地質雷達在鋼筋混凝土質量檢測中的應用

張 宇，葉唐進，劉入源，孫明露，劉叢叢

（1.西藏大學 工學院，拉薩 850000；2.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000；3.大連理工大學 建設工程學部，遼寧大連 116024；4.西藏自然科學博物館，拉薩 850000）

鋼筋混凝土結構廣泛應用于工廠、房屋、公路、橋梁和隧道等現代建筑中。鋼筋具有良好的抗拉性能，混凝土具有良好的抗壓性能，二者優勢互補，使得鋼筋混凝土同時具有較好的抗壓和抗拉性能。在施工過程中，施工工藝差異、施工管理失控以及施工質量控制不嚴格等因素常常會造成混凝土內部鋼筋與設計標準不符，從而引發安全隱患。而鋼筋埋于混凝土的內部，很難直觀觀測其存在的質量問題，因此有必要采取一種直觀有效、快速精準的方法來對鋼筋混凝土進行質量檢測。

目前，地質雷達（GPR）在土木工程領域的應用越來越廣泛。李晉平等[1]針對鐵路隧道，使用地質雷達對隧道混凝土襯砌結構進行檢測，精確探測了襯砌厚度，確定了鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數量，證明該技術方法是切實可行的；姚帥等[2]等針對空心樓蓋的內部構造特點，提出了以天線頻率為1 500 MHz的雷達檢測薄板及分析方法，準確地確定空心樓蓋下翼緣薄板由振搗不充分而導致的不密實區的位置及延伸范圍，為類似工程檢測提供了依據；浦滬軍等[3]利用地質雷達對某一混凝土進行檢測，總結了混凝土和鋼筋的常見圖像；趙文軻等[4]從二次襯砌結構厚度、鋼筋分布和密實情況3方面，探討了公路隧道襯砌結構雷達檢測結果的解譯方法，有效提高了地質雷達檢測結果的直觀性和準確性。

綜上所述，大多數學者利用地質雷達在鋼筋混凝土質量檢測中取得了一定的效果，而針對鋼筋直徑大小、間距等檢測還需進一步分析研究。本文利用SIR-4000型地質雷達對某一鋼筋混凝土路面進行質量檢測，探究地質雷達在檢測混凝土保護層厚度、鋼筋直徑和間距的準確性。

1 工程背景

以某鋼筋混凝土路面為例，對該段路面中的鋼筋混凝土進行質量檢測?；炷翉姸鹊燃墳镃30，鋼筋布置一層，采用強度等級為400 MPa的熱軋帶肋鋼筋。路面以下分為2層，分別為混凝土層和人工填土層。圖1中較小直徑鋼筋路面混凝土層厚度為300 mm，鋼筋直徑為15 mm，鋼筋間距分別為505、510、505、505 mm，混凝土保護層厚度為160 mm；較大直徑鋼筋所示路面混凝土層厚度為290 mm，鋼筋直徑為25 mm，鋼筋間距分別為490、560、560、560 mm，混凝土保護層厚度為130 mm。

圖1 現場路面勘測圖

由于空氣、混凝土和鋼筋之間存在明顯的電導率、介電常數等差異，且鋼筋只鋪設1層，為地質雷達檢測鋼筋混凝土提供了可靠的地球物理條件。

2 地質雷達檢測的原理

地質雷達檢測技術（Ground Penetrating Radar，GPR）利用主頻為106～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由混凝土表面通過天線發射器發送至混凝土內，經混凝土鋼筋或混凝土層界面反射后返回表面，被接收天線接收達到檢測前方目標體的目的，如圖2所示。

圖2 地質雷達檢測原理示意圖

電磁波脈沖行程需時[5]為

式中：t為電磁波脈沖需要的時間；z為被檢測體埋深；x為收發距；v為電磁波在介質中的傳播速度。

檢測深度為式中：h為混凝土深度；v為電磁波的傳播速度；Δt為電磁波在路面結構層中雙程走時。

本次工程檢測中遇到的鋼筋是以位移電流為主的低損耗介質。在這類介質中，波速和反射系數主要取決于介電常數[4]為

式中：r為反射系數；ε為介質的相對介電常數，下角標1、2分別代表不同的介質。

3 現場檢測及結果分析

3.1 儀器設備

本次檢測采用美國GSSI生產的SIR-4000型號的雷達儀器，該系統由主機構成、雷達天線和連接線等組成，如圖3所示。該套雷達系統分辨率高、精度高、輕便快速、成果直觀、工作場地條件寬松、適應性強，可廣泛應用于公路、橋梁和隧道等諸多領域的檢測[6-9]。

