探地雷達(dá)在橋梁預(yù)應(yīng)力管道定位檢測(cè)中的應(yīng)用

潘海結(jié)，黃福偉，2

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶400067）

預(yù)應(yīng)力是為了改善結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用條件下的工作性能而在使用以前預(yù)先施加的永久性?xún)?nèi)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋是結(jié)構(gòu)中的主要受力單元，是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的部分。如何對(duì)預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行定位檢測(cè)，進(jìn)而確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的位置和壓漿實(shí)度是預(yù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要問(wèn)題，開(kāi)展這方面的研究對(duì)保證橋梁的耐久性和安全性，以及對(duì)于此類(lèi)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的決策等至關(guān)重要[1]。

1 探地雷達(dá)工作原理

1.1 基本原理

探地雷達(dá)采用脈沖的高頻電磁波進(jìn)行探測(cè)，高頻電磁波在介質(zhì)中的傳播服從麥克斯韋方程[2-3]。即

式中：?為位置坐標(biāo)偏導(dǎo)數(shù)，表示勢(shì)聲3個(gè)自由度方向上一階偏微分的矢量和；ρ為電荷密度，C·m-3；J為電流密度，A·m-2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V·m-1；D為電位移，C·m-2；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A·m-1。

該方法是一種對(duì)地下目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。其基本工作原理是：利用一個(gè)天線發(fā)射電磁波，另一個(gè)天線接收界面反射波，根據(jù)反射波的雙程走時(shí)、振幅、極性特征、頻譜特征以及反射波的形態(tài)特征等參數(shù)資料，來(lái)推斷目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)等情況，從而達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的目的[4-6]，見(jiàn)圖1。

圖1 探地雷達(dá)工作示意圖Fig.1 GPR work scheme

1.2 介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)[7-8]

1）介質(zhì)的介電常數(shù)。介電常數(shù)ε是一個(gè)無(wú)量綱的物理量，它表征一種介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下極化效應(yīng)大小的性質(zhì)，也稱(chēng)電容率。極化效應(yīng)對(duì)外加電場(chǎng)有消減作用，強(qiáng)的極化效應(yīng)阻礙電磁波的傳播，這就是介電常數(shù)大，電磁波速度小的本質(zhì)。介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的界面，會(huì)引起電磁波的反射，反射波的強(qiáng)度與兩種介質(zhì)的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的差異有關(guān)。即使介電常數(shù)差異不大，也能產(chǎn)生雷達(dá)可以檢測(cè)到的反射波。

2）介質(zhì)的磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率μ表征介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁感應(yīng)能力的強(qiáng)弱，是一個(gè)無(wú)量綱物理量。絕大多數(shù)工程介質(zhì)的磁導(dǎo)率都接近1，對(duì)電磁波傳播特性無(wú)重要影響。但是對(duì)于鐵、硅鋼等鐵磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率很高，對(duì)電磁波的傳播的影響很?chē)?yán)重，衰減很大。

3）介質(zhì)的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率σ是表征介質(zhì)導(dǎo)電能力的參數(shù)，電導(dǎo)率高導(dǎo)電性好，在外電場(chǎng)作用下傳導(dǎo)電流大，能量損耗強(qiáng)。

低電導(dǎo)介質(zhì)：電磁波衰減小，適宜雷達(dá)工作。中電導(dǎo)介質(zhì)：電磁波衰減大，雷達(dá)勉強(qiáng)工作。高電導(dǎo)介質(zhì)：電磁波衰減大，難于傳播。常用工程介質(zhì)的電磁參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常用介質(zhì)的電磁參數(shù)Tab.1 Eletromagnetic parameter of the common media

