GPRMAX在管道注漿中的檢測

(西華大學 四川 成都 610039)

在我國，橋梁工程已經成為交通路線當中非常重要的部分，尤其隨著我國高鐵的飛速發展，其以橋帶路的建設思想，使橋梁的應用更為廣泛，目前我國橋梁在高鐵總里程中的比例可達50%以上。在橋梁建設中，箱形截面梁由于其抗扭剛度大、有效抵抗正負彎矩、施工方便、整體受力、適應性強、鋪設管道方便等優點，在工程中被廣泛的應用。當采用后張法對箱形截面梁施加預應力時，波紋管內注漿可能存在澆筑混凝土不密實，內部不規則空洞的情況，導致橋梁壽命縮短，影響橋梁安全性。因此，有必要將無損檢測技術應用到橋梁當中，以保證快速而準確的對橋梁缺陷進行定位與判斷。

如前所述，鋼筋影響了電磁波的傳播規律與途徑，研究電磁波在各向異性介質中的傳播和異常體回波特征對提高GPR實測數據的解釋精度有重要意義。在實際針對橋梁無損檢測的工程當中，要保證數據的解釋精度，有必要針對GPR在箱梁檢測中的傳播規律進行探討，以達到優化目的。GPR正演模擬是研究電磁波在各向異性介質中傳播規律的有效手段。目前主流的正演模擬方法主要有射線追蹤發、有限元法、時域差分法等。射線追蹤法(ray tracing method)基于幾何光學原理，考慮電磁波在單元內的折射反射現象，模擬電磁波的傳播。然而由于其沒有考慮衍射現象，更多被用于各項同性的平坦表面下的檢測。有限元法(finite element method,FEM)中的非結構網格，可通過網格加密的方式，在復雜介質區域進行更為精確的模擬，但是計算效率受網格數量影響明顯]。時域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)因為其成熟的發展與理論，更好的精度，較高的計算效率，是目前被應用的最為廣泛的GPR正演模擬方法。

GprMax是愛丁堡大學Atonis Giannopoulos教授研究出的一種算法為FDTD和PML邊界吸收條件的探地雷達模擬軟件，FDTD的核心內容是將時間變量的麥克斯韋方程組轉化為差分形式，模擬出電磁波脈沖和導體作用的時域響應。GprMax在此算法基礎上得到的圖像可以準確表示波的變化。

Gprmax建模需要自己定義各種參數變量，最為重要的是各個介質的介電常數，這是影響整個波出圖最為重要的東西，在txt格式中定義好介電常數，并且按照建模標準將需要的模型建立好，定義掃描道數、時窗、掃描方向、間距、起始點等等。將txt文件改為in文件，在gprmax2D中運行，等到我們需要的geo和out。然后編輯程序，在matlab中出圖，得到我們需要的檢測圖像。并且加以分析。

此次實踐把模型建立在0.45m。定義四個空洞，分別為大小、間距、空洞介質不同的空洞，定義三種不同頻率的天線分別檢測。

在matlab中出圖，結果如下圖1和圖2

圖1 400、900、1600天線下的模擬圖

圖2 模型建模

圖中分別給出了三種不同天線的圖像情況，差距較為明顯，在三種天線下都可以看出四個空洞的情況，并且可以看出在強鋼筋波形圖的影響下，空洞的波形依然可以清晰的看到。

以上圖片分別給出了1200MHZ，900MHZ，400MHZ下經過交互顏色偏移后的到的波形圖，分別對應調整了延時時間。分析可知：

(1)整體深度在0.4m的混凝土箱型梁試件在1600MHZ的天線下檢測圖像最清晰，能夠在較密表層鋼筋的影響下依然看到下部空洞，且干擾較小。隨著天線頻率的降低圖像清晰程度也隨著明顯變弱，但仍然還可以看到病害以及分辨病害位置，而400MHZ的天線基本與表層鋼筋的波形重疊，且圖像模糊，較難分辨。

(2)介電常數的變化大小是主要影響雷達波變化的因素，因此充水病害中由于水的介電常數遠大于混凝土和空氣的介電常數，在遇到水時的反射強度要高于其他，因此可以看到圖1中間第三個“拋物線”型的顏色深度明顯更深。

(3)第四個空洞病害直徑小其他三個25mm，而四個空洞的中心在同一高度，因此第四個空洞邊緣距混凝土表面的距離大其他三個12.5mm。反應到圖1上，第四個“拋物線”型的圖像在位置上明顯低于其他，且清晰程度也不如其他。可見探地雷達對于空洞深度的精度在毫米級別，且隨著深度的增加，圖像清晰程度隨著降低。