探地雷達測試技術在房屋地基基礎檢測中的應用

徐同桐 周志奇 何子苗

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

1 工程概述

2 400頭種豬示范場作為現代畜牧業產業示范項目，地處新疆昌吉市老龍河地區，整個這片地區地形為山前沖洪積傾斜平原的地貌，地形相較于其他地區，較為平坦，且總地勢為西高東低的地勢特征。該地形區域地層的土種類主要為粉土，顏色是土黃色。該地層土的干強度為低到中等，其韌性為低到中等，其搖振反應為中等到高。土層上部含有植物根系，在勘探深度6.5 m～8.0 m內未揭穿。該區域場地的地基缺陷屬于非自重濕陷性Ⅰ級。場區內待測的配種懷孕舍地平部分為8 cm混凝土板，強度C25;其下層采用30 cm戈壁土填充，最下層為細粒粉土。

該場區地面及地基基礎設計的分層情況依次為:8 cm混凝土、30 cm戈壁土、素土。若施工控制不當，在混凝土板與戈壁土之間容易出現空洞或空隙，導致過多的上層荷載施加在地面其他部位發生應力集中，存在局部過載致災的潛在危險，這將引起工舍施工和使用過程中的不安全性。

2 檢測方法與過程

2.1 檢測方法

我們在現場實地采用LTD-2000探地雷達與GC900M天線的組合檢測裝置。該檢測裝置主要由主機、天線等組成(如圖1所示)。其工作原理是，當探測雷達在工作狀態的過程中，它往地底結構發射高頻且特定調整好強度的電磁脈沖，當該電磁脈沖遇到特性不一樣介質分界面時會出現散射以及反射的現象，該檢測測試雷達會立即接收并記錄這些檢測信號［1］，然后繼續通過內部的信號處理，處理這些信號，這樣便能了解地下地層具體的情況(見圖2)。如果檢測過程中遇到當電磁波從混凝土地面傳到下層地層機構時，交界面處兩者貼合不好或者存在空洞的情況下，這會導致檢測圖像的幅值和相位發生異常變化，因此這樣便可以發現該檢測工程中的工程缺陷。

圖1 LTD-2000探地雷達主機

2.2 檢測步驟

在當地的現場實地檢測中，我們采用的是由中國電波傳播研究所研制并提供使用的檢測雷達(如圖1所示)與雷達天線。當該探地雷達處于檢測狀態時，應該將發射與接收天線和地表面盡可能緊緊貼合在一起，并且沿著測線滑動，整個過程由雷達主機發射電磁脈沖信號，隨后并進行迅速采集［3］。

為保證測量位置的準確性，應該在地表面上每隔5 m作一個明顯標記，并且標上該位置具體的里程數。現場測試的具體步驟如下:

1)天線選型。

針對本次檢測的具體情況，檢測過程主要從圖像呈現的具體像素分辨率、土層的穿透力、地基結構的穩定性和現場施工情況四個方面綜合衡量，我們通過現場調試和施工質量檢查，選擇了900 MHz天線。900 MHz天線的最大探測范圍為3 m，通過調整時間窗和傳播速度，設置最大探測范圍為1.0 m。

2)參數記錄的確定。

我們前期工作中，選定合適的天線之后，先進行參數記錄試驗。由實地檢測的最終檢測結果后，我們確定如下的參數:

a.將檢測速度控制到5 km/h左右;

b.檢測頻率重復設置為64;

c.將每個地表采樣點設置為512個時間采樣點;

d.將信號位置設置為128;

e.將檢測雷達天線的時間窗設置為9 ns;

f.檢測采用9點分段增益，并且采用線性增益;

g.檢測過程采用連續檢測的方法。

在檢測結果處理的過程中，將現場檢測采集到的具體圖像，通過計算機進行整合數據處理，將最后的檢測結果繪制成隨時間變化的雷達剖面圖。當檢測過程中出現的具體異常部位，通過多次精密測量，將全部剖面測線記錄單獨寫成具體文件，而且一邊進行數據采集的檢測一邊同時進行實時的監控，如果遇到隨機情況時，立刻組織復測，目的是確保所有數據都為準確記錄。

圖2 LTD探地雷達工作原理

3 檢測數據處理

3.1 圖像分析

在本節中，就本次現場檢測中出現的典型雷達圖象進行詳細說明:

1)正常情況(見圖3):整體表現情況為該土層的連續性較好，從圖中看出混凝土地板與戈壁土層之間的分界面特別清楚。

圖3 正常的探地雷達檢測數據處理后的圖像

2)虛假異常(見圖4):這種虛假異常主要是由地面上插入地層的障礙物(如電線桿等)引起的異常。這類異常主要表現為連續性突然中斷，從上往下的檢測雷達所反映出來的波形發生錯亂，但這種虛假異常通常不是施工質量的判斷依據。我們在現場實地檢測時，該探地雷達工作到相對應的點時，會隨時記錄該具體位置與測量文件的道數，在最后出檢測報告時，能夠避免將該點發生的異常情況判斷為質量異常。

3)局部空隙或空洞(見圖5):當混凝土層與戈壁土之間存在空隙或尺度較小的空洞(小于3 cm)時，雷達波局部信號突出，空隙或空洞區域雷達發射信號不受其他信號干擾，無重疊現象，附近區域地層結構無明顯突變。

圖4 虛假異常的檢測數據圖像

圖5 局部小尺度空隙或空洞

4)大尺度空洞區(見圖6):當混凝土層與戈壁土之間存在尺度較大的空洞(大于3 cm)時，雷達波信號突出，空洞區域雷達發射信號不受其他信號干擾，無重疊現象，附近區域地層結構有明顯突變。

圖6 大尺度空洞區

3.2 檢測結果

圖7 配種懷孕舍東側南門附近下層黃土層已超飽和（呈泥狀）

圖8 配種懷孕舍西北側邊墻下側存在連續空洞區

對配種懷孕舍進行檢測，我們發現地基基礎主要空洞病害(5 cm以上)分布在東側地溝一線及其附近、中部南北通道、西側地溝一線及其附近、西北側邊墻下側。其他區域存在多處空洞，空洞高度從1 cm～10 cm左右不等。

通過現場檢測并開挖，發現:LD4和LD5東側豬欄混凝土下層存在長達1.5 m南北向空洞區、東側地溝混凝土下層存在長度超過7.5 m的南北向空洞區。東南角開挖后發現，地下黃土層已經超飽和(呈泥狀)。西北側邊墻下側開挖結果表明，存在大范圍東西向、高度約3 cm～10 cm的空洞區(見圖7，圖8)。

檢測結果表明，被檢房舍混凝土層與戈壁土之間存在大量空洞區，且部分粉土層有可能已沁水，甚至達到超飽和，因此存在房舍發生沉降的可能。建議建立長期變形量測機制，監測房舍外部和內部的變形沉降趨勢，以防止發生可能的整體災害性事故。

4 結語

我們通過探地雷達測試技術可以具體發現，該技術擁有檢測圖像清晰且較好成像等優點，并且可以探測到具體特定范圍內的地下空洞，這樣可以準確且清楚地反映房屋地基地下結構信息的空間變化特征，所以在房屋基地檢測中有著廣泛的應用空間和巨大的前景。