1.3 電磁波的反射與折射

當(dāng)雷達(dá)波由低速介質(zhì)進(jìn)入高速介質(zhì)，反射系數(shù)為正，反射波的極性與入射波相同。當(dāng)雷達(dá)波由高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)，反射系數(shù)為負(fù)，反射波的極性與入射波相反。雷達(dá)波由混凝土向進(jìn)入預(yù)應(yīng)力鋼筋傳播時(shí)，是由高速進(jìn)入低速，反射系數(shù)為負(fù)，反射波極性與入射波相反。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

預(yù)應(yīng)力混凝土板，1.5 m×0.6 m×2 m。板內(nèi)埋設(shè)一層預(yù)應(yīng)力管道，直管；管道直徑Φ80（內(nèi)徑Φ70），金屬管和塑料管各3根，共6根，管道編號(hào)為M1，M2，M3，M4，M5，M6；管道內(nèi)穿 Φs15-9鋼絞線；分別做成真空、灌漿密實(shí)和灌漿不密實(shí)3種情況各2根；板頂面和底面各設(shè)置一層普通鋼筋，縱向鋼筋采用Φ16鋼筋，間距12 cm；箍筋采用Φ10鋼筋，間距16 cm；采用C60混凝土，模型見(jiàn)圖2。

儀器采用意大利IDS公司的RIS-K2型探地雷達(dá)，天線選擇由4個(gè)1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣，有效探測(cè)深度可以達(dá)到0.5 m，水平最小分辨率5 mm。

根據(jù)探測(cè)目的的不同，測(cè)線布置也會(huì)有所差異，但一般的原則是橫豎交叉布置，特別是探測(cè)鋼筋、預(yù)應(yīng)力束時(shí)，有平行與垂直與鋼束的測(cè)線。為方便比較，本次試驗(yàn)測(cè)線布置為平行于管道軸向和垂直于管道軸向，測(cè)線布置見(jiàn)圖3（C1～C7依次表示1～7號(hào)沿線）。

圖2 模型設(shè)計(jì)橫截面圖（單位：cm）Fig.2 Cross-sectional images of model design（unit：cm）

圖3 測(cè)線布置圖Fig.3 Layout of monitoring lines

2.2 探測(cè)數(shù)據(jù)處理分析與圖像解釋

1）1號(hào)測(cè)線（垂直于管道軸向）。當(dāng)測(cè)線垂直于預(yù)應(yīng)力管道時(shí)，管道在雷達(dá)檢測(cè)T-D圖上顯示的波形為向上凸起的弧形，弧頂為管道頂部位置根據(jù)雷達(dá)剖面圖，預(yù)應(yīng)力管道均能分辨出。1號(hào)測(cè)線3號(hào)通道雷達(dá)檢測(cè)剖面圖見(jiàn)圖4。預(yù)應(yīng)力管道M1～M6雷達(dá)探測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 1號(hào)測(cè)線3號(hào)通道雷達(dá)檢測(cè)剖面圖Fig.4 Radar detection section of Tunnel 3，Monitoring Line 1

表2 1號(hào)測(cè)線3號(hào)通道探測(cè)結(jié)果Tab.2 Detection result of Tunnel 3，Monitoring Line 1

2）5號(hào)測(cè)線（平行于管道軸向）。當(dāng)測(cè)線垂直于管道軸向時(shí)，在雷達(dá)檢測(cè)T-D圖上，顯示的是一條隨管道軸向位置變化的曲線，根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)剖面圖，M4管道的位置能夠很明顯的分別出來(lái)，5號(hào)測(cè)線4號(hào)通道達(dá)檢測(cè)剖面圖見(jiàn)圖5。5號(hào)測(cè)線4號(hào)通道探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6其他各測(cè)線探地雷達(dá)均能檢測(cè)出管道的位置，在此不一一列出。

圖5 5號(hào)測(cè)線4號(hào)通道雷達(dá)檢測(cè)剖面圖Fig.5 Radar detection section of Tunnel 4，Monitoring Line 5

圖6 5號(hào)測(cè)線4號(hào)通道雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Radar detection result of Tunnel 4，Monitoring Line 5

