瑞雷波在混凝土隧道無損檢測(cè)中的應(yīng)用★

高 蘇 徐 丁 姚亞峰

(南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

瑞雷波在混凝土隧道無損檢測(cè)中的應(yīng)用★

高 蘇 徐 丁 姚亞峰

(南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

采用瑞雷波法對(duì)局部出現(xiàn)膨脹裂縫、多處鋼筋外露及銹蝕等破壞的某隧道的混凝土邊墻進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果能獲取從混凝土表面到深部基礎(chǔ)的連續(xù)波速信息，由此根據(jù)混凝土的相速度沿測(cè)線和深度的變化研究混凝土的劣化情況，研究結(jié)果為該隧道的維護(hù)和加固提供依據(jù)。通過對(duì)實(shí)際的檢測(cè)表明，該方法穿透深度大、受鋼筋影響小，且快速直觀。

瑞雷波法，混凝土，無損檢測(cè)，頻散分析

混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中最重要的結(jié)構(gòu)，由于混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工的特點(diǎn)，導(dǎo)致其質(zhì)量較難控制，常出現(xiàn)孔洞、蜂窩等缺陷，因此混凝土結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)格外受到工程界的關(guān)注。混凝土質(zhì)量檢測(cè)最簡單的方法就是目測(cè)法，通過對(duì)混凝土的表面情況或者錘擊混凝土表面聲音的特點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)混凝土的質(zhì)量加以評(píng)價(jià)，但目測(cè)法主要憑借人的主觀判定，難免有失準(zhǔn)確性和客觀性。回彈法[1]的基礎(chǔ)是混凝土的抗壓強(qiáng)度與其表面硬度之間相關(guān)性，由于該方法設(shè)備簡單、檢測(cè)費(fèi)用低廉而且不破壞混凝土結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，但是該方法獲得的強(qiáng)度值只能代表混凝土表面2 cm～3 cm的抗壓強(qiáng)度，且檢測(cè)精度較低。鉆芯法[2]能科學(xué)準(zhǔn)確地判定混凝土的優(yōu)劣，但是卻破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，其檢測(cè)費(fèi)用也過于昂貴，因此不可能大范圍的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)波、熱等在混凝土中傳播的特點(diǎn)，提出了眾多無損檢測(cè)方法[3-7]，如超聲法、脈沖回波法、雷達(dá)法等，上述方法均能在不損傷混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，科學(xué)量化混凝土的缺陷，且能確定缺陷的位置、形狀、大小和種類等，但是混凝土屬于一種非均質(zhì)的材料，因此上述無損檢測(cè)方法也存在一定的局限性。

瑞雷波勘探技術(shù)[8-12]是20世紀(jì)末興起來的一種新型原位勘探方法，主要用于近地表層的工程地質(zhì)勘探，隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的完善，該方法的應(yīng)用推廣到地基處理效果驗(yàn)證、道路評(píng)價(jià)、地下空洞即掩埋物的探測(cè)和滑坡、堤防調(diào)查等領(lǐng)域。本文將瑞雷波技術(shù)應(yīng)用到某混凝土質(zhì)量，通過對(duì)瑞雷波的波形和頻譜進(jìn)行分析處理，并借助反演的波速和混凝土的強(qiáng)度，直觀評(píng)價(jià)混凝土的質(zhì)量。

1 瑞雷波法檢測(cè)混凝土質(zhì)量的基本原理

當(dāng)激振力作用在混凝土表面上時(shí)，混凝土內(nèi)部和表面由近及遠(yuǎn)將發(fā)生彈性波的傳播現(xiàn)象。其中除常見的縱波和橫波之外，還有一類只沿介質(zhì)的表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為面波，如瑞雷波和勒夫波。對(duì)于瑞雷波，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為一橢圓(見圖1)，攜帶的振動(dòng)能量大約占總波動(dòng)能量的60%以上，且衰減速度緩慢，這是因?yàn)槿鹄撞▋H存在于介質(zhì)表面附近一定的范圍內(nèi)，其波面是一個(gè)以激發(fā)點(diǎn)為中心的圓柱面，單位面積上的能量強(qiáng)度反比于半徑(傳播距離)，而體波的波面是以激發(fā)點(diǎn)為中心的球面，單位面積上的能量強(qiáng)度反比于半徑(傳播距離)的平方。因此利用瑞雷波的傳播特點(diǎn)，對(duì)混凝土進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

