探地雷達(dá)和超聲波相結(jié)合的爆破損傷實(shí)驗(yàn)研究*

徐莉麗 蒲傳金 肖正學(xué) 蘇有文

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院;2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)

在邊坡和隧道等爆破工程中，爆破對(duì)邊坡保留巖體和隧道圍巖的損傷破壞將影響相關(guān)工程的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來(lái)，評(píng)價(jià)巖體爆破損傷的方法有聲波法［1-3］、鉆孔巖芯SEM微觀分析法及鉆孔巖芯強(qiáng)度測(cè)試法［3］、爆破振動(dòng)速度PPV法［4］等。聲波法雖然可定量評(píng)價(jià)爆破損傷，卻無(wú)法對(duì)損傷進(jìn)行定位;鉆孔取芯施工難度較大;爆破振動(dòng)速度PPV法是一種間接評(píng)價(jià)方法，也無(wú)法進(jìn)行損傷定位。近年來(lái)，探地雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，正廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)缺陷評(píng)價(jià)，可實(shí)現(xiàn)缺陷定位。鑒于此，本研究將聲波定量評(píng)價(jià)和探地雷達(dá)定位評(píng)價(jià)相結(jié)合用于爆破損傷評(píng)價(jià)［5］，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)試設(shè)備

1.1 混凝土模型參數(shù)與爆破參數(shù)

澆筑了5個(gè)混凝土模型，如圖1所示。強(qiáng)度等級(jí)為C20，室外養(yǎng)護(hù)28 d。模型規(guī)格分別為1 430 mm×1 400 mm×600 mm，1 470 mm×1 420 mm×600 mm，1 700 mm×1 410 mm×600 mm，1 660 mm×1 410 mm×600 mm，1 710 mm×1 450 mm×600 mm。

圖1 混凝土模型

爆破參數(shù):預(yù)制3排炮孔，孔距150 mm，排距200 mm。孔徑分別為30，20，20，30，30 mm。炮孔深度分別為390，380，380，360，380 mm。藥包直徑均為20 mm，單孔裝藥量10 g，藥包長(zhǎng)度均為40 mm。徑向空氣柱長(zhǎng)度分別為60，0，0，10，30 mm。

1.2 檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)方法

從最后排炮孔中心開(kāi)始，每間隔200 mm設(shè)置1個(gè)、共設(shè)置3個(gè)檢測(cè)剖面，檢測(cè)剖面序號(hào)分別為1、2、3。爆破前后分別對(duì)每條檢測(cè)剖面進(jìn)行探地雷達(dá)和聲速檢測(cè)。

1.2.1 探地雷達(dá)及檢測(cè)方法

探地雷達(dá)發(fā)收天線是寬頻帶的偶極子天線。檢測(cè)深度均＜500 mm，時(shí)窗設(shè)置為10 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512個(gè)，光柵間隔為0.001 m，光柵間隔數(shù)為1。檢測(cè)方式為齒輪模式，選用1 600 MHz天線進(jìn)行高分辨檢測(cè)。本次檢測(cè)使用反射法，就是發(fā)射天線(T)和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式。進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，當(dāng)發(fā)射天線與測(cè)量天線同步沿測(cè)線移動(dòng)時(shí)，就可以得到探地雷達(dá)剖面圖像。橫坐標(biāo)為天線移動(dòng)的距離，縱坐標(biāo)為雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線經(jīng)損傷區(qū)界面發(fā)射回到接收天線的雙程走時(shí)。這種圖像能準(zhǔn)確地反映正對(duì)測(cè)線下方爆破損傷的大小及位置。如圖2所示。

1.2.2 聲波檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法

圖2 爆破損傷探地雷達(dá)檢測(cè)原理

圖3 爆破損傷聲波檢測(cè)原理

本試驗(yàn)采用RSM－SY5型智能聲波檢測(cè)儀。爆破損傷聲波檢測(cè)原理如圖3所示。每個(gè)檢測(cè)剖面在穿過(guò)藥包中心的水平線與檢測(cè)剖面的交點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)聲波檢測(cè)點(diǎn)，換能器用黃油耦合，測(cè)試中每次改變測(cè)點(diǎn)時(shí)都重新涂黃油，以保證換能器與試件的耦合效果;并盡量在各點(diǎn)測(cè)試時(shí)保持用力均勻，以便保證每次檢測(cè)時(shí)換能器與試件之間有較好的能量傳遞效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，聲波發(fā)射換能器向混凝土試件內(nèi)發(fā)射高頻彈性脈沖波，并由接收換能器接收經(jīng)混凝土試件的彈性波，記錄下彈性波經(jīng)發(fā)射換能器發(fā)出到接收換能器接收時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間及彈性波在特定路程中所需的走時(shí)數(shù)據(jù)。分析聲波在混凝土試件中的傳播速度、振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)，并確定混凝土試件在爆破后內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷特征。

