预应力管道灌浆密实度探地雷达模型试验及正演模拟

实用技术
PRACTICAL TECHNOLOGY
2021年第2期(总第376期)
Number 2 in 2021(Total No.376)
混 凝 土
Concrete
doi ：10.3969/j.issn.1002-3550.2021.02.032
预应力管道灌浆密实度探地雷达模型试验及正演模拟
舒志乐1,王 杰1，吴 瑞2，赵 柳1,张华杰1
(1.西华大学土木建筑与环境学院，四川成都610039; 2•成都铁 局成都 务段，四川成都610000 )
摘 要：预应力桥梁管道的灌浆质量直接影响桥梁的使用年限，为了将探地雷达探测应用到预应力管道灌浆质量检测的实际
工程中，首先制作含有不 的预应力管道物 ，用探地雷达对 进行探测。

对 探测得到的数 进行处 析，并分别对不 的预应力管道进行正演 析。

结果表明:探地雷达对塑料管道内部探测效果好于金属管道，但
对 的
反射信号剖面图上均显示为弧。

二维雷达剖面图像能准确反映出管道的 置和塑料管道灌浆质量,三维图更加立 直观；正
演
结果和物
探地雷达探测结果进行对 析,表明了 结果的正确性，充 了探地雷达对预应力管道灌浆质
量探测的可行性/对桥梁的质量检测 ；
关键词：预应力管道；探地雷达；
浆质量；正演模拟
中图分类号：TU528.01 文献标志码：A
文章编号：1002-3550(2021 )02-01360-05
Model test and forward simulation of grouting compactness of prestressed pipeline ground penetrating radar
SHUZhie , WANG je , WURuf /ZHAO Liu^ZHANG Huajie 1
(1.School of Civil Engineering and Architecture , Xihua University , Chengdu 610039, China ；
2.Chengdu Railway Bureau , Chengdu Work Section , Chengdu 610000, China )
Abstract ： The grouting quality of prestressed bridge pipeline directly affects the service life of bridge.In order to apply ground
penetrating radar (GPR ) detection to the actual project of prestressed pipeline grouting quality detection , the physical model of prestressed
pipeline with different working conditions is made , and the model is detected by ground penetrating radar (GPR ).The detected data are
processed and analyzed , and the forward simulation analysis of p restressed pipes under different working conditions is carried out.The results show that the detection effect of G PR on the interior of p lastic pipe is better than that of m etal pipe , but both of t hem show arc on the reflected
signal profile of e lectromagnetic wave.The two-dimensional radar profile image can accurately reflect the position of t he pipeline.
*e, words ： prestressed pipeline ； ground-penetrating radar ； grouting quality ； forward modeling
0引言
随着国家对基础建设的越发重视,越来越多的预应力 桥梁涌现而出。

但随之而来的出现了很多桥梁质量问题，
如预应力管道产生裂缝叭压浆料的不密实玖以及预应力
钢绞线锈蚀!3#等一系列的缺陷问题，因此探地雷达被应用 于预应力桥梁的质量检测中。

化得钧等通过对预应力管 道注浆缺陷进行二维正演而总结出缺陷的雷达图像特征，
冋等对通过二维正演总结出 不 缺陷、不 的探地雷达图像特征， 结冋等探地雷达检
测应用于桥梁预应力管道的 中，效果明显。

由于预应力管道注浆质量不佳的危 性 ，以 于管道的检 测
了桥梁
的 注叫
探地雷达 检测
发
电磁波来探测
质 的一探测 &叫探地雷达 预应力管道 浆质量检测
之一，
但 实 ; 探测结果
结果进行对 ， ， 实 中的预应力管道探测 的图像 ;
1 物理模型设计与制作
1.1预应力管道模型
由于
对桥梁中预应力管道的探测 ，
JTG 3362—2018 钢
预应力
桥涵设
中的对桥梁预应力管道的 ，
化一钢 ，！宽！
1.5 m x 0.8 m x
0.25 m ,
C30，砂石采用标准的砂石,水泥级
别为32.5R ,
每立米的配合 砂:石:水泥:水=
1.98：3.67：1：0.49。