面波只在混凝土的表面?zhèn)鞑ィ鋫鞑ニ俣葏s與混凝土的構(gòu)造有著密切的關(guān)系。所謂只在介質(zhì)的表面?zhèn)鞑ィ@個(gè)“表面”是有一定的厚度的，而且與面波的波長有關(guān)。瑞雷波的振幅從介質(zhì)表面沿深度方向快速衰減，垂直分量在半個(gè)波長內(nèi)約集中了該波全部能量80%；而對(duì)于垂直分量，半個(gè)波長內(nèi)約集中了該分量能量的95%；因此可認(rèn)為瑞雷波的傳播速度取決于從介質(zhì)的表面到半個(gè)波長的深度內(nèi)的介質(zhì)[13-16]。

根據(jù)彈性波動(dòng)力學(xué)，可以確定縱波速度VP、橫波速度VS和瑞雷面波VR與彈性常數(shù)具有如下關(guān)系[9]：

(1)

(2)

(3)

其中，E為介質(zhì)的彈性模量；v為泊松比；ρ為密度。

從式(3)可以看出，當(dāng)介質(zhì)材料一定時(shí)，瑞雷波與橫波在傳播速率上呈正比關(guān)系。因此可直接采用瑞雷波的傳播速率對(duì)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。瑞雷波波長λ與瑞雷波傳播速率VR和其頻率f有如下關(guān)系：

(4)

根據(jù)式(4)，當(dāng)VR一定時(shí)，f越高，λ越短，即該波長的瑞雷波僅能穿透的介質(zhì)表層；反之，f越低，λ越長，則該波長的瑞雷波幾乎能穿透整個(gè)介質(zhì)層。

因此，在采用瑞雷波法檢測(cè)混凝土質(zhì)量時(shí)，首先應(yīng)對(duì)采集到的瑞雷波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到每一測(cè)點(diǎn)處的瑞雷波的頻譜特性，再通過正演分析[17]，并利用速度譜法對(duì)每一個(gè)頻率成分的信號(hào)進(jìn)行速度掃描，以獲得一個(gè)最佳速度—頻率曲線，該曲線即是該試驗(yàn)段從表層到檢測(cè)深度連續(xù)的瑞雷波的速度信息，從中提取出反映不同厚度處混凝土的瑞雷波的傳播速度，將每一測(cè)點(diǎn)的上述信息沿測(cè)線展開，瑞雷波速度沿測(cè)線等值線剖面圖。根據(jù)式(3)將瑞雷波速率VR轉(zhuǎn)化為橫波的波速VS，通過鉆心實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)際的混凝土抗壓強(qiáng)度，并借助最小二乘法擬合建立VS與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，從而可得到相應(yīng)混凝土的二維抗壓強(qiáng)度等值分布剖面圖。

2 工程實(shí)例

某隧道的混凝土邊墻，采用的材料為C20混凝土，邊墻厚0.40 m～0.50 m，其中部分區(qū)段在其運(yùn)行期間也時(shí)有修補(bǔ)。現(xiàn)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，隧洞襯砌混凝土局部出現(xiàn)膨脹裂縫，多處鋼筋外露及銹蝕等破壞現(xiàn)象明顯，而且滲水現(xiàn)象嚴(yán)重。因?yàn)椋捎萌鹄撞ǚz測(cè)該隧道的混凝土質(zhì)量，為該隧道的維護(hù)和加固提供依據(jù)，以維持其正常工作。

2.1 檢測(cè)方案

本次檢測(cè)工作采用的是湘潭天鴻電子科學(xué)所研制的DSG-IA寬帶聲波探測(cè)儀。為了方便測(cè)量，每次布置12個(gè)檢波點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔0.2 m，即每次檢測(cè)長度2.2 m，如圖2所示。震源采用人工激勵(lì)的方式產(chǎn)生，為了避免損壞隧道表面混凝土，激發(fā)前鋪一塊約10 cm×10 cm的鋼板，使用小錘(約500 g)用力敲擊鋼板作為震源。該次實(shí)驗(yàn)選取離隧道底面1.0 m處混凝土劣化嚴(yán)重的區(qū)域布置一道瑞雷波檢測(cè)測(cè)線，該測(cè)線長度為100 m，共布置42組瑞雷波實(shí)驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。對(duì)每個(gè)采集的原始波形降噪濾波處理后再頻散分析，由于存在多值性，所以經(jīng)過該流程的處理，即可得到用于評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的速度等值剖面圖和反演的混凝土抗壓強(qiáng)度等值剖面圖。

