基于集成冲击回波与地面穿透雷达的自动化检测系统评估钢筋混凝土挡土墙损伤

《Developments in the Built Environment》：Damage assessment of reinforced concrete retaining walls using an automated inspection system integrating impact-echo and ground-penetrating radar

　　

本研究介绍了一种自动化扫描平台的工程开发与现场验证，该平台集成了成熟的冲击回波（IE）与地面穿透雷达（GPR）方法，用于车辆可通达钢筋混凝土挡土墙的状态评估。平台针对垂直面检测的独特挑战设计，并通过迭代原型加以精炼。协调的后处理工作流生成了脱层、能量衰减、表面刚度及腐蚀指示图。系统在钢筋混凝土挡土墙上部署，可对选定1米高墙区进行连续纵向扫描，并输出空间配准的多模态检测成果。研究人员考察了三类劣化区域：仅腐蚀、仅脱层、以及腐蚀伴脱层。结果经超声层析成像与钢筋取芯验证，支持该系统在测试挡墙区域内定位并区分所选劣化状态的能力。该平台因而证明了垂直基础设施结构健康监测的可行性，提供可靠的多传感器评估以支持针对性维护与修复。

研究背景方面，钢筋混凝土（RC）虽广泛应用，但易受裂缝、脱层及钢筋腐蚀等损伤，常规检测在垂直结构（如挡土墙、隧道、剪力墙）上面临效率低、覆盖有限、内部缺陷难探等问题；已有水平面多传感器自动化系统（如GPR+IE或UPV）成熟，但垂直面系统多依赖人工单点、单模态或局部测量。为此，研究人员将既有水平ACE系统经两次机械迭代（Design Iteration I与II）重构为车载式垂直扫描平台，集成多通道IE、GPR、相机、编码器与GPS，解决墙面倾斜、地面高差、碎屑植被遮挡等现场挑战，实现位置参考下的连续纵向扫描与多源空间配准。

关键技术方法上，平台以车载框架承载：IE子系统含11个非接触MEMS传感器（间距10 cm，覆盖1 m垂直高度）与4个电动冲击器（12 mm钢球，落距5 cm），GPR子系统含4个1600 MHz天线（间距30 cm，提离5 cm）；定位由轮式编码器（0.83 mm/计数）与GNSS（水平精度0.75 m）提供，扫描速度10–15 km/h。后处理在MATLAB中进行：IE端对500 kS/s信号作0.5–20 kHz带通滤波，取首达后2 ms窗作FFT，于1–5 kHz算弯曲振动能量强度（EI）绘脱层图，用相邻传感器波能差算能量衰减（EL），由首波到时差算表面波速推刚度图；GPR端以直接耦合波归一化A-scan，提钢筋反射峰值与双程走时（TWTT），按v=2d/t（d=85 mm取芯实测）换算深度，作深度校正后以区域独立MAD准则（TH=median-3×1.4826MAD）标出异常衰减区作腐蚀指示。现场在三类劣化挡墙段扫描，并以超声层析（MIRA）与限量取芯（φ10×15 cm，避穿钢筋层）验证。

研究结果部分，按原文小节浓缩如下。

实验程序概述中，研究人员给出ACE系统由水平桥面版改型而来，DSBI机制配MAS多通道声扫与GPR，加相机、编码器、GPS；垂直版扫1.5 m高墙取1 m带，IE用近MEMS3/6/9设冲击点（IP），GPR四天线跨扫高，二代架加入旋转关节、斜撑、滑杆与轮组，解决一代对齐差、信号幅晃、远天线失反射问题（图6c–f显示二代幅值稳、四天线均捕钢筋）。

挡墙扫描挑战与设计修改中，墙面倾斜致stand-off不均，一代刚性臂需人工调；二代旋关节自适应角。地面高差致平台倾摆，一代臂下垂，二代加斜撑。基部碎屑植被限制贴近，一代滑杆不对称（GPR臂2、IE臂1）致扭弯，二代三臂各2滑杆。现场图6a/b对照证明二代接触稳、IE幅一致、GPR反射清。

后处理工作流中，IE算法：脱层用弯曲模频f_FM=k_DF²π/(2h²)√(D/(ρh))，EI_n(f)=∑Ψ_n(f_i)，1–5 kHz积分，严重度因子=测点EI/完好混凝土EI（5/7.8/9对应好/中/重，取自Kang等标定）；能量衰减E_n(T)=∫w_n²dT，EL_n1-n2=(E_n1-E_n2)/E_n1×100；表面波速V_s=Δd/Δt。GPR算法：α=ω√(μ₀ε/2)√((√(1+(σ/(ωε))²)-1))≈(σ+ε″ω)/2+√(μ₀/(ε′ω))，以90百分位线性回归消除深度效应，残差低于TH判异常。

结果讨论中，仅腐蚀区（扫23.6×1 m）：脱层峰严重度11.7、超5区占10.7%，衰减与刚度图近匀，GPR腐蚀图局部低幅；取芯点选GPR异而IE无异处，超声层析见筋深~90 mm处散射，取芯钢筋截损18%、重氧化无脱层，证腐蚀单独存在。仅脱层区（18.0×1 m）：脱层峰严重度24.0、超5区15.6%，衰减与刚度同区间降，GPR局部低幅但验证点选IE强GPR无；层析见筋背间乱波场，取芯见明显脱粘界面无锈，证脱层单独。腐蚀+脱层区（10.7×1 m）：脱层峰9.6、超5区6.4%，衰减刚度高降，GPR近8 m强低幅；取芯点同显两害，钢筋截损13%伴混凝土分层，层析见浅深双异。三区各限1芯+控制段2芯（严重度3.7/4.3低于5，取芯证实完好），说明多传感器图可定位但需限量破坏验证。

讨论与结论翻译浓缩：研究人员指出地图为潜在指示而非确诊，脱层未必伴刚度降、腐蚀早阶段可无脱层，多传感器探不同物性故空间不总重合；MAD阈值分区独立因耦合与表面态异，反射幅受覆层、湿度、氯盐共影响，故标出为候选腐蚀区而非校准分类。结论上，该车载集成IE-GPR-编码器-GPS平台经两代迭代适应垂直挡墙，连续扫描生成脱层/衰减/刚度/腐蚀四图，于三典型劣化段经超声层析与取芯区分“仅腐/仅脱/腐脱并存”，证明多传感器协调部署对垂直基础设施SHM可行，为靶向维护提供可靠评估。论文发表于《Developments in the Built Environment》。