地质雷达在钢筋混凝土质量检测中的应用

张 宇，叶唐进，刘入源，孙明露，刘丛丛

（1.西藏大学 工学院，拉萨 850000；2.四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000；3.大连理工大学 建设工程学部，辽宁大连 116024；4.西藏自然科学博物馆，拉萨 850000）

钢筋混凝土结构广泛应用于工厂、房屋、公路、桥梁和隧道等现代建筑中。钢筋具有良好的抗拉性能，混凝土具有良好的抗压性能，二者优势互补，使得钢筋混凝土同时具有较好的抗压和抗拉性能。在施工过程中，施工工艺差异、施工管理失控以及施工质量控制不严格等因素常常会造成混凝土内部钢筋与设计标准不符，从而引发安全隐患。而钢筋埋于混凝土的内部，很难直观观测其存在的质量问题，因此有必要采取一种直观有效、快速精准的方法来对钢筋混凝土进行质量检测。

目前，地质雷达（GPR）在土木工程领域的应用越来越广泛。李晋平等[1]针对铁路隧道，使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测，精确探测了衬砌厚度，确定了钢筋及格栅钢架的分布位置及数量，证明该技术方法是切实可行的；姚帅等[2]等针对空心楼盖的内部构造特点，提出了以天线频率为1 500 MHz的雷达检测薄板及分析方法，准确地确定空心楼盖下翼缘薄板由振捣不充分而导致的不密实区的位置及延伸范围，为类似工程检测提供了依据；浦沪军等[3]利用地质雷达对某一混凝土进行检测，总结了混凝土和钢筋的常见图像；赵文轲等[4]从二次衬砌结构厚度、钢筋分布和密实情况3方面，探讨了公路隧道衬砌结构雷达检测结果的解译方法，有效提高了地质雷达检测结果的直观性和准确性。

综上所述，大多数学者利用地质雷达在钢筋混凝土质量检测中取得了一定的效果，而针对钢筋直径大小、间距等检测还需进一步分析研究。本文利用SIR-4000型地质雷达对某一钢筋混凝土路面进行质量检测，探究地质雷达在检测混凝土保护层厚度、钢筋直径和间距的准确性。

1 工程背景

以某钢筋混凝土路面为例，对该段路面中的钢筋混凝土进行质量检测。混凝土强度等级为C30，钢筋布置一层，采用强度等级为400 MPa的热轧带肋钢筋。路面以下分为2层，分别为混凝土层和人工填土层。图1中较小直径钢筋路面混凝土层厚度为300 mm，钢筋直径为15 mm，钢筋间距分别为505、510、505、505 mm，混凝土保护层厚度为160 mm；较大直径钢筋所示路面混凝土层厚度为290 mm，钢筋直径为25 mm，钢筋间距分别为490、560、560、560 mm，混凝土保护层厚度为130 mm。

图1 现场路面勘测图

由于空气、混凝土和钢筋之间存在明显的电导率、介电常数等差异，且钢筋只铺设1层，为地质雷达检测钢筋混凝土提供了可靠的地球物理条件。

2 地质雷达检测的原理

地质雷达检测技术（Ground Penetrating Radar，GPR）利用主频为106～109Hz波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由混凝土表面通过天线发射器发送至混凝土内，经混凝土钢筋或混凝土层界面反射后返回表面，被接收天线接收达到检测前方目标体的目的，如图2所示。

图2 地质雷达检测原理示意图

电磁波脉冲行程需时[5]为

式中：t为电磁波脉冲需要的时间；z为被检测体埋深；x为收发距；v为电磁波在介质中的传播速度。

检测深度为式中：h为混凝土深度；v为电磁波的传播速度；Δt为电磁波在路面结构层中双程走时。

本次工程检测中遇到的钢筋是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中，波速和反射系数主要取决于介电常数[4]为

式中：r为反射系数；ε为介质的相对介电常数，下角标1、2分别代表不同的介质。

3 现场检测及结果分析

3.1 仪器设备

本次检测采用美国GSSI生产的SIR-4000型号的雷达仪器，该系统由主机构成、雷达天线和连接线等组成，如图3所示。该套雷达系统分辨率高、精度高、轻便快速、成果直观、工作场地条件宽松、适应性强，可广泛应用于公路、桥梁和隧道等诸多领域的检测[6-9]。

