瑞利面波檢測混凝土裂縫的方法研究

陳鑫，劉文慧，黃濤，柳葉，田子昊

（南京工程學院建筑工程學院 江蘇 南京 211167）

0 引言

1 國內外現狀研究

在國民經濟保持迅猛發展勢頭的今天，基礎建設取得了長足發展，特別是以鋼筋混凝土材料為主而建造的大型工程項目更是呈現出如火如荼的發展態勢。造型簡潔美觀、功能完善的現代建筑為改善居民生活品質創造了有利條件，不過隨著使用時間的增長，受各類因素的影響，混凝土結構勢必會或多或少地出現不容忽視的缺陷，比如裂縫，若裂縫比較多或者繼續發展，則會對建筑結構安全產生較大威脅，不利于保證居民居住安全，所以需要重視并強化對此類裂縫的定期、規范、嚴格檢測，及時全面地了解裂縫發展情況，準確搜集各類重要參數，由此合理精準地評估裂縫危害性，為人們及時采取針對性補救方法和手段提供可靠依據。一直以來，人們主要采用有損檢測法，此方法造價高，并且在檢測過程中難免會對建筑體產生一定傷害。

在各相關技術持續發展且不斷優化的今天，人們不斷推出費用投入少、操作便捷且對建筑體傷害較小的新型裂縫檢測技術，特別是超聲波法，其優勢明顯，集中表現為指向精度高、環境適應能力強、傳播能量高、操作靈活等。不過由于它無法檢測深層裂縫，所以它只能對鋼筋含量較少或者無鋼筋的混凝土進行檢測。

當前，瑞利面波法憑借著檢測成本小、檢測設備便于攜帶和操作、檢測效率高、經濟性強等一系列優勢而備受人們青睞，現已在工程建設中得到大力推廣和積極應用。

1.1 國外現狀研究

1887年，Rayleigh經過研究發現了這種波，同時對其在彈性半空間介質中所呈現出來的傳播特征進行了明確，因此，把這種表面波通稱為瑞利波。國外于20世紀50年代由Jones首次將瑞利波法用于土木工程中。1950年Thomson、1953年Haskell[1]在進行廣泛而深入地研究之后提出了多層介質中瑞利面波具有頻散特性的論點，1961年John.E Jones[2]發表了《Rayleigh Waves in a Porous，Elastic，Saturated Soil》一文，他在 Biot理論的指導下展開了全面系統地研究，證實了瑞利型波切實存在。1964年，David.G Harkrider[3]發表了著名論文《Surface WaVes in multilayered elastic media》，正式拉開了多層介質中瑞利面波特性的研究序幕。

1.2 國內現狀研究

我國針對瑞利面波而展開的研究不僅才剛剛起步，并且明顯滯后于西方研究。1992年，夏唐代[4]等學者在汲取前人研究成果的基礎上通過大家比較熟悉的解析法以及當時應用比較普遍的有限單元法對流體—固體介質中瑞利面波頻散特性和位移變化特征展開了全面細致地分析，由此推導出了其頻散特征計算表達式，同時提出了位移變化求解公式。1996年，夏唐代[5]等學者將目光聚焦于各向異性成層地基中的瑞利面波，對其所呈現出來的頻散特性展開了深入系統地探討。1998年，陳龍珠[6]等學者在飽和土彈性波動方程的研究基礎上經過深入研究提出了飽和地基中波的頻率特征表達公式，同時深入全面地探討了瑞利面波傳播特性和振動頻率等相關因素之間的關系。2001年，凡友華[7]等學者依托柱坐標這一新方法推導出了層狀介質中軸對稱柱面瑞利面波的頻散函數。

2 裂縫的成因

2.1 溫度變化產生裂縫

混凝土熱脹冷縮，所以在進行澆注時，會釋放出較多的熱量，其內部結構溫度和表面溫度勢必存在一定差異，一般來講，一旦其內部溫度應力大于混凝土抗拉強度，即會出現溫差裂縫。另外，大風、降雨等天氣亦會使得混凝土的內表溫度存在差異，由此引起裂縫。

