楊　磊

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽　550001)

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橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)中GPR技術(shù)的應(yīng)用

楊磊

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽550001)

摘要：針對(duì)公路橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)的要求，分析GPR技術(shù)在公路橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)中的具體應(yīng)用策略。先介紹了GPR技術(shù)的基本原理，并研究了GPR數(shù)據(jù)處理的要點(diǎn)，最后結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)GPR技術(shù)的具體應(yīng)用策略進(jìn)行分析，以進(jìn)一步提高公路橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)水平，全面提高公路橋梁管理水平。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；無損檢測(cè)；GPR技術(shù)；應(yīng)用

0引言

無損檢測(cè)是一種新型技術(shù)，能通過多種方式“觀察”物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且不會(huì)對(duì)物體表面產(chǎn)生破壞，具有檢出率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而被廣泛的應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，并發(fā)揮著重要效果。公路橋梁質(zhì)量檢測(cè)一直都是無損檢測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)公路橋梁檢測(cè)的弊端，避免了對(duì)公路橋梁的不必要破壞?；诖?，本文以GPR(探地雷達(dá))技術(shù)為切入點(diǎn)，對(duì)該技術(shù)在公路橋梁質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1GPR技術(shù)原理分析

GPR(探地雷達(dá))技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，隨著人們研究的不斷深入，該技術(shù)的技術(shù)水平越來越高，已經(jīng)能很好的適應(yīng)多種條件下的公路橋梁質(zhì)量管理的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前任務(wù)內(nèi)GPR技術(shù)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(gè)過程中，雷達(dá)波快速的向地下介質(zhì)傳播，當(dāng)遇到空洞、鋼筋等地下目標(biāo)物體時(shí)，電磁波開始發(fā)射，并在返回到地面時(shí)，由天線接收，并對(duì)雷達(dá)波進(jìn)行分析與處理。而相關(guān)人員在獲取該數(shù)據(jù)后，能根據(jù)雷達(dá)波的強(qiáng)度、雙程走時(shí)等確定地下目標(biāo)的空間位置、幾何形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的檢測(cè)。GPR技術(shù)的具體運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1　GPR技術(shù)原理示意圖

而對(duì)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究后可以發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)間的電磁特性差異越明顯，則介質(zhì)之間的界面越容易識(shí)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(shù)完成對(duì)立柱混凝土、鋼筋、孔洞等物質(zhì)的探測(cè)。在操作上，探地雷達(dá)主要根據(jù)電磁脈沖波的發(fā)射原理來達(dá)到探測(cè)目的，在這個(gè)過程中，確定電磁波脈沖的傳播時(shí)間就成為整個(gè)研究中的核心參數(shù)之一，其表達(dá)關(guān)系式為：

(1)

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

而多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，一般當(dāng)兩種材料的相對(duì)介電常數(shù)之間存在明顯的差異時(shí)，電磁波在截面所產(chǎn)生的透射、反射會(huì)出現(xiàn)變化，在這個(gè)過程中，界面處反射率大小與相對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式為：

(2)

在上述關(guān)系式中，P代表反射率；ε1代表介質(zhì)1所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)常數(shù)；ε2代表介質(zhì)2所對(duì)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(dāng)雷達(dá)波透過不同材料時(shí)，其變化的速度也會(huì)存在差異。而在參數(shù)運(yùn)算過程中，速度屬于材料介電常數(shù)分析中的一個(gè)必要函數(shù)，并且與材料相對(duì)介電常數(shù)的平方根存在反比例關(guān)系。但在實(shí)際上，混凝土與鋼筋等物質(zhì)在介電常數(shù)、導(dǎo)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(hù)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(zhì)量問題。

2GPR的數(shù)據(jù)處理

對(duì)相關(guān)人員而言，為了保證GPR的檢測(cè)結(jié)果，在獲取數(shù)據(jù)資料后，還需要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能保證檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性。一般來說，在GPR數(shù)據(jù)處理中需要做好以下幾點(diǎn)：

2.1確定反射波的方向與時(shí)間振幅

一般在有關(guān)反射波的問題研究中，需要從時(shí)間、振幅等方面進(jìn)行分析。其中，時(shí)間參數(shù)比較容易識(shí)別，而振幅的識(shí)別則較為困難，需要進(jìn)行大量的相關(guān)分析與運(yùn)算。一般認(rèn)為，在反射波振幅的識(shí)別中，相關(guān)人員需要從反射系數(shù)方面入手，截面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差異越明顯，反射波參數(shù)變化越強(qiáng)烈。同時(shí)，當(dāng)反射波以高速度形式進(jìn)入到低速度介質(zhì)中時(shí)，反射波所產(chǎn)生的振幅方向發(fā)生變化。

