物探方法 第5期

【摘要】以某临海工程地下室地坪检测为例，分析了地坪、地坪内钢筋网、回填土、以及排水管线的雷达图像特征，探讨了地质雷达技术在钢筋混凝土地坪检测中的应用效果。

【关键词】物探；地质雷达；检测；地坪；脱空；回填土；效果

物探是地质术语，它的全称为“地球物理勘察技术”。它是指利用物理原理采用某种一起寻找隐伏的矿产资源及地质体的一种方法。随着科学技术的不断提高，地球物理勘察技术从单纯的为找矿服务扩大到为多行业多领域服务的一种高新技术。物探方法在大坝隐患检测、桩基检测、及城市地下管网探测等领域得到了极为广泛的应用。而上世纪九十年代引进的地质雷达技术由于其快速、无损、精度高的特点，在非找矿领域更是得到了广泛应用。但地质雷达在建筑工程中的应用则较少。

在实际工作中一些工业厂房的地坪，尤其是钢筋混凝土地坪，由于上部要承受较大的负载而产生局部开裂的现象 ，开裂原因往往是由于基础不均匀沉降造成地坪下局部脱空引起的。

对于钢筋混凝土地坪，设计人员往往根据负载的大小确定地坪的制作方案及回填土的压时系数。实际工作中作为监理工程师应对土方回填进行严格的质量控制，必要时还要进行取样检测压实系数是否符合设计要求，对钢筋网片及混凝土进行检查验收等事前控制、事中控制等措施。但作为监理工程师及质量监督站对于成品以后的地坪下部是否还存在由于地基下沉而引起的脱空，或钢筋混凝土面层的厚度均匀性是否符合要求，就显得无能为力了。

目前采用的方法是对可疑地段进行钻孔验证，但这种方法对钢筋混凝土面层造成了破坏，影响了地面的整体受力状态，同时其检测的只是一个点，代表性较差缺乏说服力。不像地质雷达是一种连续测量，可以检测点、线甚至面，检测结果更具代表性和说服力，并且做到了无损检测。

近期我们在某临海工程地下室地坪检测中取得了较好的效果。

图1地质雷达探测原理图

1. 测区概况

该工程是在填海造地的基础上建设起来的。地下室地面低于海平面约1.4m，地下室地坪为混凝土、厚度0.7m，地坪下的介质依次为回填土、海床（局部可能有淤泥）。回填土之中埋设有地下管道（埋深约2m以浅）、并通过地下室地坪用钢筋悬挂之。

由于地下室地面发生了经过管线检修孔溢出海水的现象，推测是不均匀沉降引起地下管道变形、破裂所致。因此，探测的目的就是要对地坪下管道是否存在破裂和变形、回填土是否存在局部沉降和脱空作出科学的推断，为从根本上治理隐患提供科学依据。

2. 检测技术

2.1地质雷达测量的基本原理[1]。

（1）地质雷达（又称探地雷达，Ground Penetrating Radaar，简称GPR）方法，是利用高频电磁波（1～1000MHz），以脉冲形式通过发射天线被定向地送入地下。雷达波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地下介质或目标时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线所接收。在对接收天线所接收到的雷达波进行分析和处理的基础上，根据所接收到的雷达波波形、强度、电性及几何形态特征，推断地下地层（或目标体）。

（2）图1为地质雷达方法探测原理图

发射天线（T）和接收天线（R）紧靠地面，

由发射机发射的短脉冲电磁波发射天

线辐射传入地下，电磁波在地下介质

中传播时的速度、路径，主要受介质

的相对介电常数和电导率的影响。两

种介质的交界部位介电常数的变化，

电磁波发生类似光学的反射和折射，

反射的强弱与介电常数直接有关。雷达波从发射天线发射到被接收，其行程时间：

式中：z为反射接口深度，x为发射天线到接收天线间的距离，v为电磁波在介质中传播的波速，c为光速（c=0.3m/ns，），εr为介质的相对介电常数，当波速v已知时，通过读取雷达剖面上行程时间来计算接口深度z 值。

（3）在实际的外业施工过程中，因为地下介质变化较为复杂，通常采用验证或者根据已知设计图纸等办法来确定不同地段、不同深度地下介质的电磁波速度。对比统计行程时间与探测对象埋深相关系数，求得平均速度，再根据速度来推断探测对象的埋深。

（4）在仪器性能和地下介质一定的情况下，探测深度取决于工作频率选择及地层的衰减系数。

（5）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。

2.2技术参数选择与测网布置。

（1）检测设备与参数选择。

本次检测使用美国SIR-2型地质雷达系统，脉冲发射数32个/秒，样点数512个/扫描线，50根扫描线/秒。采用中心频率为100MHz、500MHz的屏蔽天线，测量方式为连续的剖面测量。使用500MHz屏蔽天线时所选用的记录长度为50ns；使用100MHz屏蔽天线时所选用的记录长度为100ns。技术参数的选择均由现场试验确定。

