基于地質(zhì)雷達(dá)法的鋼絞線定位模擬分析與應(yīng)用

戴泉水

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實驗室 福建福州 350108)

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼絞線與鋼筋混凝土協(xié)同作用可提高構(gòu)件的抗彎能力和剛度，使構(gòu)件在相同荷載下?lián)隙葴p小，提高構(gòu)件的極限承載力[1-2]，但在實際工程施工中由于各種因素影響，常造成鋼絞線布設(shè)與設(shè)計不相符，給工程質(zhì)量帶來安全隱患，因此有必要尋求直觀有效的方法，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線的定位。

中心頻率900 MHz及以上的高頻地質(zhì)雷達(dá)，因其成熟的技術(shù)方法、便捷的操作以及直觀的顯示方式，在工程檢測中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。基于此，本文針對預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測模擬分析，并結(jié)合實際案例進(jìn)行應(yīng)用總結(jié)，為類似工程質(zhì)量檢測提供參考。

1 地質(zhì)雷達(dá)方法原理與模擬

1.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)又名探地雷達(dá)，其系統(tǒng)主要由天線、主機(jī)、數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備3部分組成。地質(zhì)雷達(dá)通過天線向介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射寬頻帶短脈沖高頻電磁波，并接收由介質(zhì)內(nèi)部的介電常數(shù)分界面反射回的電磁波信號[3]。因此，通過處理分析反射信號的振幅、頻率和相位的特征及變化，即可獲得介質(zhì)內(nèi)部信息。

1.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與解釋

1.2.1介電常數(shù)或波速標(biāo)定

地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場采集得到的時間——距離(道數(shù))剖面，其中時間為電磁波信號從發(fā)射到反射被接收所經(jīng)歷的時間，即雙程旅行時，進(jìn)行時間——深度轉(zhuǎn)換以后可得到深度剖面。時深轉(zhuǎn)換通過介電常數(shù)或波速標(biāo)定來實現(xiàn)。介電常數(shù)或波速標(biāo)定，通常是在已知厚度試塊測試獲取雙程旅行時，或者鉆取芯樣量取長度，之后根據(jù)公式計算出介質(zhì)的介電常數(shù)或波速。其中介電常數(shù)根據(jù)式(1)計算，波速根據(jù)式(2)計算。

(1)

(2)

式中：εr為相對介電常數(shù)；

v為電磁波速；

t為雙程旅行時；

d為標(biāo)定厚度或芯樣長度[4]。

對于高頻地質(zhì)雷達(dá)，時深轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性直接決定著地質(zhì)雷達(dá)法的定量分析結(jié)果。

1.2.2數(shù)據(jù)處理解釋

地質(zhì)雷達(dá)直接采集的原始數(shù)據(jù)，通常存在較多外界和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾信號，會影響遮蓋有效信號；且電磁波具有球面擴(kuò)散、在介質(zhì)中吸收衰減等特點(diǎn)，傳播越遠(yuǎn)信號越弱。因此，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去除干擾和增強(qiáng)有效信號的處理。常用數(shù)據(jù)處理方法有：背景去除(水平濾波)、高通/低通/帶通濾波、平滑增益等，根據(jù)需要合理選擇處理方法和步驟及相應(yīng)參數(shù)。

在地質(zhì)雷達(dá)檢測鋼絞線實驗中，需要識別鋼絞線的反射信號及其特征。鋼絞線是由鋼筋或數(shù)根鋼絲絞合成股，其雷達(dá)反射圖形可參照鋼筋反射圖形進(jìn)行識別。圖1為典型鋼筋反射，反射圖形為向下的月牙形，鋼筋處單道波形為典型的雷克子波。

圖1 典型鋼筋反射及單道波形圖

1.3 實驗?zāi)M分析

利用計算機(jī)模擬鋼筋背后不同位置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的雷達(dá)探測圖像，分析模擬剖面特點(diǎn)和反射波形特征。在理想條件下，混凝土可視為均一介質(zhì)。

如圖2所示，本次模擬鋼筋混凝土構(gòu)件中含有一排鋼筋，鋼筋間距150 mm，鋼筋直徑20 mm，保護(hù)層厚度50 mm。鋼筋后方設(shè)置3束鋼絞線，每束鋼絞線由6根鋼絞線成梅花型絞合。實際中鋼絞線由多根鋼絲絞合，由于鋼絲尺寸小，絞合成股后間距緊密，每根綱絲對實際探測效果沒有獨(dú)立影響，因而模擬中將鋼絞線視為光圓鋼筋進(jìn)行簡化模擬。3束鋼絞線與鋼筋垂直凈間距50 mm，水平方向上第一束鋼絞線位于兩根鋼筋中間，第二束鋼絞線位于鋼筋正后方，第三束鋼絞線位于兩根鋼筋之間并較靠近其中一根鋼筋。3束鋼絞線位置分別模擬實際預(yù)應(yīng)力鋼絞線低松弛設(shè)計及綁扎時與鋼筋的相對位置變化情況。雷達(dá)模擬探測的主頻為1600 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)512，時窗18ns。天線脈沖響應(yīng)為雷克子波。混凝土介電常數(shù)設(shè)置為8。

圖2 鋼筋鋼絞線布置模型(單位mm)

