Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ装备技术１０９ 探地雷达方法技术在钢筋混凝土检测中的应用 以混凝土中钢筋检测为例 张保安 （中铁二局三公司） 中图分类号：Ｋ９２８文献标识码：Ｂ 文章编号１００７—６３４４（２０１７）０１—０１０９—０２ 摘要：本文的研究内容为混凝土内钢筋的检测，针对不同的钢筋直径、间距、埋深等不同情况进行数值模拟，并对模拟后的结 果进行去直达波、ＦＫ偏移处理，研究获得成果如下：（１）铜筋直径越大，其反射波振幅越大，钢筋埋深越大，其反射波振幅越小； 雷达天线中心频率与钢筋分辨率的关系对比关系，天线收发距增加有利于双层钢筋探测；（２）钢筋网判识的影响主要为钢筋网上下 之间干扰波的频率相对大一些，振幅上差别不大；在实际检测当中，可以通过增加频率来探测双层钢筋。在室内处理时，去除直达 波，选取合适的速度对钢筋进行偏移归位，将更有利于双层钢筋的判识。 关键词：探地雷达；数值模拟；钢筋检测 ３．１钢筋埋深对探测结果的影响 １．前言 建立模型：模型规格为１．１ｍ＊Ｏ．５ｍ，上层为空气，厚度为０．１ｍ，下层为混凝 国外较早开展探地雷达检测混凝土结构的应用研究。其中在隧道和道路检测 土，厚度为０．４ｍ；混凝土参数为：相对介电常数ｓ＝６，电导率为０．００５Ｓ／ｍ，相对 上的应用最为广泛和成熟。国内外的工程实践及试验研究表明对于混凝土内钢筋 磁导率 ｌ；钢筋为良导体，圆心坐标为分别为：（０．１５…０ ２）、（０．３５、０．２５）、（０．５５、 间距较小、多层钢筋网或钢筋网下面存在缺陷情况的研究较少。在钢筋间距小、 ０．３）、（０．７５，０．３５）、（０ ９５，０，４ ｊ，直径为０．０１ｍ。 多层钢筋网的情况下，钢筋网对雷达信号屏蔽作用、钢筋之间相互干扰以及多次 测量方式选取剖面法，收发距为０．２５ｍ，天线中心频率为６００ＭＨｚ，测量位置 波的存在使得探地雷达图像变得非常复杂，不能有效的分辨出多层钢筋以及缺陷 为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面见图３－１，由图中可以看出，由于 体的反射信号。因此本文的前期工作是系统研究探地雷达的探测深度、测量方式 钢筋的强反射性，不同埋深的钢筋均在剖面上形成一系列的开口向下的双曲线， 与频率的关系，选取合适的数值模拟方法。根据不同的钢筋网格间距和空洞的大 随着深度的增加，双曲线的曲率增加，即开口加大，但是能量的变化不是很明显， 小，选取不同的频率和测量方式，以对钢筋混凝土进行精确检测。 这时提取模拟结果剖面中钢筋所在的ｘ坐标处，即ｘ为Ｏ．３５ｍ，Ｏ．５５ｍ，０．７５ｍ， ０．９５ｍ处的单道反射回波曲线，如图３－２所示，在图中就可以明显的看出ｘ坐标 ２．地雷达的基本原理 为０．３５ｍ、０．５５ｍ、０．？５ｍ、０．９５ｍ，对应的埋深为０．２５ｍ、０．３ｍ、０．３５ｍ、０．４ｍ的钢 ２．１剖面法 筋反射回波波形，通过计算，雷达接收到反射回波波峰到达的时间依次为４．２ｎｓ、 剖面法是发射天线（Ｔ）和接收天线（Ｒ）以固定间距沿测线同步移动的一种 ５．Ｉｎｓ、５．９ｎｓ、６．