关于探地雷达在工程质量检测中的应用
陆剑云
江苏辉通检测有限公司江苏泰州225300
摘要：随着国家基础设施的大量建设，工程质量控制、管理的要求越来越高，常规检测技术存在检测速度慢，代表性不强，对被检构件造成缺损等问题，随着检测技术的 发展，特别是探地雷达技术的成熟，将雷达用于工程质量检测具有积极地意义.雷达检测技术将在工程建设、质量控制中会发挥巨大优势，使基础设施建设质量更加安全、更加可控.
一、前言
传统的检测技术在其工程施工检测中，对结构物的质量检测只能通过随机选点，采取钻孔取样和室内分析的方式进行检测，以此来获得需要检测的技术参数.其局限性主要表现在：检测的结果不具有普遍性，检测点代表性不强.由于检测点位的布置不够密集，很容易遗漏一些有问题的路段，这样就为工程质量的控制理下隐患.且在工程建成并投入使用后，它只能对对表面出现的问题进行日常维护，对潜在的隐蔽问题则无法检测.比如结构层面以下的施工缺陷、空洞和脱空等质量问题.而今无损检测技术就能够 为其质量控制及其日常维护提供最精确、最详细、最可靠的技术性数据，给工程质量控制增加一份保障和手段.
随着交通需求的不断提高，目前，全国各城市的快速通道建设项目越来越多，大部分项目采用高架桥梁作为主要形式，桥梁沥青路面质量成了快速路的重要控制分项工程.沥青路面施工的厚度和压实度是质量控制的关键指标和保证路面使用质量的关键.传统的道路压实度、厚度检测采用钻芯法.对路基填筑结构层而言，钻芯法所产生的缺损尚可接受，但对桥面而言，易导致钻芯对桥面防水层的破坏，引起路面与桥面粘结出现问题，易引起路面水损坏.采用无损检测的方式，如能达到和钻芯检测一样的效果，对防止有损检测对路面的危害有重大意义.检测新技术的发展，为道路无损检测提供了方案 和可能.
运用雷达检测技术，不仅能够对结构物进行连续检测，还能对隧道、给排水和电力管线等进行重点检测，总的来说，雷达检测技术的合理运用，让工程的质量得到提高，为基础设施建设的发展提供了动力.
二、雷达检测原理
雷达检测主要是在检测的过程中，发射器形成电磁波，通过天线向地面发出信号，在地面传播的时候，电磁波会针对不同的介质进行回射传播.随后，运用信号处理系统，将反射内容转变为电信号，并录入到计算机中[1].在计算机上会看到雷达检测剖面.这样，人们就可以通过剖面，得知地下的具体情况.
电磁波在介质中的传播速度V由介质的相对介电常数：决定，它们的关系为V=c/√∈，C为电磁波在真空中的传播速度，一般取C=0.3m/ns.
地质雷达向地下发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波在地下传播的过程中遇到不同介电常数的界面时，一部分能量产生反射波，一部分能量继续向地下传播，地质雷达接收并记录这些反射信息.不同物质介电常数不同，则电磁波传播速度不同，其反射系数主要由上、下层介质的相对介电常数决定.上下层介质的介电常数差异越大，反射
部会有强反射出现，不同面层之间所用材料的细微差异，也可得到较弱的反射. 的电磁波能量也越大.对沥青混凝土面层而言，面层与基层存在明显的电性差，面层底
三、雷达检测设备的参数选择
射的频率越高，探测的深度越浅，精度越高：反之，发射的频率越低，探测的深度越深， 雷达最大探测深度及精度是由雷达系统的参数以及路面材料的电磁属性决定的.发精度越低：路面厚度小于10cm时，宜选用频率大于2GHz的雷达天线：路面厚度为10~25cm时，宜选用频率大于1.5GHz的雷达天线：路面厚度大于25cm时，宜选用频率大于1GHz的雷达天线.
