探地雷达在港工混凝土结构检测中的应用研究

吉同元，李鹏飞，陈子祎，秦网根

（1.江苏省水运技术研究中心，江苏 南京 210014；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京210014）

探地雷达在港工混凝土结构检测中的应用研究

吉同元1，2，李鹏飞1，2，陈子祎1，2，秦网根1，2

（1.江苏省水运技术研究中心，江苏 南京 210014；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京210014）

本文通过模型试验和工程应用，研究了探地雷达在港工混凝土结构检测中的应用技术。首先通过4组模型试验系统研究不同直径、不同埋深、不同间距和不同层数的钢筋对雷达接收波形特征的影响，得到了探地雷达检测混凝土结构的使用方法和适用条件。在此基础上，以某高桩码头为依托，分别应用雷达法和电磁法对混凝土构件进行了检测，发现雷达法检测准确性可满足工程要求，除此在操作性和结果的直观性上雷达法更具优势。

探地雷达；港工检测；混凝土；钢筋参数

引 言

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）又称透地雷达、地质雷达，是用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种无损探测方法。早在1910年，Letmbach和Lowy首次阐述了探地雷达的基本概念，1926年Hdlsenbeck成功将该技术应用于工程实践［1］。二十世纪八十年代，中国引进了探地雷达技术，众多学者对其基本原理、测试方法、数据处理和图像解释等方面开展了大量研究［2～5］。目前探地雷达技术已经在矿产资源勘察、考古、环境工程、工程检测等领域获得了广泛应用［6～9］。

混凝土结构检测做为工程检测的重要内容，其传统方法主要有超声法、回弹法、取芯法等。与上述方法相比，探地雷达技术具有实时连续、高精度、快速和无损的特点［10］，能够很好地推动检测行业的发展。但是目前该技术在港工混凝土结构检测中的应用研究还十分匮乏，还未形成系统的规范，技术的应用较大程度地依赖于检测人员的经验和知识水平，严重阻碍了该技术的推广应用。本文首先简要分析了探地雷达的工作原理，然后通过模型试验，系统研究不同直径、不同埋深、不同间距和不同层数的钢筋对雷达接收波形特征的影响，最后将该技术应用到高桩码头的结构检测中。

1 探地雷达工作原理

图1 探地雷达工作原理示意

探地雷达应用于混凝土结构检测时，首先探地雷达通过发射天线将高频电磁波以短脉冲形式发送到混凝土内部，电磁波在混凝土内部传播时一旦遇到存在电性差异的界面（如钢筋、混凝土缺陷等）便会产生发射，反射信号由接收天线接收。然后对信号进行处理分析，提取反射信号的振幅、波形、时频特征等，进而推断混凝土内部的钢筋分布和缺陷情况等。根据探地雷达工作原理示意（图1）可知，脉冲波的行程时间为：

式中：t为电磁波的总行程时间；z为目标体的埋深；x为发射天线和接收天线的距离；v为电磁波在介质中的传播速度。

对于非磁性、非导电介质，传播速度一般可用下式计算：

式中：c为真空中电磁波传播速度0.3 m/ns；rε为相对介电常数。

2 模型试验

试验采用美国 SIR-3000型探地雷达进行检测，共设计2个混凝土试块，按照上下面布筋不同共分为四组试验，分别研究混凝土结构中钢筋直径、钢筋埋深、钢筋间距和钢筋层数对雷达图像的影响。

2.1 模型设计

2个混凝土试块均为长方体，采用C30混凝土浇筑而成。试块内部钢筋埋设和缺陷设置根据试验目的确定，钢筋两端均露出试块5 cm，以便准确测定钢筋参数。

试块一用于研究钢筋直径和钢筋埋深对雷达图像特征的影响，尺寸为150 cm×50 cm×70 cm。如图2所示，试块一上侧布置4根钢筋，直径从左往右分别为20、6、12、32mm，钢筋间距15 cm，埋深5 cm。下测布置6根钢筋，直径为20mm，钢筋间距10 cm，埋深分别为10、20、30、40、50、60 cm。