根据JTG/T F5—2011《公路桥涵施工技术
规范》要求，钢 间距不应大于250 mm ,因此钢
内 度 设置间距250 mm 钢筋，度
设置间距
160 mm 钢筋,钢筋直径均为12 mm 。

收稿日期：2019-11-09
基金项目：国家自然科学基金项目“浅埋软弱围岩隧道掌子面GFRP 筋锚杆预加固技术研究”（51608450）
-136 -
预应力管道布置如图1所示，在实际的桥梁工程中，预应力管道有金属波纹管和塑料波纹管两种,因此试验用PVC塑料管和铁制金属管分别代替。

D1〜D4均为塑料管道,除D4管道直径为160mm外，其余管道直径均为110mm, D2a与D2b管道中心沿模型长度方向错开55mm,D5、D6为金属管道,直径为80mm。

所有管道中心距离混凝土表面
Dl D2a D3D4D5D6
图1预应力管道布置图(单位:mm)
模型浇筑成型，如图2。

洒水养护之后对管道进行不同灌浆质量的处理,分别为D1管道不灌浆,D2,D4管道半灌浆,D3管道灌浆饱满,D5金属管道半灌浆,D6金属管道不 灌浆。

所有管道分置直径8mm预应力。

图2试验模型及内部结构图
1.2模型测线布置
为了有对模型进行回,在模型表面分别布置
方向的,距为25mm,达仪器本身占据的度，因此为距离模型150mm处，!方向23,"方向51,Z为度方向，如图3所示。

图3测线布置示意图
之后进行达试验,试验备采用Sir3000型达，用1600MHz ,方式为剖面。

达用参数如表1所示。

表1探地雷达选用参数表
中心
频率/MHz
用
模式
用率
窗介扫描率扫描/单
距离/(scins/m)
/ns常数/s
1600Distance51279120250
2模型试验探测结果分析
2.1二维图像分析
在本模型试验探测后，图，图4!方向的道所的图,为
达仪器水距离，为达模型度。

图4中A为与混凝土的分，置,Z@=11cm。

图中示和管道的波均为，为度。

为波波图，为预应力管道波图，图的预应力管道模型的,在浇筑混凝土的
管道有成的其中D1和D6管道在中示不，为管道距离模型成。

图4X5测线的原始图像
图5是！方向上的道所的图像用RADAN7距离、、处理之后的图。

图中D3管道面的反为，因在D3管道灌浆饱满，波量
多衰减，而其他管道灌浆不足，管道内部含有大量
，因此无管道内的D4管道管径大于其他管道，因此部置高其他管道，符合O
图5X5测线处理后图像
图6为！方向18道测线的图像，与图5进行对比表明, D2a管道与D2b管道有的距离差，图示约为50mm，
-137
-
D ----电 C/m 2；J —电
Am 2；
P —电
C/m 3；%---时间：
由于探 探测
在
差所以需要
对 模中
进行 件的处.GprMax
软件可 设 全
为 件 软件 设模
、 的电 Maxwell
组。

的电 与 有如
图6 X18测线图像
这与设计相差5 mm ,考虑为浇筑模型时对管道固定不牢造 成的。

由于D2b 管道与D3管道净距较小，虽然图6中D3 管道特征仍可辨识,但由两图对比可明确看出,D2b 管道对 D3管道探测效果的影响大于D2a 管道。

2.2三维图像分析
利用RADAN7软件将所有探测得到的图像进行组 装,得到三维图像，如图7为2=20.68 cm 的三维切片图。

图7 z =20.68cm 的三维切片图
该图能明确反映出电磁波在管道处的反射情况,D1、 D6管道由于检测不全,显示不，D3管道由于
,
有管道 有 反射 ，D2、D4、D5管道由于
均为 态，因此电磁波反射 极强，且D2管道可看出中间有明显的，与设计相。

