工程雷达在土木工程质量检测中的应用

王竞男白雪冰

白雪冰北京鑫衡运科贸有限责任公司102300

摘要工程雷达技术作为新兴的无损检测设备，因其操作简便、快速、无损、准确、直观等特点而被广泛使用，为施工单位安全施工提供保障。本文阐述了其基本的应用原理和所取得的成果，并具体地介绍了其在土木工程质量检测方面的应用和技巧。

关键词工程雷达介电常数无损检测质量检测

1．序言

工程质量的检测方法一直是工程质量的重要保证。随着科技水平的不断提高，检测手段也逐年进步，从以往的局部破损检测到现在比较常用的无损检测。其中工程雷达作为现在比较先进的检测仪器，具有操作简便、快速、无损、准确、直观等特点最早在日本、挪威、英国、法国、丹麦、美国、澳大利亚、冰岛等国家被广泛采用[1～5]。

2.工程雷达原理

2.1概述

工程雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)是一种先进的无损检测新技术，它是利用宽频带高频电磁波信号探测介质结构分布的无损探测仪器[6]。它通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像，具体工作原理就是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播遇到介电差异较大的介质界面时，就会反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况，如图1所示。

2.2介质的电特性

对工程雷达来说，要探测的介质的电特性是非常重要的。介质的电特性决定了雷达是否适用。在诸多参数中，介电常数()和电导率()是最关键的两个指标。前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度。

2.2.1电导率的概念和作用

电导率可以理解为一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动的难易程度），它决定了电磁波在该介质的穿透深度。如电子在金属板内及水中离子的移动都是非常容易的，因此金属板和水的电导率都很高；岩石和干燥的土壤中，电子几乎无法移动，其电导率很低。探地雷达系统工作示意图如图1所示。

雷达电磁波在介质中的穿透深度与介质的电导率有关，其穿透深度随电导率的增加而减小（对金属物体来说，其穿透深度为0）。因此，如果我们知道了要探测介质的电导率，就可以知道电磁波在该介质中的穿透深度。电磁波的穿透深度与电导率的关系，如图2所示。另外，对土壤等介质来说，其电导率与土壤中的含水量有密切的关系见图3。

2.2.2介电常数的概念和作用

介电常数则决定了电磁波的传播速度，同时它还决定了两个不同介质的对比度(即两个介质的界面是否有反射)，另外决定了电磁波在介质中的“足印”(即电磁波在介质中的覆盖范围)。水对上述两个参数的影响是非常大的，因此用雷达进行地质勘探时，水含量会对探测结果有关键性的影响。

2.3基本参数

（1）电磁脉冲波旅行时间

（1）

式中：—勘查目标体的埋深；—发射、接收天线的距离（式中因Z>>x，故可忽略）；—电磁波在介质中的传播速度。

（2）电磁波在介质中的传播速度

（2）

式中：—电磁波在真空中的传播速度（）；—介质的相对介电常数，—介质的相对磁导率（一般）

（3）电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

（3）

式中：r—界面电磁波反射系数；—第一层介质的相对介电常数；—第二层介质的相对介电常数。

（4）探地雷达记录时间和勘查深度的关系

（4）

式中：—勘查目标体的深度；—雷达记录时间。

3.探地雷达在土木工程检测中的应用

对某土木工程的衬砌进行了质量检测，结果如图4所示

从图4中，我们可以看到在红色圆圈标识处，二次衬砌的厚度只有20cm，而设计值为40cm，经后期的钻孔验证发现，此处为一块突出的孤石。

4．结语

本文把工程雷达的工作原理作了详细的阐述，工程雷达作为一种新兴的探测技术，在土木工程检测中具有速度快、分辨率高、图像容易识别的优点，因此，它以正在以其快速、无损、准确、直观的特点取代常规的测试技术，成为重要的检测手段。

参考文献

【1】KitamuraA.Technicaldevelopmentfortheseikantunnel[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,1986,11(3/4):341–349.

【2】FariasMM,HenriqueA.DisplacementcontrolintunnelsexcavatedbytheNATM:3Dnumericalsimulations[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2004,19:283–293.

【3】RawlingsCG,SimicM.Hvalfjördur—Iceland′sfirsttunnelbuiltunderthesea[J].TunnelsandTunnelling,1996,10:16–18.

【4】JosephAH，FreshfieldsH.Controloftunnelingcontracts[J].TunnelsandTunnelling，1992,9:47–49.

【5】孙钧.海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8):1513-1521.

【6】栗毅,黄春琳,雷文太.探地雷达理论与应用[M].北京：科学出版社,2006.