探地雷達在港工混凝土結構檢測中的應用研究

吉同元，李鵬飛，陳子祎，秦網根

（1.江蘇省水運技術研究中心，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京210014）

探地雷達在港工混凝土結構檢測中的應用研究

吉同元1，2，李鵬飛1，2，陳子祎1，2，秦網根1，2

（1.江蘇省水運技術研究中心，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京210014）

本文通過模型試驗和工程應用，研究了探地雷達在港工混凝土結構檢測中的應用技術。首先通過4組模型試驗系統研究不同直徑、不同埋深、不同間距和不同層數的鋼筋對雷達接收波形特征的影響，得到了探地雷達檢測混凝土結構的使用方法和適用條件。在此基礎上，以某高樁碼頭為依托，分別應用雷達法和電磁法對混凝土構件進行了檢測，發現雷達法檢測準確性可滿足工程要求，除此在操作性和結果的直觀性上雷達法更具優勢。

探地雷達；港工檢測；混凝土；鋼筋參數

引 言

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）又稱透地雷達、地質雷達，是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種無損探測方法。早在1910年，Letmbach和Lowy首次闡述了探地雷達的基本概念，1926年Hdlsenbeck成功將該技術應用于工程實踐［1］。二十世紀八十年代，中國引進了探地雷達技術，眾多學者對其基本原理、測試方法、數據處理和圖像解釋等方面開展了大量研究［2～5］。目前探地雷達技術已經在礦產資源勘察、考古、環境工程、工程檢測等領域獲得了廣泛應用［6～9］。

混凝土結構檢測做為工程檢測的重要內容，其傳統方法主要有超聲法、回彈法、取芯法等。與上述方法相比，探地雷達技術具有實時連續、高精度、快速和無損的特點［10］，能夠很好地推動檢測行業的發展。但是目前該技術在港工混凝土結構檢測中的應用研究還十分匱乏，還未形成系統的規范，技術的應用較大程度地依賴于檢測人員的經驗和知識水平，嚴重阻礙了該技術的推廣應用。本文首先簡要分析了探地雷達的工作原理，然后通過模型試驗，系統研究不同直徑、不同埋深、不同間距和不同層數的鋼筋對雷達接收波形特征的影響，最后將該技術應用到高樁碼頭的結構檢測中。

1 探地雷達工作原理

圖1 探地雷達工作原理示意

探地雷達應用于混凝土結構檢測時，首先探地雷達通過發射天線將高頻電磁波以短脈沖形式發送到混凝土內部，電磁波在混凝土內部傳播時一旦遇到存在電性差異的界面（如鋼筋、混凝土缺陷等）便會產生發射，反射信號由接收天線接收。然后對信號進行處理分析，提取反射信號的振幅、波形、時頻特征等，進而推斷混凝土內部的鋼筋分布和缺陷情況等。根據探地雷達工作原理示意（圖1）可知，脈沖波的行程時間為：

式中：t為電磁波的總行程時間；z為目標體的埋深；x為發射天線和接收天線的距離；v為電磁波在介質中的傳播速度。

對于非磁性、非導電介質，傳播速度一般可用下式計算：

式中：c為真空中電磁波傳播速度0.3 m/ns；rε為相對介電常數。

2 模型試驗

試驗采用美國 SIR-3000型探地雷達進行檢測，共設計2個混凝土試塊，按照上下面布筋不同共分為四組試驗，分別研究混凝土結構中鋼筋直徑、鋼筋埋深、鋼筋間距和鋼筋層數對雷達圖像的影響。

2.1 模型設計

2個混凝土試塊均為長方體，采用C30混凝土澆筑而成。試塊內部鋼筋埋設和缺陷設置根據試驗目的確定，鋼筋兩端均露出試塊5 cm，以便準確測定鋼筋參數。

試塊一用于研究鋼筋直徑和鋼筋埋深對雷達圖像特征的影響，尺寸為150 cm×50 cm×70 cm。如圖2所示，試塊一上側布置4根鋼筋，直徑從左往右分別為20、6、12、32mm，鋼筋間距15 cm，埋深5 cm。下測布置6根鋼筋，直徑為20mm，鋼筋間距10 cm，埋深分別為10、20、30、40、50、60 cm。

圖2 試塊一

試塊二用于研究鋼筋間距和鋼筋層數對雷達圖像特征的影響，尺寸為150 cm×50 cm×35 cm。如圖3所示，試塊二上側布置6根鋼筋，直徑為12 cm，間距從左向右分別為2、18、8、12、5 cm，埋深10 cm。下側布置2層鋼筋，鋼筋直徑20 cm，間距10 cm，埋深依次為5 cm和15 cm。

