：科学 出 版 社 [ 2 ] 袁新顺． 钢筋混凝土结构缺 陷的无损检测 技术研 究 ， 武汉 ：武汉 理工大学 ， 2 0 0 9 [ 3 ] 张 玉 海． 探 地雷 达 在 工 程检 测 中 的应 用． 混 凝 土 ， 2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 3 1—3 2 [ 4 ] 周立 功． 基础建设应用新技术 ． 2 0 0 0， 北京 ：石油工业出版社 [ 5 ] 黄金 山， 等． 基于地质雷达 的隧道超前 地质预报技 术及其应 用研 究 ． 山东科技 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 ) ： 4 7—5 2 [ 6 ] 王齐仁． 隧道 地质灾害超前探测方法研究 ， 中南 大学 ． 2 0 0 7 [ 7] 周治国． 隧道工程超 前地质预报技术研究 ， 同济大学 ． 2 0 0 4 [ 8 ] 杨川福 ． 探地雷 达在攀 田高速公路 隧道施工 中的应用研究． 长安 大 学 。 2 0 0 8 ( 上接 第 2 0页 ) 据可以知道 ， 墙体可靠度体现 为“ 下底上 高” ， 即下 部 墙体 更 易受 到破 坏 ， 这 与 实 际震 害相一 致 ， 主要 是 因为下 部 墙体 承受 的剪 力较 大 ， 抗力 不 足 ， 因而无 论 是在设 计 和加 固工 程 中 ， 都应 尤 其 注重 下 部 墙 体 构 件 的抗 震 性 能 。 5 结 论 以可 靠 性 向量 理论 为理 论 基 础 ， 所 介 绍 的 现役 砌体结构抗震性能评价方法 ， 可以得到砌体结构墙 体 的可靠性向量 ， 即得到结构在设计基 准期 内遭遇 地 震作 用 或结 构遭 遇 特定 强 度 地 震 作 用 时 ， 结 构 处 于安 全 、 中介 、 失 效 三个 状 态 的概 率 ， 定 量 的 给 } f { 结 构 的抗震性能 ， 为砌体结构的抗 震加固决策提供依 2 4 据 。该 方 法 简 单 、 适 用 ， 除 用 于砌 体 结 构 外 ， 通 过 选 取相应 的抗力指标 ， 还可用 于其它结构体系的抗震 性 能评 价 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘立新． 砌体结构 [ M] ． 武汉 ： 武汉理工大学 出版社 ， 2 0 0 3 [ 2 ] 王光远 ， 张鹏 ， 陈艳 艳 ， 等 ． 工程结 构及 系统 的模糊 可靠性 分析 [ M] ． 南京 ： 东南大学出版社 ， 2 0 0 1 [ 3 ] 王光远 ， 王文泉 ， 欧进萍． 系 统的广 义可靠度 [ J ] ． 系统 工程理论 与实践 ， 1 9 8 8 ， ( 1 )： 6—1 3 [ 4 ] 王光远 ， 于玲． 抗地震结构三级设防的可靠性分 析[ J j ． 哈尔 滨建 筑大学学报 ， 2 0 0 2， 3 5 ( 1 ) ： 1—6 [ 5 ] 高 晓旺， 鲍霭斌 ． 地震作用 的概率模型及其统计 参数 [ J ] ． 地 震] 程 与 工程 振 动 ， 1 9 8 5 ， ( 1 )： 4—7 2 0 2 4 6 8 O 2 4 6 8 O 2 4 6 8 O O 0 0 O 0● ， 2 2 2 2 2 E 、 2 O 2 4 4 8 O 2 4 6 8 O 2 4 6 8 O O O O O 0 ， 2 2 2 2 2