图2 试块一

试块二用于研究钢筋间距和钢筋层数对雷达图像特征的影响，尺寸为150 cm×50 cm×35 cm。如图3所示，试块二上侧布置6根钢筋，直径为12 cm，间距从左向右分别为2、18、8、12、5 cm，埋深10 cm。下侧布置2层钢筋，钢筋直径20 cm，间距10 cm，埋深依次为5 cm和15 cm。

图3 试块二

2.2 试验仪器

仪器采用美国 SIR-3000型探地雷达，配合1 600 MHz天线。具体参数设置如下：发射率为100 kHz，数据采集模式为距离模式，采样点数为512，测程为10 ns，数据位为16，增益设置为5点自动增益，滤波器采用有限响应滤波器，垂向低通滤波值为 250 MHz，垂向高通滤波值为3 000 MHz。

图4 探地雷达检测

2.3 试验结果分析

根据试验方案，共得到四组雷达初始采集图像。利用雷达测得的双线程走时和实测钢筋保护层厚度，根据公式（1）和公式（2）计算试块的介电常数rε。再根据地面反射波法去除首层波干扰，对头文件进行统一化处理。在此基础上对图像进行滤波和F-K偏移处理，得到如图5～图8所示的4种工况的灰度剖面，其中每种工况的左图为滤波后的灰度剖面，右图为F-K偏移处理后的灰度剖面。

1）钢筋直径对雷达图像的影响

图5 工况一灰度剖面

图5（左）为工况一滤波后的雷达灰度剖面，由于钢筋对高频电磁波有很强的绕射作用，所以在钢筋位置处形成十分明显的“V型”曲线，曲线顶部即为钢筋位置。除此，由于相临的绕射波相互叠加，在两根钢筋的斜下方也会形成类似的绕射双曲线，从而形成一定干扰，影响剖面解释。为此，可利用F-K偏移法对图5（左）进一步处理得到如图 5（右）所示的灰度剖面，从该图中可以看出，F-K偏移法去除了大量杂波以及钢筋绕射波之间的叠加干扰，更为准确地标示了钢筋位置。

图 5中四根钢筋产生的绕射曲线从能量强度、弧度大小、形态等都非常相似，很难直接分辨出钢筋直径的差异。为进一步了解其他相关钢筋参数，通过交换式解释计算得到四根钢筋的保护层厚度，如表1所示。从表1可知，利用探地雷达交换式解释计算得到的保护层厚度与实测值非常接近，可用于实际工程检测。

表1 保护层厚度测试结果对比

2）钢筋埋深对雷达图像的影响

图6 工况二灰度剖面

图6为工况二对应的两个雷达灰度剖面，从图中可以看出随着钢筋埋深逐渐增加，反射波的能量越来越弱。该工况下共有6根不同埋深的钢筋，滤波后的灰度剖面图中，埋深10 cm处的钢筋“V型”曲线非常清晰，往下逐渐模糊，当埋深为30 cm时其“V型”曲线已变得非常模糊，很难判断钢筋位置，再往下的三根钢筋（埋深30、40、50 cm）则无绕射曲线。通过进一步偏移处理得到的灰度剖面图，其规律与左图基本一致，埋深30 cm处的钢筋标示也十分模糊。因此用1 600 MHz雷达天线检测混凝土中钢筋位置时，钢筋埋深不宜超过30 cm。

3）钢筋间距对雷达图像的影响

图7为工况三对应的两个雷达灰度剖面，该工况共设有8根不同间距的钢筋，在两幅剖面图中都只能找到7个钢筋标示点。通过与模型试件对比发现，钢筋间距在0.02 m时（图中从左往右第三个标示），两根钢筋的绕射曲线相互叠加，在左图中“V型”曲线顶点处亮度增加，范围变大，在右图中，钢筋的标示点变大，形成一个绕射能量团，很难分辨此处有两根钢筋。除此，钢筋间距在0.05 m时（图中最右侧两个标示），两侧钢筋的绕射曲线叠加情况也十分严重，在左图中两根“V型”曲线基本重叠，曲线顶点显著增大，很难分辨钢筋数量，通过F-K偏移处理，在右图中，两个钢筋标示点基本粘连在一起，但基本能判断钢筋数量。因此用1 600 MHz雷达天线检测混凝土中钢筋位置时，钢筋间距不宜小于0.05 m。

