散射成像法在后張法預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用效果分析

李 斌，王 成

（1.貴州省質(zhì)安交通工程檢測中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550008；2.成都理工大學(xué)，四川成都 610000）

0 前言

預(yù)應(yīng)力孔道壓漿是后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工序，其質(zhì)量直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因?yàn)槭┕ぶ械母鞣N復(fù)雜因素常常造成壓漿不飽滿，鋼絞線銹蝕等導(dǎo)致提前喪失預(yù)應(yīng)力。在被拆除的舊橋和被撞的橋梁上經(jīng)常可見壓漿不飽滿的情況。但是預(yù)應(yīng)力孔道壓漿是隱蔽工程，檢測難度高，國家規(guī)范缺失，是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的一大隱患。近年來，許多單位、研究院所對此都展開了試驗(yàn)研究，并取得了一定的研究成果，但大部分檢測方法還是會受其自身原理的限制，在檢測精度和檢測范圍上有所局限。如何對后張法預(yù)應(yīng)力壓漿的預(yù)應(yīng)力孔道，特別是金屬質(zhì)地的預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行壓漿質(zhì)量檢測是一個新的研究方向。

1 工程概況及檢測方法的選擇

貴州省地處云貴高原，地形起伏大，橋梁眾多并以現(xiàn)澆梁為主，施工難度大，造價高，維護(hù)成本高。業(yè)主對預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量普遍重視，要求以抽查的形式進(jìn)行監(jiān)管。

當(dāng)前的主要無損檢測方法有：雷達(dá)法、沖擊回波法、聲波散射成像法等。筆者單位在檢測方案選擇上進(jìn)行了充分的調(diào)研。

雷達(dá)法是電磁波法，使用1.5 GHz以上的天線可以對塑料材質(zhì)的預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行檢測，且效果好，但由于金屬管壁對電磁波的屏蔽效果，無法應(yīng)用在金屬材質(zhì)預(yù)應(yīng)力孔道的檢測領(lǐng)域，其使用范圍有一定的限制。

沖擊回波法來源于美國，是理論研究時間最長，研究人數(shù)最多的一種方法，但是國外的橋梁大多數(shù)沒有國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以國外的學(xué)者進(jìn)行研究時考慮的模型都比較簡單理想，而且檢測效率均比較低。

聲波散射法由中科院地質(zhì)所的趙永貴研究員于2006年引入到工程檢測領(lǐng)域。運(yùn)用聲波散射理論研究混凝土的密實(shí)性、精細(xì)結(jié)構(gòu)，形成了一系列的檢測技術(shù)。散射法把脫空區(qū)和壓漿不均勻區(qū)當(dāng)成會向四面八方散射的二次散射源，并采用大排列布置多道檢波器拾取散射信號，相對于聲波反射、透射法等方法的一到兩只檢波器更容易得到可靠的結(jié)果，是該項(xiàng)研究的重點(diǎn)。

2 聲波散射技術(shù)的原理及測試方法

由于壓漿材料和鋼絞線等工程介質(zhì)的波阻抗不同，它們之間的界面存在波阻抗的差異。預(yù)應(yīng)力孔道壓漿的密實(shí)性和交結(jié)程度等存在不均勻性時，如存在空隙、松散等情況，也會出現(xiàn)局部的波阻抗的異常區(qū)。這些異常區(qū)都是散射源。在外來聲波的激勵下散射源會產(chǎn)生散射波（見圖1）。波阻抗差異越大，散射波越強(qiáng)。根據(jù)接收觀測到的散射波場，可以重建結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射源的圖像，借此了解界面、異常體的位置與差異程度。

圖1 散射成像原理圖

檢測時將檢波器緊貼在預(yù)應(yīng)力孔道的一側(cè)，根據(jù)采集器的性能和檢波器的數(shù)量每次接收一定數(shù)量的散射記錄，然后按照一定的偏移距移動檢波器，使其路徑完全覆蓋被檢測區(qū)域。