2.3 小結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知，測(cè)線垂直于管道軸向（即天線偶極子方向平行于管道軸向）和測(cè)線平行于管道軸向均能探測(cè)出管道位置，垂直于預(yù)應(yīng)力管道時(shí)，雷達(dá)檢測(cè)T-D圖上顯示的是向上凸起的弧形，弧頂為管道頂部位置根據(jù)雷達(dá)剖面圖，平行于管道軸向時(shí)，雷達(dá)檢測(cè)T-D圖上顯示的是一條隨管道位置變化的曲線，垂直于管道軸向時(shí)，信號(hào)較強(qiáng)，能對(duì)管道進(jìn)行有效探測(cè)，有利于尋找預(yù)應(yīng)力管道位置，測(cè)線平行于管道軸向，信號(hào)較弱，但是平行于管道軸向有利于追蹤管道的線性變化。

3 工程應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 工程概況

重慶市北濱路某小箱梁橋，為了能夠?qū)υ摌蜻M(jìn)行更加全面的養(yǎng)護(hù)管理，由于缺乏原始資料，要求對(duì)小箱梁預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行定位檢測(cè)，現(xiàn)取外側(cè)第一片小箱梁外腹板。

儀器依然使用意大利IDS公司的RIS-K2型探地雷達(dá)和由4個(gè)1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣，由于測(cè)線垂直于管道軸向，信號(hào)較強(qiáng)，因此測(cè)線布置為垂直于管道軸向，由跨中向支座，沿著腹板向上布置4條測(cè)線。

3.2 數(shù)據(jù)處理分析與圖像解釋

圖7～圖10為4條測(cè)線雷達(dá)檢測(cè)剖面圖，預(yù)應(yīng)力管道均能分辨出。

圖7 1號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖Fig.7 Radar detection section of Monitoring Line 1

圖8 2號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖Fig.8 Radar detection section of Monitoring Line 2

圖9 3號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖Fig.9 Radar detection section of Monitoring Line 3

圖10 4號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖Fig.10 Radar detection section of Monitoring Line 4

建立坐標(biāo)系，以腹板下緣為原點(diǎn)，以雷達(dá)掃描方向?yàn)閤軸正方向，管道埋深為y軸正方向，雷達(dá)探測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

其他箱梁各腹板探地雷達(dá)均能檢測(cè)出預(yù)應(yīng)力管道的位置，在此不一一列出，為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)個(gè)別預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行破孔論證，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，選取了第4片梁的一側(cè)腹板進(jìn)行破孔驗(yàn)證，說(shuō)明，檢測(cè)結(jié)果與破孔實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，基本上反映了預(yù)應(yīng)力管道的位置。

表3 雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Tab.3 Radar detection result cm

3.2 小結(jié)

意大利RIS-K2地質(zhì)雷達(dá)和由4個(gè)1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣系統(tǒng)，能夠?qū)ξ挥谄胀ㄤ摻钕路降念A(yù)應(yīng)力管道，進(jìn)行定位檢測(cè)，準(zhǔn)確度較高，方便實(shí)用。

4 結(jié)論

通過(guò)探地雷達(dá)在公路橋梁預(yù)應(yīng)力管道無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用可以得出以下結(jié)論：

1）高精度探地雷達(dá)作為一種快捷、高效、準(zhǔn)確度搞的無(wú)損檢測(cè)工具，已用于工程質(zhì)量檢測(cè)，特別是在公路橋梁預(yù)應(yīng)力管道檢測(cè)中，可推廣應(yīng)用。

2）探地雷達(dá)是利用電磁波在介質(zhì)中的傳播進(jìn)行探測(cè)的，然而橋梁預(yù)應(yīng)力管道處于多層鋼筋和混凝土的包裹之中，雷達(dá)電磁波受到鋼筋間的相互干擾、邊界條件、混凝土內(nèi)部缺陷等影響下的傳播規(guī)律，有待于我們進(jìn)一步的研究。

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