探地雷达在工程检测中的应用

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1、探地雷达在工程检测中的应用探地雷达在工程检测中的应用 摘要摘要: 探地雷达(Ground Penetrating Radar)技术是一种高分辨率的地球物理探测技术,也 是近几年在工程物探领域比较热的一项新技术,已广泛应用于水电工程勘察与工程检测中。 由于雷达检测具有无损、高效快捷、高分辨率等特征而被广泛应用于混凝土质量检测方面。 文章,介绍探地雷达在地下混凝土结构内存在空洞及不密实等缺陷的探测中的应用。 1. 应用简介应用简介 1910 年, Letmbach 和 Lawy 在一项德国专利中提出了探测埋藏物体的方法, 他们 将偶极天线埋设在两孔洞中进行发射和接收, 这时才正式提出了探地雷达的概

2、念。上世纪 70 年代以来, 探地雷达技术得到了前所未有的发展, 地下浅层目标探测得以实现, 探地雷 达的应用范围也迅速扩大。在我国, 探地雷达的研究始于上纪 70 年代初期, 一些高校和研 究单位相继引进国外的仪器, 许多单位推出了自己的探地雷达样机, 在理论上作了一些研 究。 在道路工程中, 应用路用探地雷达可以开展大量的工作: ( 1) 施工质量的控制; ( 2) 路 面结构与材料研究; ( 3) 检测设备应用技术研究; ( 4) 设计资料的勘察收集; ( 5) 病害隐患 探测; ( 6) 工程质量事故原因的监察与仲裁; ( 7) 旧路的评定和改建。 2. 地质雷达方法原理地质雷达方法原

3、理 地质雷达(ground probing/penetrating radar,简称 GPR),是近年来新兴的地下探测 与地面混凝土构筑物无损检测的新技术,它是利用高频电磁脉冲波的反射原理来实现探测目 的,属电磁波探测技术中的一种,电磁波在介质中传播时,其路径、 电磁波强度与波形将随通过 介质的电性质与几何形态不同而变化2。因此根据接收波的旅行时间(亦称双程走时),幅度 与波形等资料,可探测介质的结构、构造与埋设物体。地质雷达的工作原理如图 1 所示。 3. GPR 工作原理工作原理 探地雷达检测路面是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式, 通过天线中的发射器将 信号传入地下, 波在地下传播过程

4、中遇到不同电性介质界面时, 一部分电磁波能量被界面 反射回来, 另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质, 各界面反射电磁波由天线中的 接收器接收, 电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的性质及 几何形态而变化。再利用采样技术将其转化为数字信号进行处理, 通过对电磁波反射信号 (即回波信号) 的时频特征和振幅特征进行分析, 便能了解路面层的特征信息 (如介电常数、 层厚、空洞等)。路用探地雷达系统主要由 3 部分组成:天线,发射机, 接收机。探地雷达应 用于路面探测时, 原理如图 1 所示, 探地雷达系统根据电磁脉冲回波原理而设计。 电磁波在特定介质中的传播速度是不变的

5、,因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地 下反射波的时间差T,算出基层异常的埋藏深度 H: 式中:V电磁波在地下介质中的传播速度： 式中:C电磁波在大气中的传播速度,为 3105 万 km/s。 相对介电常数,取决于地下各层物质的介电常数。 雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系 数可表示为: 。 反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差越大,反射信号越强。雷达 波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。 导电率越高,穿透深度越小;频率越高, 穿透深度越小,反之亦然。 4. GPR 达在隧道工程检测中的应用达在隧道工程检测中的应用 随着

6、交通事业的不断发展,隧道工程的数量逐年增加,运营中出现的病害也屡见不鲜。如 隧道在使用过程中常出现衬砌漏水、衬砌侵蚀和衬砌裂损等,这些病害影响隧道的正常使用 和隧道衬砌的耐久性,因此,隧道衬砌质量检测尤为重要。 目前,隧道衬砌质量检测多采用传统 的检验方法,即开孔或开槽取样检测,该方法不仅效率低,代表性差,偶然性大,而且破坏了衬砌 的整体性。所以,人们一直在寻找一种高效、全面、快速的检测方法,使这些病害能够提前得 到治理。地质雷达法以其高分辨率。 5. GPR 在路面状况检测中的应用在路面状况检测中的应用 公路路基往往由于人类活动或自然原因造成路基下面存在不良地质构造, 地质病害、 地 基土软

7、弱、压实度不够、承载力不足等原因导致路基产生过量下沉, 形成空洞、裂缝, 甚至 失稳而发生滑塌。公路路面在车辆荷载的反复作用下也会逐渐损坏, 导致路面开裂、翻浆甚 至发生沉陷。 6. GPR 在井壁探伤中的应用在井壁探伤中的应用 探地雷达作为工程质量检测的一项新技术,具有连续无损探测、高效、高精度等优点。 该方法既能准确地提供面层和基层的厚度参数,同时又可以探测混凝土内存在的隐患及其结 构缺陷,将探地雷达用于矿井井壁质量检测有着其他物探设备无法比拟的优势。 (1)检测段内井壁厚度在 580mm800mm 之间,且绝大部分厚度都在 600mm 以外,厚 度一致性好; (2)检测段内井壁混凝土由内

8、侧向外侧均一性、 胶结程度有一定变异,在 200300mm 深 处为变异界面,变异界面以外胶结程度变差; (3)检测段内井壁混凝土结构完好,井壁壁内没有发现粒度很大的包裹矸石,在 180400mm 壁厚内存在的绕射体异常推断大部分是由大粒度的骨料和离析引起的,这样的 异常点共 6 个。 7. 结论结论 特点是可以非接触进行检测， 检测速度快， 接收信号经处理后可以用直观的图像在屏幕 上显示。可用于混凝土缺陷的检测、定量分析桥梁腐蚀、管道无损检测、探测砌体结构的完 整性及检测建筑构件的含水量。 应用探地雷达进行水电工程隧洞衬砌质量检测,具有高效快捷、高精度、抗干扰强、无 损伤、连续性等优点,对施工没有影响,可在隧洞衬砌表面任何部位做连续检测;对于混凝土 衬砌内缺陷情况的定性评价正确、 可靠,可区分脱空、 不密实等质量问题,并且已经取得明显 工程效果。 今后测试中,尚应就天线支撑安装移动不便,在检测过程中晃动造成图像杂乱以及 混凝土龄期不足等对检测结果会造成一定的影响的问题引起注意。