張 宇，葉唐進(jìn)，劉入源，孫明露，劉叢叢

（1.西藏大學(xué) 工學(xué)院，拉薩 850000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000；3.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024；4.西藏自然科學(xué)博物館，拉薩 850000）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工廠、房屋、公路、橋梁和隧道等現(xiàn)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(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使得鋼筋混凝土同時(shí)具有較好的抗壓和抗拉性能。在施工過(guò)程中，施工工藝差異、施工管理失控以及施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格等因素常常會(huì)造成混凝土內(nèi)部鋼筋與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符，從而引發(fā)安全隱患。而鋼筋埋于混凝土的內(nèi)部，很難直觀觀測(cè)其存在的質(zhì)量問(wèn)題，因此有必要采取一種直觀有效、快速精準(zhǔn)的方法來(lái)對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

目前，地質(zhì)雷達(dá)（GPR）在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。李晉平等[1]針對(duì)鐵路隧道，使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，精確探測(cè)了襯砌厚度，確定了鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數(shù)量，證明該技術(shù)方法是切實(shí)可行的；姚帥等[2]等針對(duì)空心樓蓋的內(nèi)部構(gòu)造特點(diǎn)，提出了以天線頻率為1 500 MHz的雷達(dá)檢測(cè)薄板及分析方法，準(zhǔn)確地確定空心樓蓋下翼緣薄板由振搗不充分而導(dǎo)致的不密實(shí)區(qū)的位置及延伸范圍，為類(lèi)似工程檢測(cè)提供了依據(jù)；浦滬軍等[3]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)某一混凝土進(jìn)行檢測(cè)，總結(jié)了混凝土和鋼筋的常見(jiàn)圖像；趙文軻等[4]從二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度、鋼筋分布和密實(shí)情況3方面，探討了公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的解譯方法，有效提高了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者利用地質(zhì)雷達(dá)在鋼筋混凝土質(zhì)量檢測(cè)中取得了一定的效果，而針對(duì)鋼筋直徑大小、間距等檢測(cè)還需進(jìn)一步分析研究。本文利用SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)對(duì)某一鋼筋混凝土路面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，探究地質(zhì)雷達(dá)在檢測(cè)混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋直徑和間距的準(zhǔn)確性。

1 工程背景

以某鋼筋混凝土路面為例，對(duì)該段路面中的鋼筋混凝土進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋布置一層，采用強(qiáng)度等級(jí)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(hù)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(hù)層厚度為130 mm。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)路面勘測(cè)圖

由于空氣、混凝土和鋼筋之間存在明顯的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等差異，且鋼筋只鋪設(shè)1層，為地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鋼筋混凝土提供了可靠的地球物理?xiàng)l件。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)（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(guò)天線發(fā)射器發(fā)送至混凝土內(nèi)，經(jīng)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(dá)到檢測(cè)前方目標(biāo)體的目的，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖

電磁波脈沖行程需時(shí)[5]為

式中：t為電磁波脈沖需要的時(shí)間；z為被檢測(cè)體埋深；x為收發(fā)距；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

檢測(cè)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(jié)構(gòu)層中雙程走時(shí)。

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

式中：r為反射系數(shù)；ε為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，下角標(biāo)1、2分別代表不同的介質(zhì)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)果分析

3.1 儀器設(shè)備

本次檢測(cè)采用美國(guó)GSSI生產(chǎn)的SIR-4000型號(hào)的雷達(dá)儀器，該系統(tǒng)由主機(jī)構(gòu)成、雷達(dá)天線和連接線等組成，如圖3所示。該套雷達(dá)系統(tǒng)分辨率高、精度高、輕便快速、成果直觀、工作場(chǎng)地條件寬松、適應(yīng)性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于公路、橋梁和隧道等諸多領(lǐng)域的檢測(cè)[6-9]。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備

3.2 檢測(cè)方法

混凝土質(zhì)量檢測(cè)是采用持續(xù)拖動(dòng)地質(zhì)雷達(dá)天線的方法來(lái)獲得混凝土斷面的掃描圖像。在進(jìn)行檢測(cè)之前，要選擇合適的雷達(dá)天線，這是確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的前提，本次檢測(cè)的對(duì)象主要為鋼筋，因?yàn)殇摻罘植技捌鋽?shù)量的檢測(cè)需要較高的分辨率，故采用900 MHz的天線進(jìn)行檢測(cè)。在確定好檢測(cè)目標(biāo)之后，要布置測(cè)線，測(cè)線布置要與所測(cè)目標(biāo)的走向垂直。雷達(dá)天線與主機(jī)連接完畢并設(shè)置好參數(shù)后，將雷達(dá)天線與地面貼合，然后由操作人員拖動(dòng)天線在測(cè)線上勻速前進(jìn)。

