用于路橋檢測的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)
2016-01-25
一、前言
地質(zhì)雷達(dá)(又稱探地雷達(dá)，Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)檢測技術(shù)是一種高精度、連續(xù)無損、經(jīng)濟(jì)快速、圖像直觀的高科技檢測技術(shù)。它是通過地質(zhì)雷達(dá)向物體內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波并接收相應(yīng)的反射波來判斷物體內(nèi)部異常情況。作為目前精度較高的一種物理探測技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結(jié)構(gòu)探傷等領(lǐng)域。
二、地質(zhì)雷達(dá)的工作原理
地質(zhì)雷達(dá)儀器主要由控制單元、發(fā)射天線、接收天線、筆記本電腦等部件組成。工作人員通過操縱筆記本電腦，向控制單元發(fā)出命令；控制單元接收到命令后，向發(fā)射天線和接收天線同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號；發(fā)射天線觸發(fā)后，向地面發(fā)射頻率為幾十至幾千兆赫的高頻脈沖電磁波；電磁波在地下傳播過程中，遇到電性不同的界面、目標(biāo)或局域介質(zhì)不均勻體時(shí)，一部分電磁波反射回地面，由接收天線接收，并以數(shù)據(jù)的形式傳輸?shù)娇刂茊卧?，再由控制單元傳輸?shù)焦P記本電腦，以圖像的方式顯示。對圖像進(jìn)行處理分析，便可得出地下介質(zhì)分布情況，從而實(shí)現(xiàn)檢測的目的。其工作流程如圖1所示。
按照現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)可以分為剖面法、寬角法、多天線法等幾種方法。其中最為常用的是剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間隔距離沿測線同步移動(dòng)的一種測量方法。發(fā)射天線和接收天線同時(shí)移動(dòng)一次便獲得一個(gè)記錄。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線同步沿測線移動(dòng)時(shí)，就可以獲得一系列記錄組成的地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像。其中橫坐標(biāo)為天線在地表測線上的位置，縱坐標(biāo)為電磁波從發(fā)射天線發(fā)出經(jīng)異常介質(zhì)反射回到接收天線的雙程走時(shí)。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線之間的距離相對天線與異常介質(zhì)的距離很小時(shí)，可以近似認(rèn)為雙程走時(shí)正比于天線與異常介質(zhì)的距離。
三、地質(zhì)雷達(dá)誤差產(chǎn)生分析
1、反射信號時(shí)間差
要想準(zhǔn)確地記錄反射信號時(shí)間差，首要的問題是確定計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)。依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，可以把探地雷達(dá)的反射信號的觸發(fā)點(diǎn)看作是物理時(shí)間的起點(diǎn)，但是這樣也存在不少問題尚待解決：
（1）強(qiáng)烈的直達(dá)波信號和地面反射信號的干擾，使記錄整體面貌變壞，影響增益設(shè)置和自動(dòng)增益的使用。
?。?）天線的位置隨著路況的不同而起伏顫動(dòng)，識別地面反射點(diǎn)的位置要花費(fèi)大量的精力。
為了提高起始零點(diǎn)的標(biāo)定精度，地質(zhì)雷達(dá)一般備有自動(dòng)調(diào)零設(shè)置，設(shè)計(jì)用自動(dòng)軟件將時(shí)間起點(diǎn)移到地面反射信號位置。同時(shí)，還要輔用一些校正方法。校正的方法是：首先顯示整條波形掃描曲線，在掃描曲線中辨認(rèn)出直達(dá)波和地面反射波，然后將原點(diǎn)時(shí)間光標(biāo)移動(dòng)到地面反射的位置。
2、介電常數(shù)的標(biāo)定
介電常數(shù)決定介質(zhì)中電磁波的傳播速度，因此介電常數(shù)能否正確標(biāo)定是能否測定路面厚度的另一個(gè)重要因素。標(biāo)定介電常數(shù)的傳統(tǒng)方法主要有數(shù)學(xué)模型計(jì)算、利用鉆芯厚度標(biāo)定以及反射波波幅推導(dǎo)3 種。
四、在公路檢測中的應(yīng)用
公路路基往往由于含水量過高、承載力不足、壓實(shí)度達(dá)不到要求等原因，而使路基產(chǎn)生過量沉陷，形成空洞、暗穴，有時(shí)局部還會產(chǎn)生滑坍等。面層在行車荷載的反復(fù)作用和自然風(fēng)化因素的影響下，會逐漸出現(xiàn)損壞，形成路面沉陷、車轍推移、開裂等。另外，由于公路結(jié)構(gòu)層透水性問題使局部集水。而產(chǎn)生軟弱體(或軟弱層)等病害。公路病害的形成原因是多方面，有本身質(zhì)量造成的，有自然風(fēng)化、外界作用產(chǎn)生的，路基問題與路面問題也不是獨(dú)立形成的，兩者相互作用、互相影響，因此在公路病害調(diào)查中，查明“病因”十分重要。本文特選了幾個(gè)典型路段作針對性檢測試驗(yàn)。這些路段的路面破損明顯，出現(xiàn)了坑槽、車轍、推移、裂痕、路面沉陷、橋頭跳車等多種病害。