2 探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖及分析

爆破損傷探地雷達(dá)檢測(cè)的部分剖面圖如圖4所示。剖面圖上的損傷區(qū)域面積見(jiàn)表1。

圖4 爆破前后雷達(dá)檢測(cè)剖面圖

表1 爆破后雷達(dá)圖像裂縫面積及爆破前后聲波速度

爆破前所有混凝土模型雷達(dá)剖面圖上顯示出同相軸基本連續(xù)的特征，表明混凝土密實(shí)程度較好。與爆破前相比(從圖4可知)，爆破后所有混凝土模型1、2、3號(hào)雷達(dá)剖面圖顯示出同相軸錯(cuò)段的細(xì)長(zhǎng)條形態(tài)，表明爆破形成損傷，且損傷范圍大于0.6 m。表1給出了爆破后每個(gè)雷達(dá)檢測(cè)剖面圖上爆破損傷區(qū)域面積，分析可知，耦合裝藥爆破損傷大于不耦合裝藥，但并不是距爆源越近，爆破損傷越大。同時(shí)，實(shí)際損傷位置與藥包并不在同一水平線上，這表明混凝土爆破損傷主要是混凝土初始損傷(缺陷)的發(fā)展、長(zhǎng)大的結(jié)果。爆破前探地雷達(dá)并沒(méi)有檢測(cè)出這些位置存在初始損傷，可能是由于這些位置初始損傷較小或探地雷達(dá)分辨率較低無(wú)法檢測(cè)出的緣故。

3 模型聲波速度及分析

爆破前后，在混凝土3個(gè)檢測(cè)剖面進(jìn)行聲波速度測(cè)試。爆破前后部分聲波速度波形曲線如圖5所示，聲波速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中各條測(cè)線爆破前后聲波速度，繪制爆前爆后聲波速度與炮孔中心距離的關(guān)系曲線如圖6所示。根據(jù)表1和圖6可知:

(1)3條測(cè)線爆破前聲波速度并不相等，而是存在一定起伏度的，說(shuō)明混凝土存在初始損傷，這與探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果一致。

(2)爆破后聲波速度隨著與爆源距離的增加而增加，但其增加的趨勢(shì)與爆破前聲波速度的變化趨勢(shì)一致。

(3)5個(gè)模型3個(gè)檢測(cè)剖面總平均聲速降低率分別為1.87%、5.17%、3.67%、1.19%、1.67%。耦合裝藥爆破的總平均聲速降低率為不耦合裝藥爆破的3.1～4.4倍。

4 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

混凝土模型爆破損傷探地雷達(dá)剖面圖損傷面積、聲速降低量及爆破前后聲速降低率見(jiàn)表1。根據(jù)表1可知，混凝土模型爆后探地雷達(dá)剖面圖損傷面積與爆破前后聲速降低量呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)損傷面積和聲速降低量將爆破損傷劃分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)探地雷達(dá)用于混凝土爆破損傷檢測(cè)是可行的。

(2)混凝土爆破損傷主要出現(xiàn)在混凝土初始損傷(缺陷)的位置，即混凝土爆破損傷主要是初始損傷“長(zhǎng)大”的結(jié)果。

(3)混凝土爆破損傷探地雷達(dá)剖面圖損傷面積與爆破前后聲波速度降低量呈現(xiàn)較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(4)將探地雷達(dá)爆破損傷定位與聲速爆破損傷定量評(píng)價(jià)相結(jié)合是可行的。但為提高檢測(cè)精確性，應(yīng)選用分辨率較高的探地雷達(dá)，同時(shí)應(yīng)建立探地雷達(dá)爆破損傷的分析標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 爆破前后聲波波形曲線

圖6 爆前爆后聲波速度與炮孔中心距離的關(guān)系曲線

表2 爆破前后聲波降低范圍及雷達(dá)圖像裂縫面積對(duì)應(yīng)關(guān)系

［1］ 張國(guó)華，陳禮彪，夏 祥，等.大斷面隧道爆破開(kāi)挖圍巖損傷范圍試驗(yàn)研究及數(shù)值計(jì)算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8):1610-1619.

［2］ 閆長(zhǎng)斌，徐國(guó)元，楊 飛.爆破動(dòng)載荷作用下圍巖累積損傷效應(yīng)聲波測(cè)試研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(1):88-93.

［3］ 蒲傳金，張志呈，郭學(xué)彬，等.邊坡開(kāi)挖光面爆破對(duì)巖體損傷的影響分析［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2005，25(5):68-70.

［4］ 熊海華，盧文波，李小聯(lián)，等.龍灘水電站右岸導(dǎo)流洞開(kāi)挖中爆破損傷范圍研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(3):432-436.

［5］ 徐莉麗.探地雷達(dá)與超聲波結(jié)合的混凝土質(zhì)量判定與分析方法［D］.綿陽(yáng):西南科技大學(xué)，2011.