3探地雷达正演模拟
3.1 正演模拟的理论基础
用GprMax 软件对所 的
模型进行正演
模 该软件 于时有差
Finite Difference
Time Domain Method ）的数值模拟软件问。

1966年KS.Yee 问
在 中出了时有差 Yee 在 中将电 磁场空间
由Maxwell 组 出了有差的
o Maxwell
如下网：
"B
VxE=------"%
1
"D 丁
VxH =----(J
"%2V*B=03
D =P
4
式中:E 一一电强 V/m ；
B
—磁 强 T ；
H —一磁强 A/m ；
J ="E （5）D =s E （6）
B =$H
（7）
式中:％——介电 F/m ；
"----电导率,S/m ;&----磁导率,H/m o
3.2不同管道灌浆密实度模拟
在 工中，施工 的差往往会导致管道
浆不
模
考虑该种情况。

模型如图8所示:模
型长!宽！高为1.5 m x 0.5 m x 0.4 m,设置4根PVC 管道,
管道壁厚2 mm,外径120 mm o 4根管道埋深 为0.125 m, 管道水平间距0.2 m 。

管道上布一排 直径8 mm 的间距0.2 m,管道 放 直径为40 mm 的预
应力 。

天线选用1 600 MHz 中心频 时窗设置7 ns 。

设 工况 别为D1管道 D2管道
但浆
与管道内壁脱2 mm,D3管道
D4管道无 。

距离/m
图8不同灌浆密实度模型图
图9为模拟结果的扫描剖面图，图像中能清楚地显示 出上排 不
管道的回波 D1管道
由于 在PVC 管道顶 有轻微反射 但下
方预 力 反射信号极强D2管道由于 在脱 对电 磁波的反射明显强于D1管道 预应力 反射 也
较为明显D3、D4管道由于 无 态,即
在明显空洞，因此电磁波反射 明显,且管道 发生多 反射 象，但 预力 无 辨识。

与模型探测
结果对比表明：两者所得到的结果较为吻合，电磁波回波 显示为上凸弧 不工况显示差明显，探 - 能用于塑料波纹管 的实际检测中。

3.3 不同管道间距模拟
预力桥梁探测工程中会存在各种间距的管道,
该模型设计了不同管道间距。

如图10,模型 与3.2节相同D1到D4四根PVC 管道水平中心间距别为150、200、300 mm 。

管道工况 为 态。

-138
-
2 4 6
J Dl f D2 f
八上排钢筋
O O
. D3 D4
DI ' D2
预应力预应力 钢筋_钢筋，
-
0.4
8 _______I _____I ____I ____I ____I ____I ____________I ____I __I _________I ____I 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
距离/m
图9不同灌浆密实度剖面图
.2
日、悝能
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
距离/m 图10不同管道间距模型图DI D2 D3 D4
由图11看出，钢筋信号显示明显，间距与设计相符。

DI ,D2管道的电磁波反射信号尾部有明显交叉，但主要部 分清晰可见,两者间距约为150 mm o D2,D3之间反射信号影响较少，间距约为200 mm 。

由于管道之间的相互影响,
D1、D2、D3管道之间的下部区域出现了明显的多次反射 现象。

D3,D4之间几乎没有影响，间距约为300 mm ,但由 于D4管道正上方有钢筋存在,因此管道顶部图像有轻微缺
失，由图像反映的管道间距与模型设计基本相符合。

与模型 探测结果共同表明:管道之间对电磁波回波信号有明显影
响，管道净距越，影响越。

管道净距 于30 mm 管
道主体部分清晰可见，当管道净距大于180 mm 时，两者几乎没有影响。

o
2 4 6
8 I i i i i i i i i ____ i
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
距离/m
图11不同管道间距剖面图
3.4不同管道材质模拟
在
管道，分为
波纹管
波亀
因此该模拟是为了探究两种材质管道对电磁波的反射况。

