浅析探地雷达对混凝土结构的检测效果

浅析探地雷达对混凝土结构的检测效果

摘要:本文通过介绍探地雷达的工作原理和方法，并结合工程实例揭示了探地雷达在混凝土结构中的检测效果。。

关键词： 探地雷达混凝土结构检测 效果

Abstract: This paper introduces the working principle of ground penetrating radar and method, and combined with the project examples it reveals the ground penetrating radar in concrete structure detection..

Key words: ground penetrating radar detection effect of concrete structure

目前，在检测混凝土内部缺陷时所使用的物探方法比较多，有声波法、振动反射法、核磁共振法、红外成像法等，但是这些方法的使用各有利弊。探地雷达扫描方法以其快捷方便，分辨率高、图像直观，对目标体可连续检测等独特之处，在混凝土无损检测中迅速地发展和广泛地应用。

混凝土无损检测技术是在不破坏结构构件的前提下，直接从结构物上进行测试，以确定混凝土内部缺陷及钢筋分布情况，或推定混凝土的强度。因此，可以对混凝土结构进行重复测试，既适用于工程建设过程中混凝土质量监测，又适用于工程竣工验收和建筑物使用期间混凝土质量的检定。

1 探地雷达的资料处理及解释

雷达图像常以脉冲反射波的波形来记录，以波形或灰度显示雷达探测剖面图，对图像进行解释是探地雷达检测的根本目的。然而，探地雷达图像所反映的是介质的电性分布，要把介质的电性分布转化为目标体分布，需综合运用探地雷达信号的各种特征进行系统的分析。

雷达资料解释包括两部分的内容，一是数据处理，二是图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，对实测数据也有影响。因此，必须对接收信号实施适当地处理，以改善资料的信噪比，为进一步分析解释提供清晰可辨的图像。

图像解释就是识别异常，这是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由大量工程实践成果的获得。只有获得高质量的雷达图像并正确的判别异常才能获得可靠、准确的地质解释结果。

2 混凝土内部异常识别

2.1缺陷判定

根据电磁波的反射原理可知，当混凝土均匀、质量较好而不存在异常时，只能在混凝土衬砌界面与围岩界面上形成反射波。[3]反射波的强度与两种介质的波阻抗差异有关，若差异较大，会形成较明显的反射现象；反之，反射现象较弱。

当混凝土与围岩结合部位有脱空缝时，由于脱空缝中多以空气或水充填，充填物与混凝土的波阻抗差异较大，会形成较强的反射现象。当混凝土内部存在有蜂窝、空洞等缺陷时，一般情况下缺陷体内充填物也多以空气和水为主，其波阻抗远远小于混凝土的波阻抗，因此在这些缺陷部位会发生较强的反射和散射现象。当混凝土中存在不均匀体时，与周围均匀、密实的混凝土形成波阻抗差异，因此，在不均匀处也能形成反射现象，但这种反射较前者要弱。

混凝土内部异常缺陷的形态和体积各不相同，分布范围不连续，而且分布位置深浅不一，因此，在雷达探测剖面图中则反映为反射波位置不连续，呈间断出现、反射信号能量大小不一等特征。

2.2钢筋识别

根据反射系数Pr的定义：。其中， 为第二层介质的介电常数， 为第一层介质的介电常数，当Pr>0.01时，就能有足够的反射。

金属导体中电磁波速度为零，不能传播。[4]混凝土中钢筋对于电磁波的能量几乎全部都反射回来，反射系数Pr接近于1，反射振幅特别强。应用高频天线探测，钢筋形成向上凸起的清晰的反射弧，呈半张开的伞形，弧顶即为钢筋的顶部位置。

在多层钢筋结构中，对于介质表层的第一排钢筋能够较好的检测出来；对于第二排钢筋的检测，由于受雷达系统固有特征的限制，[5]以及钢筋直径、间距和表层钢筋反射波的干扰，一般不易测出，但在检测环境较好时，偶尔能够实现。

3 探地雷达的工作原理和方法

3.1探地雷达工作的基本原理

探地雷达检测方法是一种探测地下介质分布的广谱电磁技术。[1]探地雷达将高频电磁波以宽频带、短脉冲形式由发射天线送入地下。该雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，部分雷达波的能量被反射到地面，由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。雷达探测的是来自地下介质交界面的反射波，每一记录道的雷达数据u(t)可看作是雷达脉冲子波b(t)与反射系列R(t)的褶积，[2]即