７ｎｓ，观察曲线这几个时间点的波峰能量，埋深大，能量小，其中 测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线和接收天线合二为一 横坐标位于０．７５ｍ、０．９５ｍ处的钢筋由于受到左右两边钢筋的干扰，波形出现叠加。 时称为单天线形式，反之成为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时 埋深增加反射波能量较小是由于电磁波在混凝土中传播会消耗能量。在本模型的 间剖面图像来表示（图２－１）。该图像为双层介质模型的剖面图，横坐标记录了天 正演、偏移、分析计算中可以得到，在测量参数和物性参数相同的情况下，钢筋 的埋深变大，钢筋的反射能量变小，形成的绕射双曲线的曲率变大。 线在地表的位置；纵坐标为发射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地 下界面反射回到接收天线所需要的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反 射界面的形态仲国水利电力物探科技信息网，２０１ １）。 置 图０－１剖面法示意图（左）和雷达剖面图（右） 图３－１不同钢筋埋深的雷达剖面图及各个深度反射回波单道曲线 ２．２宽角法 ３．２钢筋直径对探测结果的影响 一个天线固定在地面某一点上不动，另一个天线沿测线移动，记录地下各个 建立模型：模型规格为１．１ｍ＊０．５ｍ，上层为空气，厚度为Ｏ．１ｍ，下层为混凝 不同界面反射波的双程走时，这种测量方法称为宽角法。以地面一固定点（测点） 土，厚度为０．４ｔｒｔ；混凝土参数为：相对介电常数￡：６，电导率为０．Ｏ０５Ｓ／ｍ，相对 为中心，发射天线与接收天线相互平行置于测点两侧，并与测量点保持对称，以 磁导率 ＝１；钢筋为良导体，埋深为Ｏ，３ｍ，横坐标和直径分别为：（０．１５ｍ，０．Ｏ０１ｍ）， 固定的步长沿相反方向同步移动发射与接收天线进行测量，测量过程中发射天线 （０．３５ｍ，０．Ｏ０２ｍ），（０．５５ｍ，０．Ｏ０３ｍ），（０．７５ｍ，０．００４ｍ），（０．９５ｍ，０．００５ｍ）。 与接收天线之间的距离逐步加大，这种方法称为共中心点法（ｃＭＰ）（图２－２）。当地 测量方式选取剖面法，收发距为０．２５ｍ，天线中心频率为６００ＭＨｚ，测量位置 下界面乎直时，这两种方法结果一致。这两种测量方式的目的是求取地下介质的 为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面见图３－２，从原始模拟结果中可以 电磁波传播速度（雷宛，肖宏跃，邓一谦，２００６）。 看出不同直径的钢筋均可形成绕射双曲线，且能量强度、弧度大小和形态都十分 的相似，很难分辨出钢筋直径的大小，这时提取原始模拟结果中的钢筋反射回波 曲线，即ｘ为Ｏ．３５，ｍ、０．５５ｍ、Ｏ．７５ｍ、０．９５ｍ处的单道反射曲线，如图３－６所示， 从图中看出，不同直径的钢筋的反射波形相似，但是能量还是有差别的规律，观 察反射波的波峰和波谷，直径越大反射波的振幅越大，在本模型中可以计算出直 径每增加ｌｍｍ，则在同等条件下的反射波振幅能量增加０．２～０．６Ｖ／ｍ。 （ａ） 《ｂ） 在本模型的正演、偏移、分析计算中可以得到，在测量参数和物性参数相同 图（）－２共测深点探澳９示意图（（ａ）为共接收点示意图； 为共发射点示意图） 的情况下，钢筋的直径变大，钢筋的反射能量变大，形成的绕射双曲线的曲率不 （曾昭发，等，２ｏｏ６） 变，反射回波的波形不变。 ３．钢筋混凝土的探地雷达影响因素 １ １ ０装备技术Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 道州波曲线，钢筋的反射能量随真径的变大而增强 一 围３—２不同钢筋直径的雷达削面及反射州波单道ｆｆｆｆ线 ３．３天线中心频率对钢筋探测结果的影响 建●：模型：模 规格为２．５ｍ＊０．５ｍ，上层为空气，厚度为０．１Ｉｎ’下层为混凝 土，厚度为０．４ｍ；混凝土参数为：相对介电常数８＝６，电导率为０．００５Ｓ／ｍ，相对 在测量参数和物性参数相同的情况下，天线中心频率增加．雷 雷达 天线中心 达的横向分辨率增加，可识圳的摄小钢筋间距变小，而且在本 频率 模型中由ｒ介电损牦，在本文模型中的横向分辨率和理想情况 下的分辨率比值为２．４—３．１８之间 ５．实例应用 １二程应用的实例选在了成都附近的一条铁路隧道．该区以低山和丘陵为主 测区内测区上覆第四系全新统坡残积粉质黏土．．Ｅ更新统风积层松软土、成都黏 士；一Ｆ伏基岩为侏罗系中统Ｌ沙溪庙组泥岩夹砂岩．上统遂宁组泥岩央砂岩．１ 统蓬莱镇组泥岩爽砂岩；压碎岩。 实验段的隧道主要衬砌没汁参数为：嗣岩级别为Ⅳ级．衬砌类 为全封闭复 合，二衬环向钢筋为２０ｅｍ＊２０ｃｍ２５ｃｍ＊２５ｃｍ，二次衬砌厚度为４５ｃｍ．砼强度为Ｃ３５ 探测使Ｊ＝｝Ｊ美国劳雷的ＳＩＲ一３０００地质雷达仪．配置天线为４００Ｍ、９００Ｍ ５．１钢筋网探测 磁导率 Ｆ１；钢筋为良导体．直径为０．００５ｍ，埋深为０．３ｍ．第一根钢筋的横坐标 为０．２５ｍ，钢筋的间距从左到右分别为为０．０５ｍ、０．０６ｍ、０．０７ｍ…０．２ｍ．步阶为００１ｍ 测 方式选取剖面法．收发距为０．２５ｍ，天线中心频率为ｄ￣ｑＯＭＨｚ、８００ＭＨｚ、 １．２ ＧＨｚ，测量位置为空气和混凝土的分界面上。探地雷达图像剖面虻图３—３． 由 罔中可以看ｌＩ；．ｍ ｒ钢筋对雷达波的强绕射作川，在雷达剖面上形成明显的双曲 线．且甜 逃的频率越高，双曲线越清晰，这是ｍ于电磁波频率越高，波长越短． 其横向分辨率越高，双曲线的顶部对应着钢筋的位置，由于相邻的绕射波的相互 叠加， 雷达剖嘶的左侧会ｍ现很强的能量团．这时很雄辨识双曲线的顶点．随 着钢筋问距的增加．钢筋的绕射双曲线可以很好的辨别出来．不同的天线中心频 率．横向识别钢筋的能力不同．详见表格３－１。 （ Ｃｏ） 图５～１钢筋网的探测（ａ）为４００Ｍ天线（ｈ）为９００Ｍ天线 初次扫描选用４００Ｍ的天线．钢筋绕射双曲线模糊，但是用９００Ｍ天线之厉 钢筋绕射双曲线清晰．可以准确的查清钢筋的根数和间距，如图５—１。 ６．结论 混凝土作为丁程建筑中的重要材料，尤其在隧道支护中．但是混凝土中隐伏 ： １‘ ： ｆ； ；． ；一：；一：・ ４＝ ￡ １ —ｉ萱Ｉｃ） 危害．如钢筋网的分布等．造成这些问题的原因有施１二中的操作不规范、养护不 及时、自然灾害等，这些病害如果不及时检测处理，将会影响整个丁程的质量． 有时严噩的时候会危及人身的安全，为ｒ保障工程质量，需要对其中的病害进行 精确的定位（李家伟．