图12模型 与3.2相同，
分设2 !
PVC 管道和2根铁质金属管道,4根管道外径120
管
道间距300 mm o PVC 管道
2 mm ,根
JG 225—2007 波管 的 要
求，设 管道 0.3 mm °Dl 、D2管道为PVC 管道、 D3、D4管道为 管道,D1、D3设置为 ，D2、D4
为
o
由图13易看出，由于PVC 管道D1灌浆饱满,因此管
道 有轻微反射信号，部 钢筋
o
PVC
0-4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
距离/m
cn E
詈
图12不同管道材质模型图
8 I I I I I I I I I I I I I I 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 13 1.4 1.5
距离/m
图13不同管道材质扫描剖面图
管道 D2 ，在管道 有较 的反射信号， 有
二次反射现象，但 钢筋由于未灌浆部分对电磁波传递的 。

D3、D4管道由于是
管道，图中
可明显 ，在管道 有 的反射信号，反射信号于
管道。

但由于电磁波
，部况，两 管道图像上反映的 果基本没有差别。

与模型探测结果共同表明:探
探测 管部
况，但可 于 管道 o
4结论
1 探 对 管道
模型 测可
: 图有 反映管道钢筋的信号 ，明确分 况， 图 较为 反映出 质
况管道材质。

（2 GprMax 对同工况的 管道
正 模拟，结果表明： 质量越，电磁波反射信号越明
显。

管道之间对电磁波回波信号有明显影响，管道净距越, 影响越。

电磁波有
管道，探 部，
反映出管道的 质，对 管道部 探测。

3 正 模拟结果 模型探测结果 分 对
比表明:管道钢筋在 的
图上显示为上凸的 ，由反射信号 的 、 况 与设计相符，
表明了模拟程序的正确性，为 程探测 的图像提
供了解释依o
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3.4刚度退化
剪力墙刚度退化对比曲线如图9所示,相比实心剪力墙结构，中空剪力墙的刚度略小。

剪力墙的初始刚度基本呈现一致，剪力墙刚度随着水平位移的增加而减小，且下降速率近乎一致，下降程度大，说明墙体在开裂后刚度退化明显,墙体开裂后进入到塑性阶段。

不同孔洞宽度的中空剪力墙刚度退化曲线几乎重合，说明孔洞宽度对剪力墙的刚度影响不大。

综上，通过对装配式中空剪力墙进行低周往复荷载下的模，对比实心剪力墙的模结，，中空剪力墙的性比"关系不大。

但比!越大,墙体的承载力刚度越小。

所，装配式中空剪力墙结构建议用于级低低上剪力作用较小的建筑结构中，的抗震性<
4结论
本用模拟的，对装配式中空、实心剪力墙结构模进行低周往复荷载模拟分析，将中空剪力墙实心剪力墙的模结进行对比，下结
(1)本用的本构-塑性模
本构-线模剪力墙的曲线曲线的模<
(2)通过中空剪力墙与实心剪力墙的模结
，孔洞对剪力墙的性影响不大，装配式中空剪力墙结构在地震反复荷载下具有良好的性能。

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第一作者：舒志乐(1976-),男，教授，博士，主要混凝土结构无损检测
联系地址：(川省成都市卑0都区西华大学(610039)
联系电话：152****5698
(3)装配式中空剪力墙用于抗震等级较低的区域或剪力用小的建筑中。

本的不在于入不同比、配率中空剪力墙性的影响，于进一中空剪力墙的抗震性能。

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第一作者：申彦利(1977-),男,副教授,博士后，主要从事结构工程方面的研究。

联系地址：河北省邯郸经济技术开发区太极路19号河北工程大学程学院056000)
联系电话：158****6806
通讯作者：胡敬华(1991-),女,研究生，主要从事结构抗震与设计方面的研究。

联系电话：132****9851
-
140-。