混凝土路面裂缝分布GPR探测能力研究(2011).doc

混凝土路面裂缝分布GPR探测能力数值分析摘要：以混凝土路面裂缝为探测目标，通过室内模拟试验和数值模拟分析研究探地雷达(GPR)对出露裂缝宽度和延展深度、倾斜裂缝及隐伏裂缝等各种情况的探测能力。研究表明混凝土中发育的出露地表或隐伏裂缝都会造成1.5G 天线GPR探测剖面上混凝土界面同相轴断开，并伴随“八”字形异常存在；裂缝越宽，同相轴断开距离越大；裂缝延展深度并不能得到有效反映。对于倾斜裂缝，1.5G天线对倾斜角度及延展深度有很好的反映效果。雷达采样间距及裂缝含水量的变化均会对剖面产生影响。关键词：混凝土路面、裂缝、探地雷达、探测能力Numerical Analysis of GPRs Ability of Detecting Distribution of Channel Lining Concrete Road CracksAbstract: In order to detect concrete road cracks, we use both lab experiments and numerical analysis to study GPRs ability of detecting cracks of different width, extension of the depth, tilt and insidious depth. Research results showed that both exposed and insidious cracks could lead the same phase axis to disconnect and arc-shaped abnormity on the GPR images with 1.5Hz antenna. The wider the cracks were, the more space the axis disconnected; the extension of crack depth could affect the strength of abnormal signals. As to declining cracks, the 1.5Hz antenna was good at reflecting both the angle and extension depth. Both antenna moving space and crack moisture could affect GPR images.Key words: channel lining concrete; crack; GPR; detecting ability1 前 言裂缝是一种常见的混凝土结构物病害，对其进行检测是混凝土无损检测的重要内容之一。目前存在的混凝土无损检测方法有探地雷达、超声波、弹性波、电阻率、红外线等方法1-6，其中探地雷达作为一种新兴的检测技术，具有连续、快速、可视性强等优点，已经越来越广泛的应用于对混凝土结构病害的无损检测7-13，包括对混凝土裂缝的检测。国内岩土工程界自20世纪90年代引进GPR检测系统以来，就应用于对包括裂缝在内的各种混凝土病害的检测；同济大学赵永辉采用EKKO-1000型探地雷达，使用900MHz天线及0.01m的测点间距，天线距分别采用了0.2m、0.3m、0.4m进行探测，然后进行多次叠加去噪声处理，得到某渗流地下广场贯穿裂缝的清晰图像13。国外进行的实际应用更早，早在20世纪70年代就已经开始用雷达检测混凝土病害，包括对裂缝的检测。2008年，Luciana Orlando和Evert Slob利用IDS公司的GPR系统，采用2GHz高频天线和连续测量的方法检测历史建筑中的裂缝，检测出地板覆盖下的混凝土中最小宽度仅为1mm的不规则隐伏裂缝12。已经进行的研究大多是根据各种工程实例对特定实际裂缝的图像反射特征进行阐述，并没有对针对各种不同裂缝（不同宽度、延伸长度、倾角）进行具体分析，因此这些情况下的雷达剖面差异还不明确，本文根据室内试验及实际现场检测给出了典型的裂缝雷达图像，并应用正演模拟方法分析了不同条件下的裂缝反映，对GPR方法对裂缝的探测能力进行了详细的讨论。2 GPR 正演数值分析方法2.1 数值计算过程时域有限差分(Finite Difference Time Domain: FDTD)方法是求解电磁场问题的一种数值技术，由Kane SYee(1966)首次提出。该方法求解依赖于时间变量的Maxwell旋度方程组： （1）其中E、H、D、B分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁感应强度，J和J*分别是电流密度和磁流密度，*和分别是电荷密度和磁荷密度。正演计算的过程简而言之即是将旋度方程化为一组电场和磁场各分量的偏微分方程,然后将电场和磁场各分量窨交叉取样,利用二阶精度的中心差近似将这一组偏微分算符转换为差分形式,这样达到在一定空间和一段时间上对边界电磁场的数据抽样,在时域对电磁作用过程进行直接模拟15。探地雷达时域有限差分法正演模拟是以差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦旋度方程出发，将其转换为差分方程组，在一定体积和一段时间内对连续电磁场的数据取样，因此，它是对电磁场问题的最原始、最本质、最完备的数值模拟，具有广泛的适应性。本论文完成正演模拟的工具是GprMax2D软件结合Matlab语言14,15，基本原理是基于时域有限差分法和理想匹配层边界吸收条件16-19。