短脉冲高频探地雷达检测路面厚度一般采用两种天线方式：空气耦合雷达天线和地面耦合雷达天线.对于同样频率的天线，空气耦合雷达天线适合于高速车载路面连续检测，覆盖广、速度快：但检测精度受车辆行驶稳定状况、道路平整程度、空气及介质的稳定条件等方面的影响，且软件分析采用连续多断面，与单点芯样的实际结果存在差异.地面耦合天线受上述外部条件的影响较少，检测精度高，可连续或单点测试，适合按照JTGF80/1附录H路面结构层厚度评定方法进行评定检测，但检测速度慢.
选择合适的高频短脉冲雷达检测沥青路面厚度，沥青面层的测试误差一般可控制在3mm内，当采用钻芯法修正后其误差能达到土1mm的要求.但是其测试效率是传统方法所无法相比的.
四、雷达检测技术的应用
雷达法主要是根据混凝土内部介质之间电磁性质的差异来工作的，差异越大，反射信号越强.设备向混凝土发射电磁波，当遇到电磁性质不同的缺陷、钢筋或其他物质时，产生反射电磁波，根据测得波形图可得知混凝土内部缺陷、钢筋或其他物质的状况及位置等.
（SFCW）技术，频率范围：0.4至3.5GHz，混凝土探测深度可达80cm：既可探测结构及 本文检测采用的是瑞士ProceqGPRLive探地雷达设备，设备采用步进频率连续波构件混凝土中钢筋的位置、保护层的厚度以及道路结构层的厚度，也能对探测深度范围内部脱空、孔洞、疏松层、裂缝等质量缺陷进行探测.
1.1某项目4cmSMA6cmAC2018cm*3层水稳碎石基层：三层水稳层间信号反应良好，波形稳定，无突变：基层质量均匀、稳定，无明显离析：层间无明显缺陷.面层与基层、基层与路基层间信号反应明显：层间粘接基本良好：沥青面层无异常反射信号，无明显离析现象：图1
1.2某项目4cmSMA8cmAC2520cm*2层水稳碎石基层：二层水稳层间信号反应基本良好，波形稳定，无突变：显示基层质量均匀、稳定，无明显离析；上基层厚度不足，
约1718cm：层间无明显缺陷.基层与路基层间信号反应较弱，层间粘接基本良好：可能存在下基层强度偏低的问题.沥青面层层间多次震荡反射信号、面层与基层层间反射信号异常，介电常数异常（沥青混凝土常规6.8~7，上层介电常数4.5~6，总厚度范围内介电常数8~10）.上面层介电常数偏低，层间含空隙较多，导致介电常数较低：上下面层层间含水，导致总介电常数偏高.显示沥青混凝土面层存在离析现象或压实度不足，导致层间空隙中含有空气或水，造成异常反射信号.实测压实度不合格.图2
图2
1.4沥青混凝土面层压实度不良的波形和伪图：波形杂乱，交叉异常介质反射，层间反射不明显：图4
图3
图4
1.5某项目检测验证：面层与基层间振荡反射，层间粘结不佳：上下基层层间反射与首波同向，上基层层底烂根或压实度不足或层间粘结不良：上基层中呈振荡反射信号，上下部存严重离析现象.芯样反映上下水稳基层施工离析，离析层厚67cm：上下基层底部成型情况不良，存在严重烂根现象.图5、6
图6
图5
1.6从图中我们可以看到出，路面结构包括面层、基层和路基.假如图中结构层某部分存在不密实、松散、脱空等特殊体，雷达波将会出现异常传播情况.雷达设备能够通过分析得到的数据来获得地质雷达图像的剖面图，然后从剖面图中分析判断结构层的缺损情况.若被检测的路面中有异常发生，被检测路面与发生异常区的界面两侧电性的差异会很大，将会出现强烈的反射波.与此同时，这个界面也是物性的特变点，时常会产生绕射波，这种波在时间剖面上是以曲线形式出现的，进而使得雷达图像出现杂乱无
章的现象，而且同相轴也会出现断断续续的状况.在这种情况下，我们就可以对出现异 常的部位和它所处的深度作出判断，然后判定对其产生危害的类型、位置及危害程度.