（2） 测网布置。

3. 异常特征分析与成果解释[2]

3.1异常概述。

3.1.1本次探测范围浅层介质为钢筋混凝土底板，表面有单纯的混凝土面、也有的地方铺了地砖、还有的地方铺上了地毯，不同的地方所表现的地质雷达图像有所不同。混凝土板中的钢筋反映类似火苗的图像特征，桩体的反映为“并行线”，在回填土层中图像较多地反映了混凝土板的雷达多次反射信号；而大厅内的雷达图像反映的是铺设的供电线特征覆盖于正常图像之上。复杂的场地条件，给数据分析、解释带来了不便。

3.1.2检测到的相关异常主要有：（1）钢筋混凝土底板（内部有钢筋网反映）；（2）局部紧挨钢筋混凝土底板底部最大约15cm的脱空。（3）地下排水管，（4）在地下约1.5m以浅左右的上下介质密实度差异分界线）；（5）在地下约3.3m左右的海床层位线；（6）立于地面（探测面）的立柱桩。

图2经过已知溢水位置南北向断面（E线20m～45m）

图3已知隐患点外其它区域地质雷达图像分析

3.1.3因为受施工条件的限制，外业不能对有关异常现场验证，只能根据设计的地下介质结构，估算平均速度，面层为钢筋混凝土地板，按14cm/ns计算；较深部为含水量较高的回填土，按6cm/ns计；中间层速度介于两者之间，由浅到深速度递减。

3.2溢水隐患点及其附近区域地质雷达图像分析。

（1）从获取的地质雷达图像资料来看，各不同介质、目的体的异常特征皆较为明显，现以南北方向的E线的20～45段（如图2）和东西方向的30线的C-L段（如图3）来分析说明之。

（2）E线的20～45段自上而下分为三层，即地坪（混凝土板）层、回填土（上）、回填土（下）。在混凝土板层内有一条火苗状的图像为钢筋网的异常反应，在25～40区间的混凝土板层底可以看出有“弧形底”异常，推断为回填土局部不均匀沉降，脱空约15cm，脱空区无明显积水的图像特征；管道在地质雷达图像上的特征与管道的设计位置较为吻合。从彩色图像上看，管道的上方、右上方的图像明显区别于其它地方，推断该区域存在回填土相对于周围介质密实度较低；在管道的底部的地质雷达图像相对模糊，波形图上表现为高频波，为高含水的图像特征，推断该区含淤。

（3）东西方向的30线的C-L段上的E位置与E在线的30位置相交，对比分析可以看出，存在共同之处，那就是管道上方的回填土相对于周围介质密实度较低，但左右方向的宽度较E线要小，同时也可以看出沿测线方向较低密实度介质有一定的连续性，且有左（西）高右（东）底的倾向，这种倾向的坡度很小。右侧K位置的管道在图上也有较为清晰的反映。

图4推断脱空异常时的地质雷达图象

3.3已知隐患点外其它区域地质雷达图像分析。

B线205～225为推断的脱空区间（图4），图4的两侧为较为明显的桩异常，约214处的桩反映的信号较弱，回填土层的地质雷达图像表现出较好的连续性，但205～225区间最深12ns（推断深度为75cm）存在一“弧形底”异常，推断该区存在5～15cm的脱空。

4. 推断成果与结论

（1）根据上述的分析推断在探测范围内圈出脱空异常4处。推断脱空区沉降5～15cm，脱空区内的介质为淤泥质土。

（2）推断探测区填土层存在自然下沉现象。

（3）已知溢水隐患是由于自重的原因、产生自然下沉现象、使埋设于其间的地下管道产生一定的形变、管道形变渗水、长期渗水使得管道应力加剧变化、最终导致了管道在瞬间开裂溢水。

（4）根据地质雷达探测资料推断，探测区自上而下依次分为钢筋混凝土层、回填土（上）、回填土（下）、海床。

（5）地板下较浅层即回填土上层的密实度较低。

（6）综合分析本次探测成果，地质雷达在该场地探测效果较好。使用两种不同频率的天线和参数探测，对地坪内、地坪下不同深度、不同介质的反应，表现出良好的一致性。根据不同的探测对象，只要天线频率、参数选择合适对混凝土地坪质量及地坪以下的介质进行检（监）测是一种行之有效的手段。

参考文献

[1]李大心 地质雷达方法与应用》[M]地质出版社 1994， 27.

[2]张宇 地质雷达在地下洞穴探测中的应用[J]《地质装备》2001，（4），16.