橋梁質量無損檢測中GPR技術的應用

楊　磊

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽　550001)

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橋梁質量無損檢測中GPR技術的應用

楊磊

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽550001)

摘要：針對公路橋梁質量無損檢測的要求，分析GPR技術在公路橋梁質量無損檢測中的具體應用策略。先介紹了GPR技術的基本原理，并研究了GPR數(shù)據(jù)處理的要點，最后結合工程實例，對GPR技術的具體應用策略進行分析，以進一步提高公路橋梁質量無損檢測水平，全面提高公路橋梁管理水平。

關鍵詞：公路橋梁；無損檢測；GPR技術；應用

0引言

無損檢測是一種新型技術，能通過多種方式“觀察”物體內(nèi)部結構，并且不會對物體表面產(chǎn)生破壞，具有檢出率高、速度快等優(yōu)點，進而被廣泛的應用在社會生產(chǎn)實踐活動中，并發(fā)揮著重要效果。公路橋梁質量檢測一直都是無損檢測技術的重點應用領域，該技術有效彌補了傳統(tǒng)公路橋梁檢測的弊端，避免了對公路橋梁的不必要破壞。基于此，本文以GPR(探地雷達)技術為切入點，對該技術在公路橋梁質量檢測中的應用進行分析。

1GPR技術原理分析

GPR(探地雷達)技術最早出現(xiàn)在上世紀70年代，隨著人們研究的不斷深入，該技術的技術水平越來越高，已經(jīng)能很好的適應多種條件下的公路橋梁質量管理的要求，具有廣闊的應用前景。當前任務內(nèi)GPR技術的基本原理為：通過高頻電磁波，以脈沖的形式通過發(fā)射天線傳入地下。在這個過程中，雷達波快速的向地下介質傳播，當遇到空洞、鋼筋等地下目標物體時，電磁波開始發(fā)射，并在返回到地面時，由天線接收，并對雷達波進行分析與處理。而相關人員在獲取該數(shù)據(jù)后，能根據(jù)雷達波的強度、雙程走時等確定地下目標的空間位置、幾何形態(tài)，實現(xiàn)對目標物體的檢測。GPR技術的具體運行原理如圖1所示。

圖1　GPR技術原理示意圖

而對技術進行詳細研究后可以發(fā)現(xiàn)，介質間的電磁特性差異越明顯，則介質之間的界面越容易識別。以橋梁的立柱為例，由于立柱中的金屬、混凝土等存在明顯的電磁性能差異，因此在操作上，可以通過GPR技術完成對立柱混凝土、鋼筋、孔洞等物質的探測。在操作上，探地雷達主要根據(jù)電磁脈沖波的發(fā)射原理來達到探測目的，在這個過程中，確定電磁波脈沖的傳播時間就成為整個研究中的核心參數(shù)之一，其表達關系式為：

(1)

在上述關系式中，V代表雷達波在介質中的傳播速度，該數(shù)據(jù)主要指平均速度，例如雷達波在混凝土傳播中的速度等。d代表探測深度；Δx代表收發(fā)天線間距。

而多數(shù)學者認為，一般當兩種材料的相對介電常數(shù)之間存在明顯的差異時，電磁波在截面所產(chǎn)生的透射、反射會出現(xiàn)變化，在這個過程中，界面處反射率大小與相對介電常數(shù)之間的關系表達式為：

(2)

在上述關系式中，P代表反射率；ε1代表介質1所對應的節(jié)點常數(shù)；ε2代表介質2所對象的介電常數(shù)。

通過研究發(fā)現(xiàn)，收材料電磁特性因素的影響，當雷達波透過不同材料時，其變化的速度也會存在差異。而在參數(shù)運算過程中，速度屬于材料介電常數(shù)分析中的一個必要函數(shù)，并且與材料相對介電常數(shù)的平方根存在反比例關系。但在實際上，混凝土與鋼筋等物質在介電常數(shù)、導電率等方面存在明顯差異，因此可以根據(jù)公式(1)等參數(shù)，確定保護層厚度，在根據(jù)厚度的平均值，分析其中存在的差異地區(qū)，判斷是否存在質量問題。

2GPR的數(shù)據(jù)處理

對相關人員而言，為了保證GPR的檢測結果，在獲取數(shù)據(jù)資料后，還需要對檢測數(shù)據(jù)進行處理，才能保證檢測結果的科學性。一般來說，在GPR數(shù)據(jù)處理中需要做好以下幾點：