2.3 結(jié)果分析

按照?qǐng)D3的處理流程對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先得到該區(qū)段的瑞雷波速度等值線剖面圖，如圖4所示。從圖中可以看出，表層混凝土(0.0 m～-0.2 m)的瑞雷波速較低，小于2 400 m/s，且其中10 m～20 m附近的混凝土速率最低，在1 400 m/s～2 200 m/s之間。

由于實(shí)驗(yàn)中沒有通過實(shí)驗(yàn)確定混凝土的強(qiáng)度與橫波波速的關(guān)系，采用文獻(xiàn)[11]的縱波與混凝土強(qiáng)度的指數(shù)關(guān)系，并根據(jù)式(1)～式(3)，確定瑞雷波速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系：

fc=AeBVs

(5)

其中，A與B均為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，文獻(xiàn)[18]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得參數(shù)為A=0.130 383和B=0.001 378 07。

對(duì)該式進(jìn)行反演，獲得混凝土抗壓強(qiáng)度等值線剖面圖，如圖5所示。

從圖5可以直觀的看出，在表層至厚度為-0.2 m處的混凝土的強(qiáng)度低于10 MPa的主要分在10 m～30 m之間和80 m附近，其余的抗壓強(qiáng)度均在10 MPa～20 MPa之間；在厚度-0.2～-0.5之間，混凝土強(qiáng)度在20 MPa以上的主要區(qū)段為：40 m～70 m和90 m～100 m，其他的區(qū)域的混凝土強(qiáng)度盡管有20 MPa以上的小區(qū)域存在，但被大范圍強(qiáng)度低于20 MPa的混凝土包圍，因此混凝土強(qiáng)度劣化嚴(yán)重，應(yīng)該進(jìn)行必要的加固措施。

3 結(jié)語

瑞雷波法能夠給出混凝土頻率—相速度剖面和深度—相速度剖面，并能獲取從混凝土表面到深部基礎(chǔ)的連續(xù)波速信息，由此根據(jù)混凝土的相速度沿測(cè)線和深度的變化分析混凝土的劣化情況。其次，根據(jù)混凝土強(qiáng)度與橫波速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以直接從深度—相速度剖面反演混凝土的深度—強(qiáng)度剖面，從而掌握混凝土強(qiáng)度沿厚度的變化，通過該混凝土強(qiáng)度的等值分布可以更直觀地反映混凝土的質(zhì)量。瑞雷波檢測(cè)方法是一種較好的無損檢測(cè)方法，可為隧洞襯砌補(bǔ)強(qiáng)、加固建立科學(xué)依據(jù)。

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Application of Rayleigh wave surface method in concrete tunnel’s nondestructive examination★

Gao Su Xu Ding Yao Yafeng

(CollegeofConstructionEngineeringofNantongVocationalUniversity,Nantong226007,China)

The Rayleigh wave method with partial expansion cracks, concrete reinforced leakage and corrosion damage of a tunnel side wall were detected, data analysis of test results, analysis results can give a concrete frequency phase velocity depth profiles and the phase velocity profile, and can obtain from the concrete surface to deep based continuous wave velocity information. Thus, according to the concrete of the phase velocity along the measuring line and the depth of the changes analysis of concrete deterioration of the situation. The analysis results provide the basis for the maintenance of the tunnel and the reinforcement. The actual test shows that the method has a high penetration depth and small influence on the steel bar, and it is fast and intuitive.

Rayleigh surface method, concrete, nondestructive, dispersion

1009-6825(2017)21-0025-03

2017-05-13★：江蘇省省建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015ZD78)

高 蘇(1979- )，女，講師； 徐 丁(1977- )，男，講師； 姚亞峰(1978- )，男，講師

TU317

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