圖3 試塊二

2.2 試驗儀器

儀器采用美國 SIR-3000型探地雷達，配合1 600 MHz天線。具體參數設置如下：發射率為100 kHz，數據采集模式為距離模式，采樣點數為512，測程為10 ns，數據位為16，增益設置為5點自動增益，濾波器采用有限響應濾波器，垂向低通濾波值為 250 MHz，垂向高通濾波值為3 000 MHz。

圖4 探地雷達檢測

2.3 試驗結果分析

根據試驗方案，共得到四組雷達初始采集圖像。利用雷達測得的雙線程走時和實測鋼筋保護層厚度，根據公式（1）和公式（2）計算試塊的介電常數rε。再根據地面反射波法去除首層波干擾，對頭文件進行統一化處理。在此基礎上對圖像進行濾波和F-K偏移處理，得到如圖5～圖8所示的4種工況的灰度剖面，其中每種工況的左圖為濾波后的灰度剖面，右圖為F-K偏移處理后的灰度剖面。

1）鋼筋直徑對雷達圖像的影響

圖5 工況一灰度剖面

圖5（左）為工況一濾波后的雷達灰度剖面，由于鋼筋對高頻電磁波有很強的繞射作用，所以在鋼筋位置處形成十分明顯的“V型”曲線，曲線頂部即為鋼筋位置。除此，由于相臨的繞射波相互疊加，在兩根鋼筋的斜下方也會形成類似的繞射雙曲線，從而形成一定干擾，影響剖面解釋。為此，可利用F-K偏移法對圖5（左）進一步處理得到如圖 5（右）所示的灰度剖面，從該圖中可以看出，F-K偏移法去除了大量雜波以及鋼筋繞射波之間的疊加干擾，更為準確地標示了鋼筋位置。

圖 5中四根鋼筋產生的繞射曲線從能量強度、弧度大小、形態等都非常相似，很難直接分辨出鋼筋直徑的差異。為進一步了解其他相關鋼筋參數，通過交換式解釋計算得到四根鋼筋的保護層厚度，如表1所示。從表1可知，利用探地雷達交換式解釋計算得到的保護層厚度與實測值非常接近，可用于實際工程檢測。

表1 保護層厚度測試結果對比

2）鋼筋埋深對雷達圖像的影響

圖6 工況二灰度剖面

圖6為工況二對應的兩個雷達灰度剖面，從圖中可以看出隨著鋼筋埋深逐漸增加，反射波的能量越來越弱。該工況下共有6根不同埋深的鋼筋，濾波后的灰度剖面圖中，埋深10 cm處的鋼筋“V型”曲線非常清晰，往下逐漸模糊，當埋深為30 cm時其“V型”曲線已變得非常模糊，很難判斷鋼筋位置，再往下的三根鋼筋（埋深30、40、50 cm）則無繞射曲線。通過進一步偏移處理得到的灰度剖面圖，其規律與左圖基本一致，埋深30 cm處的鋼筋標示也十分模糊。因此用1 600 MHz雷達天線檢測混凝土中鋼筋位置時，鋼筋埋深不宜超過30 cm。

3）鋼筋間距對雷達圖像的影響

圖7為工況三對應的兩個雷達灰度剖面，該工況共設有8根不同間距的鋼筋，在兩幅剖面圖中都只能找到7個鋼筋標示點。通過與模型試件對比發現，鋼筋間距在0.02 m時（圖中從左往右第三個標示），兩根鋼筋的繞射曲線相互疊加，在左圖中“V型”曲線頂點處亮度增加，范圍變大，在右圖中，鋼筋的標示點變大，形成一個繞射能量團，很難分辨此處有兩根鋼筋。除此，鋼筋間距在0.05 m時（圖中最右側兩個標示），兩側鋼筋的繞射曲線疊加情況也十分嚴重，在左圖中兩根“V型”曲線基本重疊，曲線頂點顯著增大，很難分辨鋼筋數量，通過F-K偏移處理，在右圖中，兩個鋼筋標示點基本粘連在一起，但基本能判斷鋼筋數量。因此用1 600 MHz雷達天線檢測混凝土中鋼筋位置時，鋼筋間距不宜小于0.05 m。

圖7 工況三灰度剖面

4）鋼筋層數對雷達圖像的影響

圖8 工況四灰度剖面

圖8為工況四對應的兩個雷達灰度剖面。在左圖中由于鋼筋間距較小，所以多個鋼筋繞射曲線相互交匯，在鋼筋間及其下方形成很多高能量點，剖面變得非常復雜。同時，由于下層鋼筋埋深較大和上層鋼筋的屏蔽作用，致使下層鋼筋網反射波非常弱，與上層鋼筋的多次波連在一起，很難分辨二層鋼筋位置。經過進一步偏移處理得到右圖，從右圖中可以看出處理后鋼筋屏蔽作用明顯減小，下層鋼筋的繞射雙曲線比較完整，其頂點為鋼筋的位置，但能量明顯比上層繞射雙曲線弱。偏移處理后，繞射波能量被很好地集聚于繞射雙曲線頂點處，其能量大于多次波的能量，相對壓制了多次波，突出了有效信號。