2.1確定反射波的方向與時間振幅

一般在有關反射波的問題研究中，需要從時間、振幅等方面進行分析。其中，時間參數(shù)比較容易識別，而振幅的識別則較為困難，需要進行大量的相關分析與運算。一般認為，在反射波振幅的識別中，相關人員需要從反射系數(shù)方面入手，截面兩側介質的電磁學性質差異越明顯，反射波參數(shù)變化越強烈。同時，當反射波以高速度形式進入到低速度介質中時，反射波所產(chǎn)生的振幅方向發(fā)生變化。

2.2識別反射波同軸形態(tài)特征

在開展有關雷達記錄問題的研究中可以發(fā)現(xiàn)，在統(tǒng)一連續(xù)界面下，反射信號會形成同相軸，而在數(shù)據(jù)資料的解讀中，相關人員也根據(jù)同相軸的方向、強弱等信息進行詳細的研究，最終對目標的資料有一個更加清晰的認識，最終達到判斷工程狀況的目的。

3公路橋梁質量無損檢測中GPR技術的應用實例分析

3.1工程案例簡介

在某公路橋梁工程施工中，當高架橋樁基礎與立柱施工完成之后，施工單位決定開始進行蓋梁施工。此時技術人員認為，為了保證工程項目的整體施工質量，需要確定混凝土保護層的厚度、鋼筋籠的主筋數(shù)量等參數(shù)。基于這個要求，該工程項目采取了SIR-3000地質雷達開展工作，并對橋梁立柱的質量進行檢測。

3.2確定地質雷達的參數(shù)

考慮到該工程項目的實際情況，技術人員主要從分辨率、穩(wěn)定性、穿透率等方面進行了綜合分析。所選擇的檢測天線為900M，其向參數(shù)如表1所示。

表1　GPR系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)計表

3.3檢測方式

每個立柱上分別設置2個監(jiān)測斷面，其中第一個檢測斷面與地面之間的間距約為1.5～2.0 m，第二個檢測斷面設置在第一個檢測斷面上方4 m的位置。

在檢測過程中，每個檢測斷面需要至少接受往返兩次檢測，并保證檢測面起點方式是一致的。檢測時，雷達監(jiān)測方向為順時針繞柱一周，保證發(fā)射與接收一體化天線能緊密貼在立柱表面上；操作時，天線緊緊沿著檢測斷面滑動，并保證滑動速度緩慢、均勻。當雷達儀在完成對每一點的采集后，測定記錄設備上會分別顯示每厘米的參數(shù)資料。

該工程項目為了保證監(jiān)測點的準確性，分別在檢測斷面每隔1cm的位置設置檢測標志，檢測過程中先將天線與標記點對其，隨后，操作人員向儀器中輸入標記信號，并記錄信號資料；通過記錄信號標記，能確定所對應部位的鋼筋資料。

3.4圖像解釋與數(shù)據(jù)處理

在GPR檢測技術后，對檢測的資料進行解釋。在解釋過程中，需要將解釋工作分為兩方面。在立柱檢測過程中，立柱屬于一個復雜的濾波器，受介質本身性質的影響，在不同介質的影響下，其吸收情況會出現(xiàn)差異。針對這種情況，當脈沖達到接收天線時，會接收的電磁波信號降低，所產(chǎn)生的波形也會出現(xiàn)差異。基于這種特點，在進行信號資料解釋時，需要先改善資料信噪比，再對圖像進行處理，其處理內(nèi)容主要包括：(1)消除隨機噪聲壓制干擾，達到改善背景的目的；(2)實現(xiàn)自動時變增益以補償介質吸收和抑制雜波，從而進一步明確目標體的圖像特征。

3.5結果分析

在該工程項目中，根據(jù)探測結果，確定在立柱中，電磁波的運行速度達到0.086 6 m/us，將該參數(shù)代入公式(3)中，確定鋼筋保護層厚度。

在公式(3)中，l代表鋼筋保護層厚度，其余參數(shù)與公式(1)中的解讀方式相一致。

根據(jù)公式(3)的研究結果，確定工程立柱的鋼筋籠存在嚴重的偏位現(xiàn)象，施工單位在現(xiàn)場鑿開立柱后，進行了實際勘察，經(jīng)過檢測，確定GPR得到的結果與現(xiàn)場勘查情況是一致的。

4結束語

主要分析了公路橋梁質量無損檢測中GPR技術應用的相關問題，并對該技術的原理、應用策略進行了分析。總體而言，GPR技術在公路橋梁質量管理中發(fā)揮著重要作用，能快速確定目標體的質量問題，為工程項目建設提供必要的數(shù)據(jù)資料支撐，具有良好的應用價值。

參考文獻：

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[3]趙繼祖.瀝青混凝土橋面鋪裝層病害的地質雷達診斷技術研究[D].重慶交通大學，2013.

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：楊磊(1984-)，男，貴州貴陽人，助理工程師,研究方向：交通土建。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)05-0152-02