缺陷為介質(zhì)中的密度與強(qiáng)度的異常分布，表現(xiàn)為波速變異，在外場波動激勵下缺陷表現(xiàn)為被動震源，向周圍發(fā)射散射聲波。散射波最早出現(xiàn)在缺陷頂面；根據(jù)散射波走勢、幅值和極性確定得出散射能量曲線，并據(jù)此判斷缺陷位置、形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)（見圖2）。

圖2 預(yù)應(yīng)力孔道缺陷聲波散射成像偏移圖像

3 聲波散射技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

此次應(yīng)用的對象為貴州某地鋼構(gòu)現(xiàn)澆箱梁。其內(nèi)部預(yù)應(yīng)力孔道為塑料材質(zhì)，直徑10 cm，埋深25 cm，內(nèi)置19束鋼索。檢測使用北京同度工程物探技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TD-BWG預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)性檢測儀，配備32道頻率為20 kHz的高頻檢波器拖纜，其中道間距為10 cm，采用錘擊震源，根據(jù)散射理論，分辨最小空區(qū)厚度為4 cm，一次檢測的長度為3.2 m，耗時3 min，遞進(jìn)式采集（見圖3）。

圖3 現(xiàn)澆梁的預(yù)應(yīng)力孔道情況（上）和檢測施工現(xiàn)場（下）實(shí)景

現(xiàn)場抽樣采集20段預(yù)應(yīng)力孔道壓漿數(shù)據(jù)，其中12段位于頂板，8段位于底板。測線沿預(yù)應(yīng)力孔道走向布置，長度約4 m。激發(fā)點(diǎn)距第一道檢波器10 cm。各檢測段的大致分布如圖4所示。

圖4 檢測區(qū)域相對位置分布圖

4 檢測結(jié)果與解釋

使用基于散射成像原理的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)性檢測分析系統(tǒng)（TD-BWG）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到散射強(qiáng)度分布圖，圖像直接反映空區(qū)的位置和大小，明亮程度表示散射能量的大小，亮度越高，散射能量越強(qiáng)。

對預(yù)應(yīng)力孔道20段的部分檢測結(jié)果如圖5、圖6所示，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整相應(yīng)的閥值，來控制異常顯示的最低標(biāo)準(zhǔn)。提高閥值，則在圖中僅顯示異常相對較大的區(qū)域。

壓漿飽滿的預(yù)應(yīng)力孔道散射能量均勻，其散射能量分布見圖5所示。

圖5 壓漿飽滿的預(yù)應(yīng)力孔道圖示

壓漿欠飽滿的預(yù)應(yīng)力孔道，有缺陷的位置將出現(xiàn)亮度較高的區(qū)域，表示該處散射能量較強(qiáng)，如圖6所示。

圖6 壓漿有缺陷的預(yù)應(yīng)力孔道圖示

按照檢測判定有問題的位置開孔驗(yàn)證，現(xiàn)場實(shí)景如圖7所示。

圖7 開孔驗(yàn)證現(xiàn)場實(shí)景

5 結(jié)語

聲波散射成像法對該箱梁頂板、腹板的檢測，基本查明了其預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量情況，包括預(yù)應(yīng)力孔道壓漿不密實(shí)的位置、大小，以及不飽和程度。指導(dǎo)及時采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，避免因壓漿不密實(shí)導(dǎo)致鋼絞線銹蝕，預(yù)應(yīng)力提前喪失而造成嚴(yán)重的人員生命安全傷害和財產(chǎn)損失。后張法預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量檢測中，針對埋深較淺的塑料預(yù)應(yīng)力孔道使用地質(zhì)雷達(dá)方法基本可以滿足檢測要求，但是針對預(yù)應(yīng)力孔道埋深較深，或者預(yù)應(yīng)力孔道為金屬質(zhì)地時，散射成像法則更加適用。在該項(xiàng)箱梁的檢測中，檢測結(jié)果得到了破檢驗(yàn)證的肯定，說明新方法的適用性和準(zhǔn)確性。值得在今后的后張法預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量檢測中進(jìn)行推廣發(fā)展。