3 工程應用

3.1 工程概況

某碼頭采用高樁梁板結構，岸線總長450 m，寬度18 m，共10個結構段，碼頭前沿水深-5.80 m，碼頭面標高4.10 m。碼頭樁基采用600mm×600mm預應力空心方樁，排架間距為7 m，共70個排架，每個排架7根樁其中2根斜樁，5根直樁。樁基頂部設現澆混凝土橫梁，上部結構采用預制安裝靠船構件、縱梁、管溝梁、面板及現澆碼頭混凝土面層結構。

3.2 檢測結果分析

本次檢測同時采用探地雷達法和傳統的電磁法，對高樁碼頭的管溝梁、邊梁、軌道梁、橫向進行掃描檢測。檢測儀器分別選用SIR-3000型探地雷達（1 600 MHz天線）和ZBL-R620混凝土鋼筋檢測儀。

探地雷達對構件掃描后得到如圖 10所示的灰度剖面（由于篇幅有限，此處以管溝梁為例），通過灰度剖面圖可以直觀地了解構件內部鋼筋的分布情況。在此基礎上進行交互式解釋得到鋼筋保護層厚度和間距。

圖9 管溝梁結構

圖10 管溝梁雷達檢測

電磁法檢測時先輸入被測構件的主筋直徑，再將探頭在混凝土結構表面垂直主筋方向來回移動，通過電磁感應，由顯示器指示與鋼筋的距離，同時程序自動儲存最小值最為保護層厚度。電磁法檢測鋼筋間距需要現在構件表面劃分網格，港工結構檢測時，測試條件較差，很難實現電磁法的間距檢測。

各構件的檢測結果如表2～表3所示，由表2可知，表2中偏差指雷達法和電磁法測得的保護層厚度相對偏差。雷達法和電磁法的檢測結果十分接近，這說明雷達法也可用于港工混凝土結構檢測。除此，與電磁法相比，雷達法檢測港工混凝土構件時操作更加便捷，檢測結果形象準確，可同時得到鋼筋保護層和鋼筋間距。

表2 構件保護層檢測結果

表3 構件鋼筋間距檢測結果

4 結 論

本文通過模型試驗和工程應用，研究了探地雷達在港工混凝土結構檢測中的應用技術。首先通過四組模型試驗，著重分析了鋼筋直徑、鋼筋埋深、鋼筋間距和鋼筋層數對雷達灰度剖面的影響，并得到如下結論：

1）探地雷達使用1 600 MHz雷達天線能夠準確地檢測出鋼筋保護層厚度，但不能判斷鋼筋直徑。

2）用1 600 MHz雷達天線檢測混凝土中鋼筋位置時，鋼筋最大埋深不宜超過30 cm，鋼筋最小間距不宜小于5 cm，否則極易造成誤判。

3）用探地雷達檢測混凝土中的多層鋼筋時，內層鋼筋受外層鋼筋的多次波影響，反射信號較弱，可使用偏移處理，突出有效信號。

在此基礎上，本文將探地雷達應用于某高樁碼頭混凝土構件的檢測中，具體檢測了管溝梁、邊梁、軌道梁和橫向。通過與傳統的電磁法相比，雷達法操作便捷、檢測結果不但準確且更為直觀。該方法在港工混凝土結構檢測中具有廣闊的應用前景。

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Study on Application of Ground Penetrating Radar in Detecting Harbor Concrete Structure

Ji Tongyuan1，2，Li Pengfei1，2，Chen Ziyi1，2，Qin Wanggen1，2
（1.Aquatic Transportation Center of Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210014，China； 2.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210014，China）

Model test and engineering application are adopted to study how ground penetrating radar （GPR）applies to the detection of harbor concrete structure.Firstly four model test systems show the change to the characteristic of wave

by radar against the steel bars with different diameters，embedded depth，spacing and number of layers，which deduces the method and appropriate conditions of applying GPR in detecting concrete struture.In the case，the concrete structures of one piled wharf are detected by using GPR and electromagnetic method respectively.the results show that the accuracy of GPR satisfies the engineering demand，in addition，GPR method is of operational and visual advantages.

ground penetrating radar； harbor work detection； concrete； reinforcement parameters

TV332

A

1004-9592（2016）05-0109-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160527

2016-01-07

吉同元（1981-），男，高級工程師，主要從事基礎工程、港口工程的檢測評估工作。