2.2識(shí)別反射波同軸形態(tài)特征

在開展有關(guān)雷達(dá)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(hào)會(huì)形成同相軸，而在數(shù)據(jù)資料的解讀中，相關(guān)人員也根據(jù)同相軸的方向、強(qiáng)弱等信息進(jìn)行詳細(xì)的研究，最終對(duì)目標(biāo)的資料有一個(gè)更加清晰的認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到判斷工程狀況的目的。

3公路橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)中GPR技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例分析

3.1工程案例簡介

在某公路橋梁工程施工中，當(dāng)高架橋樁基礎(chǔ)與立柱施工完成之后，施工單位決定開始進(jìn)行蓋梁施工。此時(shí)技術(shù)人員認(rèn)為，為了保證工程項(xiàng)目的整體施工質(zhì)量，需要確定混凝土保護(hù)層的厚度、鋼筋籠的主筋數(shù)量等參數(shù)?；谶@個(gè)要求，該工程項(xiàng)目采取了SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)開展工作，并對(duì)橋梁立柱的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

3.2確定地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)

考慮到該工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，技術(shù)人員主要從分辨率、穩(wěn)定性、穿透率等方面進(jìn)行了綜合分析。所選擇的檢測(cè)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(jì)表

3.3檢測(cè)方式

每個(gè)立柱上分別設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中第一個(gè)檢測(cè)斷面與地面之間的間距約為1.5～2.0 m，第二個(gè)檢測(cè)斷面設(shè)置在第一個(gè)檢測(cè)斷面上方4 m的位置。

在檢測(cè)過程中，每個(gè)檢測(cè)斷面需要至少接受往返兩次檢測(cè)，并保證檢測(cè)面起點(diǎn)方式是一致的。檢測(cè)時(shí)，雷達(dá)監(jiān)測(cè)方向?yàn)轫槙r(shí)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(shí)，天線緊緊沿著檢測(cè)斷面滑動(dòng)，并保證滑動(dòng)速度緩慢、均勻。當(dāng)雷達(dá)儀在完成對(duì)每一點(diǎn)的采集后，測(cè)定記錄設(shè)備上會(huì)分別顯示每厘米的參數(shù)資料。

該工程項(xiàng)目為了保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，分別在檢測(cè)斷面每隔1cm的位置設(shè)置檢測(cè)標(biāo)志，檢測(cè)過程中先將天線與標(biāo)記點(diǎn)對(duì)其，隨后，操作人員向儀器中輸入標(biāo)記信號(hào)，并記錄信號(hào)資料；通過記錄信號(hào)標(biāo)記，能確定所對(duì)應(yīng)部位的鋼筋資料。

3.4圖像解釋與數(shù)據(jù)處理

在GPR檢測(cè)技術(shù)后，對(duì)檢測(cè)的資料進(jìn)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(cè)過程中，立柱屬于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，受介質(zhì)本身性質(zhì)的影響，在不同介質(zhì)的影響下，其吸收情況會(huì)出現(xiàn)差異。針對(duì)這種情況，當(dāng)脈沖達(dá)到接收天線時(shí)，會(huì)接收的電磁波信號(hào)降低，所產(chǎn)生的波形也會(huì)出現(xiàn)差異?；谶@種特點(diǎn)，在進(jìn)行信號(hào)資料解釋時(shí)，需要先改善資料信噪比，再對(duì)圖像進(jìn)行處理，其處理內(nèi)容主要包括：(1)消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，達(dá)到改善背景的目的；(2)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，從而進(jìn)一步明確目標(biāo)體的圖像特征。

3.5結(jié)果分析

在該工程項(xiàng)目中，根據(jù)探測(cè)結(jié)果，確定在立柱中，電磁波的運(yùn)行速度達(dá)到0.086 6 m/us，將該參數(shù)代入公式(3)中，確定鋼筋保護(hù)層厚度。

在公式(3)中，l代表鋼筋保護(hù)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(jié)果，確定工程立柱的鋼筋籠存在嚴(yán)重的偏位現(xiàn)象，施工單位在現(xiàn)場(chǎng)鑿開立柱后，進(jìn)行了實(shí)際勘察，經(jīng)過檢測(cè)，確定GPR得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘查情況是一致的。

4結(jié)束語

主要分析了公路橋梁質(zhì)量無損檢測(cè)中GPR技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)問題，并對(duì)該技術(shù)的原理、應(yīng)用策略進(jìn)行了分析?？傮w而言，GPR技術(shù)在公路橋梁質(zhì)量管理中發(fā)揮著重要作用，能快速確定目標(biāo)體的質(zhì)量問題，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供必要的數(shù)據(jù)資料支撐，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]沙衛(wèi)福.高頻地質(zhì)雷達(dá)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程與建設(shè)，2013，(5):640-642.

[2]武科，馬明月，李術(shù)才，等.地質(zhì)雷達(dá)點(diǎn)測(cè)法在橋梁樁基巖溶檢測(cè)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2011，(2):83-85.

[3]趙繼祖.瀝青混凝土橋面鋪裝層病害的地質(zhì)雷達(dá)診斷技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué)，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(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)05-0152-02