GPRmax2D软件运行txt格式的模型文件，一个完整的模型文件共包括以下几部分内容：（1）介质物理性质描述，主要定义模型不同介质的介电常数、电导率、磁导率等参数，用命令#medium实现；（2）模型几何框架构建及网格划分，定义模型的整体尺寸及网格大小以及扫描时窗大小，命令包括#domain、#dx_dy、#time_window；（3）模型内部几何体描述，定义模型内部各介质的几何形状及尺寸,命令包括#box、#cylinder、#triangle等；（4）GPR扫描及输出的相关命令，包括天线起始位置、天线距、移动步长、天线频率、以及运行结果输出文件名称定义，依靠命令#scan实现。2.2 数值分析结果验证2009年，对某混凝土构筑物进行检测，混凝土厚度12mm，裂缝宽约5mm，延伸至表面。检测采用课题组研制的GR2008衬砌专用探地雷达及屏蔽天线，天线中心频率为1.5GHz，采样间距为1cm。图1 试验段 混凝土裂缝GPR实测剖面Fig.1 Actual GPR image of channel lining concrete crack图2 室内混凝土试块裂缝GPR实测剖面Fig.2 Actual GPR image of concrete crack in lab图1为8mm宽裂缝检测GPR图像，测线和裂缝相交，并垂直裂缝走向布设。 GPR探测剖面上对应裂缝发育位置的混凝土底部出现了同相轴断开，并伴随明显的“八”字形绕射弧出现。图2为室内试验检测剖面，结果呈现相同的异常特征且剖面异常同样明显，由于裂缝加宽，剖面上同相轴断开距离加大。为了验证正演模拟的实用性，针对现场检测实例建模进行运算，建立的模型及正演剖面如图3：图3 参照实例建立的模型及正演剖面Fig.3 Forward stimulation refer to reality图中各层厚度、物性参数及裂缝宽度均参照实际构筑物，正演结果很接近实际剖面，各反射面走时接近，异常特征相似，表现为裂缝处混凝土顶部直达波走时改变，底部同向轴断开，出现“八”字形绕射。对比结果说明正演模拟方法有足够高的准确性，可以用于针对裂缝异常探测能力的数值分析。3 裂缝分布GPR探测能力数值分析（1）对裂缝宽度的探测能力分析图4 不同宽度裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.4 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks with different width图4为不同宽度的混凝土裂缝1.5G天线正演模拟图像，3条裂缝的对应宽度分别为1mm、2mm、5mm。图像显示，垂向裂缝会在雷达剖面上形成绕射弧线，且裂缝宽度越大，形成的绕射弧信号越强；当裂缝宽度不小于2mm时，可以看出自裂缝顶部处形成的“八”字形绕射曲线，同时可以清楚地看到保温板层和土层中的更加明显的绕射弧线；而当裂缝小于2mm时，裂缝顶部形成的绕射曲线已经不存在，只有混凝土层下部还有微弱异常，裂缝已经很难辨别。（2）对裂缝延展深度的探测能力分析图5 不同延展深度裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.5 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks with different extension depth图5为不同延展深度混凝土裂缝1.5G天线探测正演雷达图像，3条裂缝宽均为2cm，延伸深度分别为2 cm、4cm、6cm。正演剖面显示，裂缝的存在会引起同相轴的断开，与室内试验及实测结果一致。延展深度不同，并不会引起图像特征的几何形状变化，但对信号的强弱有影响，随着裂缝延展深度增大，剖面上的弧形绕射曲线更加明显，异常反射信号增强。（3）对倾斜裂缝探测能力分析图6 不同倾斜角度裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.6 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks with different tilt图6为不同倾斜角度裂缝1.5G天线正演图像，3条裂缝宽均为5mm，与水平方向夹角分别为60、45、 30。图像上裂缝走向越接近水平方向，形成的异常反射越明显；裂缝异常的走向与模型有很好的一致性，表现为裂缝异常角度变化与模型一致；当倾斜角度增大时，裂缝下方会生成明显的绕射直线，直线走向与裂缝相同。（4）对隐伏裂缝探测能力分析图7 隐伏裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.7 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks with different insidious depth图7为隐伏裂缝1.5G天线正演图像，模型建立的3条裂缝宽度均为5mm，其中第1条裂缝延伸到混凝土表面，第2、3条为长度不同的隐伏裂缝。图像显示，隐伏裂缝与延伸到表面的裂缝有同样的异常反射形状，同时从裂缝顶部开始形成的“八”字形绕射曲线会随裂缝顶部位置的下移而走时增大，两者位置完全对应。（5）采样间距对图像异常特征的影响图8 不同采样间距模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.8 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks with different moving space雷达检测的采样间距（天线步长）会对剖面分辨率造成影响，如图8。两模型除采样间距外其它参数均相同，左图的采样间距为1cm，右图采样间距为5mm，形成的剖面会产生差异，与1cm采样间距剖面相比，5mm间距剖面裂缝绕射曲线延伸长度加大，同向轴及反射异常特征更加清晰，剖面分辨率提高。