图3 地质雷达设备

3.2 检测方法

混凝土质量检测是采用持续拖动地质雷达天线的方法来获得混凝土断面的扫描图像。在进行检测之前，要选择合适的雷达天线，这是确保检测结果准确的前提，本次检测的对象主要为钢筋，因为钢筋分布及其数量的检测需要较高的分辨率，故采用900 MHz的天线进行检测。在确定好检测目标之后，要布置测线，测线布置要与所测目标的走向垂直。雷达天线与主机连接完毕并设置好参数后，将雷达天线与地面贴合，然后由操作人员拖动天线在测线上匀速前进。

3.3 参数设置

开机，选择900 MHz的天线，进入专家模式，新建工作项目，雷达设置为时间采集模式，扫描/秒设置为50～120，采样/扫描设置为512，无静态叠加，无扫描/标记，土壤类型设置为混凝土，记录长度设置为15-20-25，信号位置方式设置为手动，表面设置为0，增益点数设置为3，FIR低通和FIR高通设置为关闭，FIR叠加（扫描）设置为3，FIR背景去除（扫描）设置为0，IIR低通无限响应滤波器设置为2 500，IIR高通无限响应滤波器设置为225，IIR叠加设置为3，IIR背景去除设置为0。

3.4 数据解译与分析

电磁波从空气进入混凝土层，遇到界面会出现反射。电磁波遇到以传导电流为主的钢筋，由于钢筋为良导体，会出现强反射，可以接收到非常强的能量，在雷达图上表现为双曲线形式的强反射信号，因此可以确定钢筋在混凝土中的分布情况，以及混凝土的保护层厚度；同时分析双曲线形状，并进行拟合可以进一步判释钢筋直径大小。图4和图5为钢筋雷达图与剖面图。

图4 小直径钢筋雷达图与剖面图

由图4可知，小直径钢筋混凝土路面检测中，（a）图为小钢筋地质雷达图，（b）图为小钢筋混凝土路面剖面图。通过地质雷达图与剖面图对比，两者钢筋间距的差分别为0.84、2.30、1.16、2.10 mm，混凝土保护层厚度差值为0.68 mm。

由图5可知，大直径钢筋混凝土路面检测中，（a）图为大钢筋地质雷达图，（b）图为大钢筋混凝土路面剖面图。通过地质雷达图与剖面图对比，两者钢筋间距的差分别为1.23、1.55、2.22、1.15 mm，混凝土保护层厚度为1.10 mm。

图5 大直径钢筋雷达图与剖面图

由图4和图5对比分析可知，双曲线形状与钢筋直径大小有关，大直径钢筋的曲线顶部较为平缓，开口较宽；而小直径钢筋曲线顶部较尖锐，开口较窄。

通过不同直径钢筋拟合曲线，可以进一步计算出钢筋直径。其小直径钢筋检测数据及差值见表1，大直径钢筋检测数据及差值见表2。

由表1和表2可知，该路面混凝土保护层厚度、钢筋直径、钢筋间距均与实际工程情况存在微小偏差。混凝土保护层厚度的偏差小于0.846%；钢筋直径的偏差小于0.53%；钢筋间距的偏差小于0.71%。

表1 小直径钢筋检测误差表mm

表2 大直径钢筋检测误差表mm

4 结论

本文利用SIR-4000地质雷达对混凝土路面进行质量检测，结合波形图和工程实测数据对比分析和解译，得出以下结论。

（1）钢筋混凝土的混凝土厚度检测中，混凝土保护层厚度雷达检测值与实际测量值误差小于0.846%，完全满足检测质量要求。

（2）钢筋混凝土的钢筋间距检测中，钢筋间距的雷达检测值与实际测量值误差低于0.71%，符合质量检测需要。

（3）钢筋混凝土的钢筋直径检测中，通过图形判释，钢筋直径越大，其开口越大，顶部越平缓，反之则开口越小，顶部越尖锐；且通过拟合对比分析，其雷达检测误差小于0.53%，满足检测条件。