子波b(t)取决于所用的雷达系统，而R(t)则包含了地下介质的信息。雷达通过记录反射波到达时间和反射波的幅度来研究介质分布。

3.2检测方法

探地雷达扫描方法用于检测混凝土厚度、内部缺陷和混凝土内部钢筋分布情况。现场工作时，雷达探测采用剖面法进行观测，固定天线距和测点距，雷达系统沿测线同步移动，一发一收连续采集形成一幅雷达图像，通过对雷达扫描图像的判读和识别，来分析确定探测目标体的埋深和分布特征。

4 工程检测实例

4.1混凝土内部缺陷检测

某水库溢洪道泄槽陡坡为钢筋混凝土结构，设计厚度为1.0m，钢筋直径为Φ16mm。施工时对下部破碎基岩进行开挖处理。工程竣工验收时，应用探地雷达对混凝土结构进行了全面检测。

检测时采用瑞典生产的RAMAC探地雷达，主机型号是CUⅡ，采用800MHz屏蔽天线，使用测量轮触发，设置采样频率为12GHz，样点数为480，时间窗口为40ns，道间距分别为0.02m和0.03m，叠加次数为自动叠加。从雷达检测成像剖面图中可以分析，混凝土内部异常缺陷主要为混凝土孔隙、不密实、脱空等，深度集中在0.2～0.8m。对比施工现场由于混凝土施工中预留有施工缝，造成天线耦合不好从而引起震荡干扰。在检测剖面图显示的1m深度附近有一处明显的反射界面，分析认为是混凝土与开挖基岩的接触界面。

此次工作所选择的800MHz屏蔽天线的最小分辨尺寸为20mm，而混凝土内部钢筋直径为16mm，因此，在剖面图中难于识别出钢筋位置的分布。

为了进一步加以验证，在雷达探测的大面积缺陷区进行了破损性检测，通过钻孔取芯发现混凝土上部芯样完整性较好，但孔隙较多，下部芯样破碎，呈蜂窝状，局部钻孔底部芯样无法取出。

4.2混凝土内部钢筋检测

依据客户需求，我们使用探地雷达对新建成的钢筋混凝土槽架桥墩进行检测。检测时使用1.6GHz屏蔽天线，采样频率为30358 MHz，样点数为250，时间窗口为8ns，道间距为0.01m。通过对雷达数据的滤波和增益等数字处理及参数调整后,生成以灰度显示的雷达图像，由混凝土内部钢筋检测剖面图像可以看出，钢筋间的相互干扰较小,图像能够保持完整的弧形，钢筋易于识别。根据分析测量，钢筋保护层厚度约为7～8cm；钢筋间距从左向右分别约为26cm、29cm、22cm、24cm、23cm、20cm、31cm。在第7根和第8根钢筋之间，混凝土内部有异常缺陷，这可能是造成钢筋间距加大的原因。由检测结果认为混凝土结构内部无缺筋现象，钢筋排列基本水平，但钢筋间距变化较大，存在有变形。

此外，还可以通过雷达剖面图来粗略估算钢筋直径，方法为在常用的制图软

件中把检测剖面图导入，并根据图中钢筋反射弧的形状作一个与其外轮廓最接近的圆,再以图中右侧的深度坐标轴刻度为基准，便可以得出各位置钢筋的估计直径。实际上，当钢筋直径越大时,该方法的估计误差越小；直径越小时,误差越大。

由于在雷达图像中钢筋的弧形大小受天线频率、钢筋直径、混凝土及钢筋介电常数等诸多因素的影响，钢筋的实际直径很难精确获得。要评估钢筋的直径，还须经过大量的模型实验，以确定反射强度与钢筋直径的关系。

应用1GHz屏蔽天线对钢筋混凝土桥面进行钢筋检测，道间距为0.02m，采用测量轮触发，采样频率为18513MHz，样点数为480。经过对原始资料处理得到了桥面检测的内部钢筋位置分布的雷达图像，图像中的钢筋网排列紧凑密集，无较大变形和漏筋现象。

5 结语

探地雷达是一项工作效率高、操作方便、图像直观，而且应用范围很广的无损检测技术。它可用来检测混凝土结构内部的不密实、孔隙、裂缝等缺陷的位置、深度和范围，但是无法确定出其具体几何尺寸。

探地雷达可以检测出混凝土内部钢筋保护层的厚度和表层钢筋的位置分布，并且粗略估算出钢筋的直径。由于雷达图像的识别需要很多实践经验的积累,在实际工作中，我们应当进一步探索和积累对双层及多层钢筋进行检测的经验。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。