GPRMAX在管道注浆中的检测

(西华大学 四川 成都 610039)

在我国，桥梁工程已经成为交通路线当中非常重要的部分，尤其随着我国高铁的飞速发展，其以桥带路的建设思想，使桥梁的应用更为广泛，目前我国桥梁在高铁总里程中的比例可达50%以上。在桥梁建设中，箱形截面梁由于其抗扭刚度大、有效抵抗正负弯矩、施工方便、整体受力、适应性强、铺设管道方便等优点，在工程中被广泛的应用。当采用后张法对箱形截面梁施加预应力时，波纹管内注浆可能存在浇筑混凝土不密实，内部不规则空洞的情况，导致桥梁寿命缩短，影响桥梁安全性。因此，有必要将无损检测技术应用到桥梁当中，以保证快速而准确的对桥梁缺陷进行定位与判断。

如前所述，钢筋影响了电磁波的传播规律与途径，研究电磁波在各向异性介质中的传播和异常体回波特征对提高GPR实测数据的解释精度有重要意义。在实际针对桥梁无损检测的工程当中，要保证数据的解释精度，有必要针对GPR在箱梁检测中的传播规律进行探讨，以达到优化目的。GPR正演模拟是研究电磁波在各向异性介质中传播规律的有效手段。目前主流的正演模拟方法主要有射线追踪发、有限元法、时域差分法等。射线追踪法(ray tracing method)基于几何光学原理，考虑电磁波在单元内的折射反射现象，模拟电磁波的传播。然而由于其没有考虑衍射现象，更多被用于各项同性的平坦表面下的检测。有限元法(finite element method,FEM)中的非结构网格，可通过网格加密的方式，在复杂介质区域进行更为精确的模拟，但是计算效率受网格数量影响明显]。时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)因为其成熟的发展与理论，更好的精度，较高的计算效率，是目前被应用的最为广泛的GPR正演模拟方法。

GprMax是爱丁堡大学Atonis Giannopoulos教授研究出的一种算法为FDTD和PML边界吸收条件的探地雷达模拟软件，FDTD的核心内容是将时间变量的麦克斯韦方程组转化为差分形式，模拟出电磁波脉冲和导体作用的时域响应。GprMax在此算法基础上得到的图像可以准确表示波的变化。

Gprmax建模需要自己定义各种参数变量，最为重要的是各个介质的介电常数，这是影响整个波出图最为重要的东西，在txt格式中定义好介电常数，并且按照建模标准将需要的模型建立好，定义扫描道数、时窗、扫描方向、间距、起始点等等。将txt文件改为in文件，在gprmax2D中运行，等到我们需要的geo和out。然后编辑程序，在matlab中出图，得到我们需要的检测图像。并且加以分析。

此次实践把模型建立在0.45m。定义四个空洞，分别为大小、间距、空洞介质不同的空洞，定义三种不同频率的天线分别检测。

在matlab中出图，结果如下图1和图2

图1 400、900、1600天线下的模拟图

图2 模型建模

图中分别给出了三种不同天线的图像情况，差距较为明显，在三种天线下都可以看出四个空洞的情况，并且可以看出在强钢筋波形图的影响下，空洞的波形依然可以清晰的看到。

以上图片分别给出了1200MHZ，900MHZ，400MHZ下经过交互颜色偏移后的到的波形图，分别对应调整了延时时间。分析可知：

(1)整体深度在0.4m的混凝土箱型梁试件在1600MHZ的天线下检测图像最清晰，能够在较密表层钢筋的影响下依然看到下部空洞，且干扰较小。随着天线频率的降低图像清晰程度也随着明显变弱，但仍然还可以看到病害以及分辨病害位置，而400MHZ的天线基本与表层钢筋的波形重叠，且图像模糊，较难分辨。

(2)介电常数的变化大小是主要影响雷达波变化的因素，因此充水病害中由于水的介电常数远大于混凝土和空气的介电常数，在遇到水时的反射强度要高于其他，因此可以看到图1中间第三个“抛物线”型的颜色深度明显更深。

(3)第四个空洞病害直径小其他三个25mm，而四个空洞的中心在同一高度，因此第四个空洞边缘距混凝土表面的距离大其他三个12.5mm。反应到图1上，第四个“抛物线”型的图像在位置上明显低于其他，且清晰程度也不如其他。可见探地雷达对于空洞深度的精度在毫米级别，且随着深度的增加，图像清晰程度随着降低。