２００２），探底雷达作为一种快速、无损、高效的检测手段．在 混凝土检测中获得ｒ广泛的应刚（周黎明．王法刚．２００３；中国水利电力物探科技 信息网，２０１１；袁明德，２００１Ａ）．但是探地雷达在检测中也会碰到一些检测困难的 情况，例如双层钢筋，会相互干扰。电磁波的能量被屏蔽，对于钢筋网下钢筋探 测难度加大，本文通过对模拟得到的雷达剖面进行去除直达波和ＦＫ偏移处理．找 图３－３不同天线中心频率的雷达剖面 （ａ）为４００ＭＨｚ；（ｈ）为８００ＭＨｚ；（ｃ）为１．２ＧＨｚ 表格３一Ｉ天线中心频牢与钢筋间距的关系 探地雷达 人线ｒ｝ 心频牢 ４００ＭＨｚ ８（１０ＭＨｚ １ ２（ Ｈｚ “ｊ了探地雷达在探测钢筋网的方法关系，主要包括以下几个方面： （１）研究了钢筋的直径、埋深对于钢筋网格探测的影响．并找出了不同钢筋 卣径和埋深的效果关系； （２）研究了不同天线中心频率对于钢筋网格问距的探测的影响； 分辨率（１ｌ】） 通过对以Ｌ问题的分析．得到了以下成果： 水模） 中 ０．１４ ０．０９ （）０６ 理想情况 ０．０４４ ０．０３１ ０．０２５ 比值 ３ １８ ２．９０ ２．４０ （１）钢筋的直径遇钢筋反射波振幅呈正比．钢筋埋深与钢筋反射波振幅呈反 比； （２）天线中心频率增加，钢筋网横向分辨率增加．但是上层钢筋网格的分辫 率高于下层钢筋网格 Ｉ１ Ｊ雷宛．肖宏跃，邓一谦社 胬往：理想情 指Ｉ乜磁波在ｈ＝０ ２ｍ时第一菲涅尔半径的１／４ 从表格巾可以看 天线中心频率越高，可识别的最小钢筋间距就越小，即横 向分辨牢越高，通过比较发现ｒ｝Ｉ于混凝土中的介电损耗．横向分辨率降低了 ２．４～３．１８倍左右 住本模型的【Ｆ演、偏移、分析汁算中可以得到，在测量参数和物 性参数牛Ｈ同的情况下．天线中心频率增加．雷达的横向分辨率增加．可识别的最 小钢筋间距变小，而日．在本模 中ｆ｛１于介电损耗，横向分辨率和理想情况下的分 辨率比值为２．４～３．１８之间。 参考文献 ２００６工程与环境物探教程ｆＭ】北京：地质出版 【２１史凌峰２００８．探地雷达检测中的关键技术研究［ＤＩ西安：西安电子科技 大学 ｌ３】舒志乐．２０１０隧道衬砌内空洞探地雷这探测正反演研究［Ｄ】重庆：重庆 大学 ４．小结 在钢筋混凝土探测中，钢筋网格的间距和埋深是需要解决的重要问题。本文 【４瞎明德．２００１Ａ地质雷达的最新进展【Ｊ Ｊｌ地质装备（０３） 【５Ｎ＇昭发，刘四新，王者江，等２００６探地雷达原理与应用【Ｍ Ｊ北京：科 技出版社 【６１￣国：，Ｆ－－：ｆ，ｌ电力物探科技信息网２０１１．工程物探手册【Ｍ】．北京：中国水利 水电出版社 分析 不同钢筋直径，不同钢筋埋深。不同天线中心频率探地雷达的探测效果． 为钢筋网格混凝土探测提供ｒ重要的方法技术．为＇ｒ提高对钢筋网格识别能力． 过模拟研究得到的结论见表 表格４—１钢筋的混凝土模型模拟结果 参数 模拟分析结果 【７１周黎明，王法刚．２００３ 地质雷达检测隧道村砌混凝土质量… 岩土工程 界（０３） Ｉ８】李家伟２００２无损检测手－￥］－［ＭＩ北京：机械工业出版社：６—２０ 钢筋 埋深ｌ绕射双曲线 率随深度增加Ｉ 变火．钢筋的反射能馘随之变小 ｊ 衍 绕射波的形态非常相似，难以分辨出钢筋的粗细，但是对比单