3.3 參數(shù)設(shè)置

開(kāi)機(jī)，選擇900 MHz的天線，進(jìn)入專(zhuān)家模式，新建工作項(xiàng)目，雷達(dá)設(shè)置為時(shí)間采集模式，掃描/秒設(shè)置為50～120，采樣/掃描設(shè)置為512，無(wú)靜態(tài)疊加，無(wú)掃描/標(biāo)記，土壤類(lèi)型設(shè)置為混凝土，記錄長(zhǎng)度設(shè)置為15-20-25，信號(hào)位置方式設(shè)置為手動(dòng)，表面設(shè)置為0，增益點(diǎn)數(shù)設(shè)置為3，F(xiàn)IR低通和FIR高通設(shè)置為關(guān)閉，F(xiàn)IR疊加（掃描）設(shè)置為3，F(xiàn)IR背景去除（掃描）設(shè)置為0，IIR低通無(wú)限響應(yīng)濾波器設(shè)置為2 500，IIR高通無(wú)限響應(yīng)濾波器設(shè)置為225，IIR疊加設(shè)置為3，IIR背景去除設(shè)置為0。

3.4 數(shù)據(jù)解譯與分析

電磁波從空氣進(jìn)入混凝土層，遇到界面會(huì)出現(xiàn)反射。電磁波遇到以傳導(dǎo)電流為主的鋼筋，由于鋼筋為良導(dǎo)體，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射，可以接收到非常強(qiáng)的能量，在雷達(dá)圖上表現(xiàn)為雙曲線形式的強(qiáng)反射信號(hào)，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(hù)層厚度；同時(shí)分析雙曲線形狀，并進(jìn)行擬合可以進(jìn)一步判釋鋼筋直徑大小。圖4和圖5為鋼筋雷達(dá)圖與剖面圖。

圖4 小直徑鋼筋雷達(dá)圖與剖面圖

由圖4可知，小直徑鋼筋混凝土路面檢測(cè)中，（a）圖為小鋼筋地質(zhì)雷達(dá)圖，（b）圖為小鋼筋混凝土路面剖面圖。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)圖與剖面圖對(duì)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(hù)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(cè)中，（a）圖為大鋼筋地質(zhì)雷達(dá)圖，（b）圖為大鋼筋混凝土路面剖面圖。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)圖與剖面圖對(duì)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(hù)層厚度為1.10 mm。

圖5 大直徑鋼筋雷達(dá)圖與剖面圖

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

通過(guò)不同直徑鋼筋擬合曲線，可以進(jìn)一步計(jì)算出鋼筋直徑。其小直徑鋼筋檢測(cè)數(shù)據(jù)及差值見(jiàn)表1，大直徑鋼筋檢測(cè)數(shù)據(jù)及差值見(jiàn)表2。

由表1和表2可知，該路面混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋直徑、鋼筋間距均與實(shí)際工程情況存在微小偏差?；炷帘Ｗo(hù)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(cè)誤差表mm

表2 大直徑鋼筋檢測(cè)誤差表mm

4 結(jié)論

本文利用SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)混凝土路面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)合波形圖和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析和解譯，得出以下結(jié)論。

（1）鋼筋混凝土的混凝土厚度檢測(cè)中，混凝土保護(hù)層厚度雷達(dá)檢測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值誤差小于0.846%，完全滿(mǎn)足檢測(cè)質(zhì)量要求。

（2）鋼筋混凝土的鋼筋間距檢測(cè)中，鋼筋間距的雷達(dá)檢測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值誤差低于0.71%，符合質(zhì)量檢測(cè)需要。

（3）鋼筋混凝土的鋼筋直徑檢測(cè)中，通過(guò)圖形判釋?zhuān)摻钪睆皆酱螅溟_(kāi)口越大，頂部越平緩，反之則開(kāi)口越小，頂部越尖銳；且通過(guò)擬合對(duì)比分析，其雷達(dá)檢測(cè)誤差小于0.53%，滿(mǎn)足檢測(cè)條件。