2.2 不均勻沉降產生裂縫

由于地基受到建筑物荷載的不均勻性以及地層的不均勻性，所以其沉降無法保持完全一致，繼而產生裂縫。

2.3 混凝土的收縮引起裂縫

人們通常將此裂縫細分為下述三類：

塑性收縮：水泥漿膠體固化為水泥石后會導致混凝土體積不同程度地變小，由此使其內部產生裂縫；

炭化收縮：混凝土在使用之后會通過一系列化學和物理反應生成碳酸鈣，致其體積變小，從而產生裂縫；

縮水收縮：混凝土固化后，在進行水化反應時未被充分消耗的水分會隨著日照強度的逐步增大而被蒸發干凈，使得分布于空隙內的水產生張力，致其體積變小，從而產生裂縫。

2.4 鋼筋銹蝕引起裂縫

如果鋼筋發生銹蝕反應，由此而生成的銹蝕物即會致其體積變大，形成膨脹應力，繼而引起裂縫。

2.5 凍脹引起裂縫

如果外部環境溫度小于0℃，含水量較高的混凝土即會產生冰凍情況，體積膨脹，產生膨脹應力，從而形成裂縫。

3 裂縫的分類

（1）基于形成時間的順序，人們一般將裂縫細分為三種即早期、中期、后期裂縫；

（2）基于發展情況，人們一般將裂縫細分為兩種：一種是終止裂縫，另一種則是自行愈合裂縫；

（3）基于具體受力位置，人們一般將裂縫細分為梁板、墻體以及路面等多種不同裂縫；

（4）基于成因，人們一般將裂縫細分為三種即沉降、溫度、塑性裂縫等；

（5）基于呈現形狀，人們一般將裂縫細分為斜裂縫、水平裂縫、垂直裂縫等；

（6）基于形成頻率，人們一般將裂縫細分為兩種：一種是偶然裂縫，另一種則是通病裂縫；

（7）基于裂縫寬度和危害程度這兩個指標，人們一般將裂縫細分為輕度、普通以及嚴重裂縫。

4 瑞利波的頻散特性

瑞利面波在大自然中的存在形式主要有兩種：一種是存在于介質的自由表面，另一種則是存在于介質表面呈明顯疏松狀的覆蓋層中。此波的傳播速度因介質不同而存在較大差異，具體來講，在同性介質中進行傳播的過程中，此波的相速度完全等同于群速度，但是在層狀介質中進行傳播時，兩種速度勢必存在一定差異，并且相速度會受到激勵源變化的影響，而這即為瑞利波的頻散現象。

5 瑞利面波法

5.1 內容

1887年，著名學者瑞利（Rayleigh）在汲取前人研究成果的基礎上經過潛心研究預測了一種沿豎向指數衰減分布的面波。在此之后，大量實踐證明了該面波的確存在于現實之中，業內人士直接將其命名為瑞利面波。另外，人們發現在自由表面半空間上，此面波不會出現頻散現象，換言之，其相速度的變化特性不會受到頻率的影響，如果此波分布在相對較為復雜的環境中，則會產生頻散情況。瑞利面波的這個特性被人們發現后，通過地表采集和讀取瑞利面波信號，極大擴展了其在地下結構探測領域的應用。

在均勻彈性半空間介質中進行傳播時，可通過下述公式描述瑞利面波特性：

式中R表示瑞利波的相速度，已確定了縱、橫波速度之比，即：

式（4）向人們清晰直觀地反映了瑞利波速度VR對橫波速度VS所產生的主要影響，K為校正系數，由泊松比σ決定。圖1表示了P波、S波和R波與泊松比σ的關系：

圖1 P波、S波和R波與泊松比σ的關系

根據以上分析能夠了解到，面波于彈性分布較為均勻的半空間進行傳播的過程中，其傳播速度比較小，遠不如縱波、橫波速度。進一步我們得知瑞利面波的波速特點：

（1）相同介質中，波速：縱波>橫波>瑞利面波；

（2）VR不會受頻率變化的影響，而這即表明了均勻介質中瑞利面波不會出現頻散情況；

（3）VR與VS的關系近線性，且若σ較大，VR≈VS。針對土質地基來講，可將瑞利面波波速VR近似視為橫波波速VS。

5.2 特性

（1）瑞利波在分層介質中進行傳播時，其相速度極易受到頻率的影響，能夠隨其變化而發生相應改變；

（2）瑞利波的傳播速度會受到橫波速度的影響，一般來講，它會以一種比橫波速度略低的速度進行傳播；

（3）瑞利波的勘探深度與能量往往分布在大致相同的波長區間之中；其穿透深度會因波長不同而呈現出較大差異；

（4）瑞利波質點在振動過程中呈現出明顯的橢圓極化振動特征。

6 結語

本文對瑞利面波檢測混凝土裂縫的作用機制進行了基本論述，該方法在各國土木工程方面應用也更加廣泛，它不僅費用低、應用面廣，而且施工方式簡單，對于裂縫的分辨度高。采用此方法時，技術人員可直接通過分析頻散曲線的方式科學合理地推導出混凝土裂縫介質，以此為依據及時采取嚴謹有效的手段或者方法進行處理，不僅有助于規避檢測過程中出現安全事故，還能夠消除安全隱患，實現安全高效施工。