图7 工况三灰度剖面

4）钢筋层数对雷达图像的影响

图8 工况四灰度剖面

图8为工况四对应的两个雷达灰度剖面。在左图中由于钢筋间距较小，所以多个钢筋绕射曲线相互交汇，在钢筋间及其下方形成很多高能量点，剖面变得非常复杂。同时，由于下层钢筋埋深较大和上层钢筋的屏蔽作用，致使下层钢筋网反射波非常弱，与上层钢筋的多次波连在一起，很难分辨二层钢筋位置。经过进一步偏移处理得到右图，从右图中可以看出处理后钢筋屏蔽作用明显减小，下层钢筋的绕射双曲线比较完整，其顶点为钢筋的位置，但能量明显比上层绕射双曲线弱。偏移处理后，绕射波能量被很好地集聚于绕射双曲线顶点处，其能量大于多次波的能量，相对压制了多次波，突出了有效信号。

3 工程应用

3.1 工程概况

某码头采用高桩梁板结构，岸线总长450 m，宽度18 m，共10个结构段，码头前沿水深-5.80 m，码头面标高4.10 m。码头桩基采用600mm×600mm预应力空心方桩，排架间距为7 m，共70个排架，每个排架7根桩其中2根斜桩，5根直桩。桩基顶部设现浇混凝土横梁，上部结构采用预制安装靠船构件、纵梁、管沟梁、面板及现浇码头混凝土面层结构。

3.2 检测结果分析

本次检测同时采用探地雷达法和传统的电磁法，对高桩码头的管沟梁、边梁、轨道梁、横向进行扫描检测。检测仪器分别选用SIR-3000型探地雷达（1 600 MHz天线）和ZBL-R620混凝土钢筋检测仪。

探地雷达对构件扫描后得到如图 10所示的灰度剖面（由于篇幅有限，此处以管沟梁为例），通过灰度剖面图可以直观地了解构件内部钢筋的分布情况。在此基础上进行交互式解释得到钢筋保护层厚度和间距。

图9 管沟梁结构

图10 管沟梁雷达检测

电磁法检测时先输入被测构件的主筋直径，再将探头在混凝土结构表面垂直主筋方向来回移动，通过电磁感应，由显示器指示与钢筋的距离，同时程序自动储存最小值最为保护层厚度。电磁法检测钢筋间距需要现在构件表面划分网格，港工结构检测时，测试条件较差，很难实现电磁法的间距检测。

各构件的检测结果如表2～表3所示，由表2可知，表2中偏差指雷达法和电磁法测得的保护层厚度相对偏差。雷达法和电磁法的检测结果十分接近，这说明雷达法也可用于港工混凝土结构检测。除此，与电磁法相比，雷达法检测港工混凝土构件时操作更加便捷，检测结果形象准确，可同时得到钢筋保护层和钢筋间距。

表2 构件保护层检测结果

表3 构件钢筋间距检测结果

4 结 论

本文通过模型试验和工程应用，研究了探地雷达在港工混凝土结构检测中的应用技术。首先通过四组模型试验，着重分析了钢筋直径、钢筋埋深、钢筋间距和钢筋层数对雷达灰度剖面的影响，并得到如下结论：

1）探地雷达使用1 600 MHz雷达天线能够准确地检测出钢筋保护层厚度，但不能判断钢筋直径。

2）用1 600 MHz雷达天线检测混凝土中钢筋位置时，钢筋最大埋深不宜超过30 cm，钢筋最小间距不宜小于5 cm，否则极易造成误判。

3）用探地雷达检测混凝土中的多层钢筋时，内层钢筋受外层钢筋的多次波影响，反射信号较弱，可使用偏移处理，突出有效信号。

在此基础上，本文将探地雷达应用于某高桩码头混凝土构件的检测中，具体检测了管沟梁、边梁、轨道梁和横向。通过与传统的电磁法相比，雷达法操作便捷、检测结果不但准确且更为直观。该方法在港工混凝土结构检测中具有广阔的应用前景。

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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，高级工程师，主要从事基础工程、港口工程的检测评估工作。