2、道路工程结构层厚度综合变化情况分析
某路面150米连续检测，4cmSMA8cmAC2520cm*2层水稳碎石基层：结构层施工平整度控制不良，路基顶高程高差最大4cm：下层水稳顶高程高差最大3cm：水稳顶面高程高差最大1.5cm：部分段落层间粘结不佳：图7
根据雷达探测结果，可以任意设置厚度检测的采集数据间距，确定厚度的平均值、代表值：厚度不足的段落、长度及范围.检测结果可以再现且不受数量限制.
3、结构层及管道探测
无明显离析：层间无明显缺陷.面层与基层、基层与路基层间信号反应明显：层间粘接 两层水稳层间信号反应基本良好，波形稳定，无突变：显示基层质量均匀、稳定，基本良好：沥青面层无异常反射信号，无明显离析现象：面层以下63cm处有一过路管道，信号反应良好.图8
4、钢筋位置及保护层厚度连续检测
常规电磁脉冲方法钢筋保护层厚度测试仪存在保护层厚度超过6cm后测试结果偏差较大：钢筋间距较小或箍筋间距小于15cm时，对钢筋保护层检测结果影响较大：且钢筋保护层厚度测试仪的测试结果复现性较差，不利于破损检测校准.雷达检测仪可准确测定钢筋保护层厚度及钢筋间距，对构件中的钢筋数量及纵横向位置整体的分布情况可做出明确判断，且其具有可再现性的优势，其性能及准确性远高于电磁法钢筋定位仪.
图9钢筋保护层厚度检测
5、其他检测应用实例图
当结构层某部分存在钢筋、空洞、脱空、离析等特殊体，雷达波将会出现异常传播情况.雷达设备能够通过分析得到的数据来获得地质雷达图像的剖面图，然后从剖面图中分析判断缺损情况.若被检测的路面中有异常发生，被检测结构与发生异常区的界面两侧电性的差异会很大，将会出现强烈的反射波.与此同时，这个界面也是物性的特变点，时常会产生绕射波，这种波在时间剖面上是以曲线形式出现的，进而使得雷达图像出现杂乱无章的现象，而且同相轴也会出现断断续续的状况.在这种情况下，我们就可
以对出现异常的部位和它所处的深度作出判断，然后判定对结构物产生危害的类型、位置及危害程度.
5.1桥梁面板铰缝：较缝使空心梁片连接在一起形成一个整体来承受行车荷载.铰缝纵向开裂和脱空导致横向联结刚度不足而出现单片主梁受力情况，严重影响桥梁安全性和耐久性.雷达显示：该桥接缝钢筋设置符合规范要求，未见脱空现象.图11
5.2混凝土结构物内的空洞缺陷、管线和设施的布设情况，通过雷达技术能较好的反应施工后的质量.图12
图12混凝土墙身内管箱
图11桥梁面板绞缝检测
5.3通过雷达技术，可以初步预估路面较大裂缝的发展深度.图13
图13雷达显示：裂缝深度贯穿路面底基层
图14道路路面裂缝
5.4道路工程除面层外，其余均为隐蔽工程，施工中的质量问题包括：不规范施工导致的质量缺陷（如施工搭接不规范、层间薄层贴补、水泥混凝土路面传力杆的设置等）：预埋管道的数量、埋深、位置：通过钻芯检测无法覆盖的结构层成型情况不良、层间粘结等质量缺陷：均可以通过雷达技术得到较好的应用，且更加方便划定缺陷区域，及时进行缺陷处理.图15~图22
图15结构层：基层施工搭接不规范，长1.3m
图16水泥混凝土路面基层薄层贴补