（6）裂缝充填水对图像异常特征的影响 图9 裂缝充水模型及1.5G天线探测正演雷达图像Fig.9 1.5GHz antenna forward stimulation of cracks filled with water实际检测时混凝土可能受天气或水位影响而湿度大，裂缝内会出现充填水，图9为针对该情况进行的正演模拟。其中两裂缝宽度均为5mm，对比显示裂隙水的存在会使GPR剖面异常信号加强，混凝土顶部同相轴出现断开，下部形成明显的反射异常，这是由于水和混凝土之间极大的介电性质导致的。4 研究结论（1）1.5G天线对 薄壁混凝土裂缝具有一定的检测能力，裂缝会导致GPR剖面异常，主要表现为绕射曲线，曲线从裂缝顶部开始生成，形状为“八”字形。（2）裂缝的延展深度、宽度、倾斜角度及隐伏情况会产生不同的异常。对于垂向裂缝，裂缝宽度越大，同相轴断开距离越大，在正演模拟条件下，1.5G天线可以分辨垂向裂缝的最小宽度为2mm；延展深度越大，裂缝异常越明显，但裂缝的延伸深度不能得到有效反应；隐伏裂缝的剖面异常差异在于绕射曲线顶部的走时不同。倾斜的裂缝会在雷达剖面上形成对应裂缝位置的异常，随着倾角增大，倾斜裂缝会产生绕射直线，而且雷达对于倾斜裂缝的走向有很好的反应能力。（3）采样间距对于剖面会有影响，随采样间距减小，剖面分辨率增大，异常特征更加明显；裂隙水的存在会加强异常信号。参考文献（References）：1Kraig Warnemuende, Hwai-Chung Wu. Actively modulated acoustic nondestructive evaluation of concreteJ. Cement and Concrete Research, 2004, 34(3): 563-570.2J.F. Lataste, C. Sirieix, D. Breysse, M. Frappa. Electrical resistivity measurement applied to cracking assessment on reinforced concrete structures in civil engineeringJ. NDT&E International, 2003, 36(1): 383-394.3Young-Fo Changa, Chung-Yue Wangb, Chao-Hui Hsieh. Feasibility of detecting embedded cracks in concrete structures by reflection seismologyJ. NDT&E International, 2001, 34(2): 39-48.4Agnieszka Litorowicz. Identification and quantification of cracks in concrete by optical fluorescent microscopyJ. Cement and Concrete Research, 2006, 36(2): 1508-1515.5Abid Ali Shah, Yuri Ribakov. Non-destructive measurements of crack assessment and defect detection in concrete structuresJ. Materials and Design, 2008, 29(5): 61-69.6D.G. Aggelis, T. Shiotani. Repair evaluation of concrete cracks using surface and through-transmission wave measurementsJ. Cement & Concrete Composites, 2007, 29(1):700-711.7Bungey J H. Sub-surface radar testing of concrete: a review J . Construction and Building Materials, 2004, 18 (1): 18.8Rhim H C. Condition monitoring of deteriorating concrete dams using radarJ. Cement and Concrete Research, 2001, 31 (3):363373.9Laurens S, Balayssac J P, Rhazi J, et al. Influence of concrete relative humidity on the amplitude of ground-penetrating radar (GPR) signal J. Materials and Structures, 2002, 35(4): 198 203.10Laurens S, Balayssac J P, Rhazi J, et al. Non-destructive evaluation of concrete moisture by GPR: experimental study and direct modelingJ. Materials and Structures, 2005, 38(2): 827832.11Tetsuma Toshioka, Tsuneo Tsushida, Katsuo Sasahara. Application of GPR to detecting and mapping cracks in rock slopes