圖3為模型的地質(zhì)雷達(dá)模擬探測剖面。從圖3中可見，第一層的鋼筋由于間距大且上方無干擾物，鋼筋反射清晰可辨，鋼筋位置可根據(jù)弧形反射的頂點(diǎn)來確定。第一束鋼絞線反射信號受鋼筋干擾小，信號強(qiáng)且清晰，可以清楚地識別；第二束鋼絞線正上方反射信號被上方鋼筋遮擋，造成中部信號強(qiáng)度較弱，但結(jié)合兩邊的尾部信號及其整體連續(xù)性，仍然可以識別出鋼絞線并判斷其位置；第三束鋼絞線在靠近鋼筋一側(cè)的反射強(qiáng)度被削弱，遠(yuǎn)離鋼筋的一側(cè)反射信號強(qiáng)且清晰，同樣可辨別出鋼絞線及其位置。綜合來看，鋼絞線束直徑較鋼筋直徑大且埋深較深，因此反射弧形的張角比鋼筋反射弧形張角大，該特征也可作為區(qū)分鋼筋和鋼絞線反射的依據(jù)之一。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，高頻地質(zhì)雷達(dá)運(yùn)用于鋼絞線探測定位在理論上具有較強(qiáng)的可行性。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)模擬剖面

2 鋼絞線定位實例分析

2.1 工程概況

廈門市某工程預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件，其預(yù)應(yīng)力鋼絞線縱斷面設(shè)計如圖4所示，梁截面設(shè)計如圖5所示。在預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)等間距布置4束鋼絞線，同一截面內(nèi)鋼絞線處于同一水平面。因裝修需要在梁側(cè)打孔以固定螺栓，為了避免沖擊鉆損傷鋼筋和鋼絞線，使用鋼筋掃描儀進(jìn)行梁側(cè)腰筋定位，但鋼絞線位置超出鋼筋掃描儀量程且存在鋼筋干擾，使用鋼筋掃描儀無法識別定位鋼絞線。因此，使用高頻地質(zhì)雷達(dá)探測鋼絞線位置。

圖4 鋼絞線縱斷面設(shè)計圖(單位:mm)

圖5 梁截面設(shè)計圖(單位:mm)

2.2 探測效果測試

設(shè)備采用意大利IDS生產(chǎn)的RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)，天線選擇頻率1600 MHz的高頻屏蔽天線，波長為1 cm，探測深度0.5 m。該頻率的地質(zhì)雷達(dá)縱向分辨率及探測深度能夠滿足鋼筋和鋼絞線的分辨識別及保護(hù)層厚度檢測的要求[5]。通過分析，檢測過程中的技術(shù)參數(shù)為：采樣點(diǎn)數(shù)512；時窗20ns；信噪比≥160dB；A/D轉(zhuǎn)換16bit。觸發(fā)方式為測距輪觸發(fā)。在梁側(cè)面沿著梁截面方向，間隔一定間距布置多條平行測線進(jìn)行雷達(dá)探測效果試驗。

圖6測試效果為鋼絞線位于兩根鋼筋中間時，對應(yīng)圖3中第一束鋼絞線的模擬情況，反射弧形張角較大，信號清晰完整，實際探測效果與模擬效果相符；圖7測試效果為鋼絞線偏向其中一根鋼筋時，位置對應(yīng)圖3模擬中的第二束鋼絞線。對比模擬圖像與實際探測圖像，發(fā)現(xiàn)實際探測圖像中鋼絞線反射弧形完整且信號較強(qiáng)，實際探測效果優(yōu)于模擬效果；圖8測試效果為鋼絞線位于鋼筋正下方時，位置對應(yīng)圖3模擬中的第三束鋼絞線，實際探測圖像中鋼絞線反射信號以中點(diǎn)為界一側(cè)信號強(qiáng)，另一側(cè)信號弱，與模擬的中部信號弱兩側(cè)信號強(qiáng)的特征有所差別，但仍然可以識別出鋼絞線。

圖6 鋼絞線位于鋼筋中間的探測效果

圖7 鋼絞線偏向鋼筋的探測效果

圖8 鋼絞線位于鋼筋正下方的探測效果

根據(jù)以上探測效果測試可知，該頻率地質(zhì)雷達(dá)用于鋼絞線探測定位直觀有效，探測圖像能夠清晰地反映出鋼絞線及其相對鋼筋的位置。

2.3 鋼絞線平面定位

如圖9所示，在螺栓孔的兩側(cè)，沿著梁截面向下方向，間隔20 cm各布置3條平行測線進(jìn)行探測。圖10和圖11分別為兩處梁側(cè)面的探測組合。由探測圖像可知，同一組的雷達(dá)剖面圖像在同一位置和深度清晰可見同一根鋼筋反射；在大于鋼筋深度位置可見鋼絞線反射，且可判斷在探測范圍內(nèi)鋼絞線具有一定的傾斜走向趨勢。通過同一梁多個平行剖面組合，將同一根鋼筋及鋼絞線弧形反射的頂點(diǎn)連接起來，可直觀地展示出鋼絞線在梁內(nèi)部的走向，同時也清晰地反映出鋼筋位置，節(jié)省使用鋼筋探測儀的步驟，效果直觀、可信度高。

圖9 預(yù)應(yīng)力梁梁側(cè)面測線布置(單位：mm)

圖10 預(yù)應(yīng)力梁雷達(dá)剖面組合一

圖11 預(yù)應(yīng)力梁雷達(dá)剖面組合二

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，從理論上說明高頻地質(zhì)雷達(dá)在鋼絞線位于鋼筋后方不同位置時，均能夠清晰地反應(yīng)出鋼絞線位置。針對某工程實際情況，在鋼筋掃描儀無法發(fā)揮作用或無法滿足檢測要求時，通過測試證明高頻地質(zhì)雷達(dá)法定位鋼絞線的可行性，且探測效果清晰可靠。進(jìn)一步的剖面組合方式更加直觀地展示鋼絞線走向和鋼筋位置，凸顯了地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢，為地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用提供了有力的參考。