圖3 地質雷達設備

3.2 檢測方法

混凝土質量檢測是采用持續拖動地質雷達天線的方法來獲得混凝土斷面的掃描圖像。在進行檢測之前，要選擇合適的雷達天線，這是確保檢測結果準確的前提，本次檢測的對象主要為鋼筋，因為鋼筋分布及其數量的檢測需要較高的分辨率，故采用900 MHz的天線進行檢測。在確定好檢測目標之后，要布置測線，測線布置要與所測目標的走向垂直。雷達天線與主機連接完畢并設置好參數后，將雷達天線與地面貼合，然后由操作人員拖動天線在測線上勻速前進。

3.3 參數設置

開機，選擇900 MHz的天線，進入專家模式，新建工作項目，雷達設置為時間采集模式，掃描/秒設置為50～120，采樣/掃描設置為512，無靜態疊加，無掃描/標記，土壤類型設置為混凝土，記錄長度設置為15-20-25，信號位置方式設置為手動，表面設置為0，增益點數設置為3，FIR低通和FIR高通設置為關閉，FIR疊加（掃描）設置為3，FIR背景去除（掃描）設置為0，IIR低通無限響應濾波器設置為2 500，IIR高通無限響應濾波器設置為225，IIR疊加設置為3，IIR背景去除設置為0。

3.4 數據解譯與分析

電磁波從空氣進入混凝土層，遇到界面會出現反射。電磁波遇到以傳導電流為主的鋼筋，由于鋼筋為良導體，會出現強反射，可以接收到非常強的能量，在雷達圖上表現為雙曲線形式的強反射信號，因此可以確定鋼筋在混凝土中的分布情況，以及混凝土的保護層厚度；同時分析雙曲線形狀，并進行擬合可以進一步判釋鋼筋直徑大小。圖4和圖5為鋼筋雷達圖與剖面圖。

圖4 小直徑鋼筋雷達圖與剖面圖

由圖4可知，小直徑鋼筋混凝土路面檢測中，（a）圖為小鋼筋地質雷達圖，（b）圖為小鋼筋混凝土路面剖面圖。通過地質雷達圖與剖面圖對比，兩者鋼筋間距的差分別為0.84、2.30、1.16、2.10 mm，混凝土保護層厚度差值為0.68 mm。

由圖5可知，大直徑鋼筋混凝土路面檢測中，（a）圖為大鋼筋地質雷達圖，（b）圖為大鋼筋混凝土路面剖面圖。通過地質雷達圖與剖面圖對比，兩者鋼筋間距的差分別為1.23、1.55、2.22、1.15 mm，混凝土保護層厚度為1.10 mm。

圖5 大直徑鋼筋雷達圖與剖面圖

由圖4和圖5對比分析可知，雙曲線形狀與鋼筋直徑大小有關，大直徑鋼筋的曲線頂部較為平緩，開口較寬；而小直徑鋼筋曲線頂部較尖銳，開口較窄。

通過不同直徑鋼筋擬合曲線，可以進一步計算出鋼筋直徑。其小直徑鋼筋檢測數據及差值見表1，大直徑鋼筋檢測數據及差值見表2。

由表1和表2可知，該路面混凝土保護層厚度、鋼筋直徑、鋼筋間距均與實際工程情況存在微小偏差?；炷帘Ｗo層厚度的偏差小于0.846%；鋼筋直徑的偏差小于0.53%；鋼筋間距的偏差小于0.71%。

表1 小直徑鋼筋檢測誤差表mm

表2 大直徑鋼筋檢測誤差表mm

4 結論

本文利用SIR-4000地質雷達對混凝土路面進行質量檢測，結合波形圖和工程實測數據對比分析和解譯，得出以下結論。

（1）鋼筋混凝土的混凝土厚度檢測中，混凝土保護層厚度雷達檢測值與實際測量值誤差小于0.846%，完全滿足檢測質量要求。

（2）鋼筋混凝土的鋼筋間距檢測中，鋼筋間距的雷達檢測值與實際測量值誤差低于0.71%，符合質量檢測需要。

（3）鋼筋混凝土的鋼筋直徑檢測中，通過圖形判釋，鋼筋直徑越大，其開口越大，頂部越平緩，反之則開口越小，頂部越尖銳；且通過擬合對比分析，其雷達檢測誤差小于0.53%，滿足檢測條件。