1、公路基層及路基損壞檢測
本次檢測出基層及路基損壞的區(qū)段較多，在雷達(dá)資料上，結(jié)構(gòu)層損壞表現(xiàn)為界面反射起伏不平，反射波扭曲，連續(xù)性差。該段基層反射波起伏雖不大。但連續(xù)性較差。而路床反射微弱，但反射起伏較大，說明路基及基層已破壞，路基損壞較嚴(yán)重。
2、公路路面脫空檢測
檢測位置在某鐵路橋南側(cè)。該段路面已損壞，從資料上分析，基層損壞明顯，墊層與路床界面起伏不平，說明基層、墊層內(nèi)部介質(zhì)橫向上已發(fā)生變化，基層內(nèi)部界面不明顯。分析該段路結(jié)構(gòu)層：面層底面反射時(shí)間2．94ns。埋深16cm；基層底部反射時(shí)間11．18ns，埋深71cm。橋頭以南仁20m范圍內(nèi)，面層之下有一明顯軟弱夾層，形成路面脫空，檢測資料上反映為一夾層反射，以中部為最厚，反射時(shí)間為2．2l-5．74ns，厚約5cm，其下基底界面已十分微弱，說明基層工程特性較差。
3、公路路面裂紋檢測
裂紋在高速公路病害異常中表現(xiàn)比較細(xì)小。根據(jù)雷達(dá)探測原理可知：頻率越高，探測深度越淺，分辨率也越高；反之頻率作者簡介：蒲茹英，河北無極縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局。低，探測深度越深，分辨率也相應(yīng)下降。所以雷達(dá)探測一般可解決淺部的裂紋異常，深部的裂紋可考慮采用超聲波法進(jìn)行探測。深裂紋異常表現(xiàn)為向兩邊分散的有傾斜度的同相軸，淺部裂紋雷達(dá)圖象異常與此相似，但表現(xiàn)不太明顯。
4、公路路面下沉檢測
路面下沉可能由于建設(shè)初期壓實(shí)度不夠或后期長時(shí)間負(fù)載以及路基強(qiáng)度不夠等造成的，在雷達(dá)圖象上主要表現(xiàn)為同相軸不水平，有一定的傾斜度。
5、公路路面鋼筋網(wǎng)檢測
公路路面鋼筋網(wǎng)異常時(shí)，雷達(dá)探測是根據(jù)電磁波原理進(jìn)行探測，所以對鐵磁性的物質(zhì)感應(yīng)特別明顯，主要表現(xiàn)為同相軸有波峰突起，圖象情況跟鋼筋疏密有關(guān)，疏時(shí)同相軸呈小弧行，密集情況時(shí)則連成了一片。
6、公路路面密實(shí)度檢測
由于建設(shè)初期壓實(shí)度不夠或其它原因引起，部分橋臺和路段存在不密實(shí)區(qū)。在該范圍內(nèi)介質(zhì)通常不均勻，與周圍的介質(zhì)之間存在一定的差異。在雷達(dá)波形圖中表現(xiàn)波形比較紊亂，與正常的路面雷達(dá)圖象相比層狀波形少，與空洞異常相比，多次波相對也較少。
四、 在隧道工程中的應(yīng)用
地質(zhì)雷達(dá)在隧道中的應(yīng)用主要針對有混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測、隧道病害檢測。主要解決以下問題：
1、襯砌厚度及襯砌鋼筋檢測
檢測隧道襯砌結(jié)構(gòu)各層厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，原理與公路層厚度檢測類似。又由于鋼筋屬于良性導(dǎo)體，當(dāng)雷達(dá)波從介質(zhì)入射到導(dǎo)體表面時(shí)，由于存在較大的電磁性差異，必然產(chǎn)生反射現(xiàn)象。從電磁波理論可以知道，金屬材料對雷達(dá)波具有很強(qiáng)的反射能力。所以可使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋的分布和密度進(jìn)行檢測。
2、超前預(yù)報(bào)
隧道的特點(diǎn)是斷面大、距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜。不良的地層條件極易引起隧道塌方、涌水等事故的發(fā)生。然而隧道工程所處環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)見性給安全施工帶來了不小的難度。為了盡量避免出現(xiàn)施工事故，在有地質(zhì)資料和理論分析作為參考依據(jù)的情況下，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)的超前探查技術(shù)對隧道圍巖變形進(jìn)行有效的監(jiān)測，實(shí)時(shí)分析和掌控隧道的變形情況，并對隧道的襯砌狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，可為施工提供指導(dǎo)性依據(jù)，從而達(dá)到安全施工的目的。
3、滲漏水
水對雷達(dá)波有強(qiáng)烈的反射，所以可以利用地質(zhì)雷達(dá)探測襯砌背后水的聚集情況，為防水與排水提供一定的依據(jù)。
結(jié) 論:
地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)雖然是一項(xiàng)較為前沿的檢測技術(shù)，但是以其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)在公路與橋隧結(jié)構(gòu)施工及后期檢測養(yǎng)護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，在工程建設(shè)前期，可利用地質(zhì)雷達(dá)對地質(zhì)概況進(jìn)行勘查探測，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)、查找不良地段；在工程建設(shè)過程中，利用地質(zhì)雷達(dá)可以準(zhǔn)確地探測出路面結(jié)構(gòu)層的厚度，進(jìn)而使施工質(zhì)量得到保證。
