地质雷达在桥头搭板脱空检测中的应用

www.qqwwr 2010年07月20日 14:47 来源：大众科学·科学研究与实践

　　[摘要]：地质雷达检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术，在工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、混凝土结构无损探伤等领域应用较广。文章介绍了地质雷达的工作原理，并将地质雷达检测技术应用于公路桥头搭板脱空检测。路面雷达检测结果表明该技术能确定桥头搭板的脱空情况，且有经济、快速、无损、直观、信息量丰富等优点，具有重要的工程应用价值。
　　[关键词]：地质雷达；桥头搭板；脱空；检测
沸腾都市中图分类号：P5　文献标识码：C　文章编号：1002-6908(2008)1020012-02

地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPIk)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。作为目前精度较高的一种物理探测技术，地质雷达检测技术已广泛应用于工程地质、岩土工程勘察、地基等工程质量无损检测、桥梁隧道、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测、混凝土结构探伤等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高。
我国很多早期建设的公路桥梁，随着使用时间的推移，存在不同程度的病害，尤其是很多公路桥梁存在桥头搭板脱空的现象。为了保证行车安全、延长公路桥梁的使用寿命，需要对现役公路桥梁的桥头搭板脱空病害进行诊断。地质雷达检测技术为这一工程质量检测问题提供了一个经济、快速、无损、直观的检测手段。

　　一、地质雷达的工作原理

地质雷达技术是一种对地下的或物体内不可见的部分进行定位的电磁技术，工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线定向送入地下或工程实体内，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线接收。高频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电性特征及几何形态而变化。电磁波在有耗介质中传播时，遇到地下介质不均匀、介电常数有差异时便会发生反射，其发射系数由介电常数决定。介电常数与物质的导电性有关，通常情况下，某类物质的介电常数是比较固定的，但当它与其它物质混合时，表现出来的综合介电常数会改变，常见材料空气、水、沥青、砼、土壤(干)、土壤(含水20％)、冰和金属的介电常数分别是1、81、3～5、4～6、4(3～5)、10(4～40)、3.2和无限大。故通过对时域波形的采集、处理和分析。可确定地下界面或构造物的空间位置及结构。地质雷达探测深度范围和分辨率与所使用的天线频率有关。
不同的地质结构或不同的工程实体需要不同的天线频率。一般天线频率越高，则探测深度越浅分辨率越高；天线频率越低，则探测深度越深，分辨率越低。因此，地质雷达技术存在着探测深度与分辨率的取舍或优选问题。目前地质雷达所能探测的深度在50m以内，分辨率最高达几毫米，但由于深度的增加，分辨率有较大的下降。同时探测深度与介质的含水量和电导率有较大的关系。

二、地质雷达仪器工作流程

地质雷达仪器主要由控制单元、发射天线、接收天线、笔记本电脑等部件组成。工作人员通过操纵笔记本电脑，向控制单元发出命令；控制单元接收到命令后，向发射天线和接收天线同时发出触发信号；发射天线触发后，向地面发射频率为几十至几千兆赫的高频脉冲电磁波；电磁波在地下传播过程中，遇到电性不同的界面、目标或局域介质不均匀体时，一部分电磁波反射回地面，由接收天线接收，并以数据的形式传输到控制单元，再由控制单元传输到笔记本电脑，以图像的方式显示。对图像进行处理分析，便可得出地下介质分布情况，从而实现检测的目的。
实际勘测时，一般采用剖面法(CDP)或展开法两种方式，在一些特殊应用中还可采用透射法。地质雷达资料的解释主要依据剖面的反射信号特征，特别是反射信号的同相轴变化以及信号的强弱(幅度阿尔金)，一般主要表现为层状晒黑族(线性同相轴)乐果q7、管线状(双曲线同相轴)、洞穴状(双曲线同相轴)异常特征。

　　三、地质雷达在桥头搭板脱空检测中的应用实例

文章运用地质雷达对某高速公路桥头搭板脱空情况进行检测。测试采用美国脉冲雷达公司生产的路用探地雷达RODAR v汽车防盗器原理，检测时路面霤达采用频率为500MHz天线，地质雷达采用频率为100MHz天线，以满足对测试深度的要求。德克萨斯交通科研所(TTI)的对比试验结果表明，Pulse Radar的天线性能为最好。其主要性能技术指标为：
噪音与信号比：≤2.5％
短期信号稳定性：≤1.0％
长期信号稳定性：≤3.0％
末端反射：建设项目环境保护分类管理名录≤15％
砼探测实验：≥25％
时间标定偏差：≤2.0％
利用地质雷达获取测试路段的波形图和剖面图，将测试路段地质雷达波形图与彩剖面图和正常路段地质雷达波形图与彩剖面图进行对比分析，确定桥头搭板的脱空情况。
异常段判断依据：(1)测试路段彩剖面图同正常略段相比有明显变化；(2)测试路段地质雷达波形图与正常路段相比。有较明显的波峰表明路基区别于其它段，或者是含水量偏高，或者是有软弱层等等。
通过路面雷达测试结果的分析，可初步确定桥头搭板的脱空情况。测试结果分为轻度脱空、中度脱空、重度脱空三个等级，判别依据为各层间脱空大小。
选取某高速公路11处桥头搭板状况进行分析，测试结果表明11处桥头搭板有1处严重脱空。1处中度脱空。9处轻度脱空，与实际情况基本吻合。

四、结语

通过近几年公路检测技术实践资料来看，地质雷达技术是一种高速、安全的无损检测技术，无论是在公路工程的常规检测还是病害检测，都可以取得明显的社会效益和经济效益。这种方法在公路检测领域是值得大力推广和应用的，高速公路建设中地质雷达的应用有着广阔的前景。
但是地质雷达技术作为一种对隐蔽工程的探测手段，除了具有科学性的一方面外，同时也存在局限性、多解性、片面性。例如高频天线只能探测浅部问题，低频天线只能探测深部问题，若同时探测深部和浅部问题，天线频率的选择就是一个难题。另外。在测试过程中也会遇到探测效果不理想的情况，这时就需要结合其它物探技术来一起解决问题。地质雷达技术目前在许多问题上只能给出定性的解释，在定量解释方面还不完善。但是可以预料，随着技术的进步，地质雷达技术将在公路工程质量检测方面发挥更大的作用。

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