探地雷达在建筑结构检测中的应用

发表时间：2019-03-19T09:35:20.660Z 来源：《建筑细部》2018年第17期 作者： 孙建彪

[导读] 探底雷达具有直观准确、快速无损的特点，被用于建筑结构检测中。探地雷达检测是一种无损检测方法。混凝土建筑结构内部通常都有钢筋网支撑，由于金属介质对高频电磁波存在强反射现象，因此使用探地雷达进行建筑结构检测非常适宜。

孙建彪

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摘要：探底雷达具有直观准确、快速无损的特点，被用于建筑结构检测中。探地雷达检测是一种无损检测方法。混凝土建筑结构内部通常都有钢筋网支撑，由于金属介质对高频电磁波存在强反射现象，因此使用探地雷达进行建筑结构检测非常适宜。 关键词：探地雷达；建筑结构；检测

自上世纪80年代以来，探地雷达（GPR）在国内的应用日渐广泛。随着工程技术人员对雷达技术的掌握，雷达的应用范围从早期的工程勘察、地质调查拓展到隧道衬砌检测、工程质量检测、建筑结构检测等领域。探地雷达采用高频电磁波作为探测手段。高频电磁波的传导特性决定了其对建筑结构内部的钢筋等金属介质非常敏感，因此利用探地雷达对建筑结构进行检测具有方便、高效、无损、准确、经济的特点，值得推广运用。地质雷达是一种快速无损的地球物理探测技术。上世纪八十年代中后期，世界上掀起了研制地质雷达的高潮，如德国、英国、瑞典、意大利、日本、俄罗斯、挪威和加拿大等国纷纷开始研制地质雷达。随后十几年间，地质雷达不断得到发展和完善，并以其高分辨率，工作频率高达5000MHz，分辨率可达厘米级，无损性，高效率，设备轻便，操作简单，从数据采集到图像处理实现一体化，可实时输出现场剖面记录图，以及抗干扰能力强，可在各种噪声环境下工作等优势，在各种地球物理方法中脱颖而出，很快成为岩土工程勘探和监测的主要手段，并广泛地应用于公路、铁路质量检测，城市基础设施探测，建筑检测，堤坝、库岸等水利水电工程探测，考古探测，环境检测等领域。 1雷达工作原理

探地雷达方法是地球物理探测方法的一个分支，属于确定地下介质分布的宽频带电磁法。该方法是一种对地下目标体或界面进行定位的电磁技术，通常采用反射测量方法。其基本工作原理是：利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，根据接收到的波的旅行时间（双程走时）、波形特征以及有效信号强度等参数资料，推断目标体的空间位置、结构、几何形态等情况，从而达到对地下目标体探测的目的。高频电磁波的传播遵从麦克斯韦方程。麦氏方程组描述了电磁波的运动学规律，其微分形式为：

（1） 式中

H—磁场强度； E—电场强度； D—电感应强度； B—磁感应强度； J—传导电流密度； q—自由电荷密度。

设天线收发距为x，反射波的双程走时为t，电磁波速度为v，则可由简单的几何关系推出： （2）

而天线收发距x远小于其探测深度h，故发射波和反射波近乎是垂直地面的，因此，双程走时可简化为： （3）

利用仪器可以准确测得双程走时t，所以，只要知道电磁波在介质内的传播速度v，我们即可计算出反射目标体的深度。 2地质雷达检测方法的概述及物理条件

在地质雷达无损探测的过程中，天线发出的信号在建筑的时间越长，接受反射回来的信号也就需要很长的时间，当信号在建筑里没有遇到建筑内壁出现的裂纹、空洞等边界时，反射回来的信号就比较强，通过这些反射回来信号强弱等一些数据，工作人员可以对建筑内壁的情况进行判断，了解建筑衬砌中是否存在安全隐患，根据建筑内部相应的结构状态来判断出现缺陷的大体位置，从而实现了检测无损的目的。有实验证明雷达发出的电磁波在不同的介质中传播的速度也会发生改变，介质常数不仅与本身的属性有关，重要的是含水量的大小对介质常数影响非常大，运用地质雷达无损探测的技术能够有效的改善物质检测的灵敏度，解决了传统检测方式收集信号不明显的问题，有效的提高了物质检测的灵敏度，能够清晰的将不同的物质分辨开来，避免受到介质影响的干扰。 3墙体建筑结构雷达检测实例 3.1工程概况

本次探测时，北京地铁十号线第11标段地铁隧道已施工至三元桥下，即将穿越三元桥附近一栋住宅楼地基邻域。由于线楼紧邻，二者水平净距离仅有2.66m，并且紧邻建筑物已有一定使用年限（约24年），主体为壁板式结构（80年代初该结构型式在北京市仅使用数年后被禁用），其整体强度和刚度均较差。地下两层依次为设备层和人防地下室，这两层内，外承重墙均为现浇钢筋混凝土结构。基础形式为片筏式钢筋混凝土基础，基础板厚500mm，其下为素混凝土垫层与防水层总厚100mm，然后为粗砂垫层500mm，至天然地基，基底埋深设计为4.91m。而此段地铁建筑开挖断面又较大，直径达6.14～6.25m。建筑物墙体及基础内若存在空洞或裂隙等不利因素时，地铁开挖会对其影响较大，可能会危及结构，甚至会出现居民的恐慌。在此种条件下，建筑开挖难度较大，必须确保建筑施工顺利进行，为了确保住宅楼的安全，对其结构及基础进行检测就变得非常重要，查清结构形式和钢筋布置及内部裂隙，对需要加固的地方及时采取相应的补救措施，减小建筑开挖对该居民楼的影响。 3.2现场测线布置与参数设置

通过查阅设计资料、现场踏勘，并根据测试目的和实际物性条件，该居民楼地上12层并且具有一定使用年限，为有效的检测到墙体及地下室基础内部存在的不良隐患，在所探测住宅楼里共选取14个典型场区作为测试点，利用现场条件的便利，在纵向外墙布置四个测试点，横向外墙布置两个测试点，楼梯过道旁承重墙布置四个测试点，楼梯窗口布置两个测试点，地下室基础布置两个测试点，每个区段选取探测面积为：0.8m×0.8m=0.64m2，采用网格式探测。住宅楼墙体结构三维测试使用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR探地雷达进行数据采集，主机为CUII型，天线为1200兆高频屏蔽天线，数据传输采用光纤传输，数据存储及现场雷达图像显示采用雷达专用XV11监视器。探地雷达现场工作参数为：采样频率22000MHz，样点数300～340样点不等，道间距7mm，时间窗为10ns，进行自动叠加。 3.3数据处理与解释

雷达图形常以脉冲反射波的波形来记录，以波形或颜色显示雷达探测剖面图。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，对实测数据也有影响。因此，必须对接收信号进行适当处理，以改善资料的信噪比，为进一步分析解释提供清晰可辨的图像。图像解释就是识别异常，这是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像正演结果，另一方面由于工程实践成果的获得。只有获得高质量的雷达图像并能正确的判别异常才能获得可靠、准确的解释结果。 参考文献：

[1]]高翔.探讨地质雷达无损探测技术在隧道检测中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2015（3）. [2]蒲国勇.地质雷达在公路工程质量检测中的应用[J].魅力中国，2014（32）.

[3]安旭文，侯建国，等.地质雷达在挡墙检测中的应用[J].武汉大学学报（工学版），2005.