超聲波及表面波法在檢測含水裂縫深度中的應用分析

超聲波及表面波法在檢測含水裂縫深度中的應用分析

張小龍1， 趙鵬1，2， 徐浩銘1， 徐港1，2

(1.三峽大學土木與建筑學院， 湖北宜昌443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北宜昌443002)

摘要：介紹了基于單面平測法、雙面斜測法、鉆孔對測法及表面波法的混凝土裂縫深度測量原理，結(jié)合工程實例，對比分析了單面平測法及表面波法檢測含水裂縫和干燥裂縫深度的結(jié)果。當裂縫干燥、表面及內(nèi)部僅有少量或者無粉塵等雜質(zhì)填充時，單面平測法及表面波法檢測結(jié)果較為接近，均與鉆孔直接測量結(jié)果一致；當裂縫內(nèi)有大量泥水及雜物時，僅表面波法測得結(jié)果與鉆孔直接測量結(jié)果吻合。分析表明，單面平測法受裂縫中水及填充物影響較大，而表面波法受其影響較小，建議對于類似大壩混凝土等近似半無限平面體裂縫的測量優(yōu)先選用表面波法，對于干燥裂縫視具體情況而定。

關(guān)鍵詞：含水裂縫；裂縫深度檢測；超聲波法；表面波法

文章編號：1673-1549(2015)04-0066-06

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.14

收稿日期:2015-05-25

作者簡介:張小龍(1989-)，男，湖北宜昌人，碩士生，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，(E-mail)15571708281@163．com;徐港(1974-)，男，內(nèi)蒙古達茂旗人，教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，(E-mail)postxg@163．com

中圖分類號：TV61

文獻標志碼：A

引言

受澆筑質(zhì)量、自身體積變形、水分蒸發(fā)、不均勻沉陷及后期荷載作用的影響，鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)物易形成不同深度的裂縫(大壩、渡槽、水池和涵洞等水工構(gòu)造物尤為如此)，對建筑物有很大危害性。國際壩工委員會(ICOLD)1988年所作的關(guān)于大壩工作狀態(tài)的調(diào)查報告[1]指出，世界各國已建成的混凝土壩中絕大部分存在著裂縫。因裂縫的存在，壩體耐久性及穩(wěn)定性將面臨威脅，影響其運行、效益，嚴重者甚至失事。我國青銅峽大壩電站、李家峽大壩電站[2]及奧地利施萊蓋斯拱壩等皆因壩體出現(xiàn)大量裂縫而影響其運行，大壩甚至處于危險狀態(tài)，對人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。因此，必須對這些裂縫進行檢測，掌握其狀況及有關(guān)參數(shù)，以判斷對建筑物的危害程度及研究相應補強措施。目前，國內(nèi)外裂縫深度檢測方法眾多，本文主要介紹超聲波法、表面波法的檢測原理及要點，結(jié)合工程實例，對含水與不含水裂縫使用以上兩種方法分別進行檢測，并對檢測結(jié)果進行分析，相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)工程提供借鑒。

1檢測原理

1.1　超聲波法

超聲脈沖波以其穿透能力強、定向性好、檢測設備簡單等優(yōu)點，廣泛應用于混凝土缺陷等領(lǐng)域，目前已寫入《大壩混凝土聲波檢測技術(shù)規(guī)程》(DL/T5299-2013)[3]及《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CEC S21-2000)[4]。在檢測混凝土裂縫深度方面，根據(jù)被測裂縫所處部位，超聲波法可分為單面平測法、雙面斜測法及鉆孔對測法。

1.1.1單面平測法

當混凝土被檢測部位只有一個表面可供檢測時，可采用單面平測法進行裂縫深度測量，如混凝土路面，大壩側(cè)壁、廊道及其他大體積混凝土的淺裂縫等。受平測時超聲波傳播距離所限，此法只適用于檢測裂縫深度在500 mm以內(nèi)的裂縫，但相關(guān)學者研究表明，該方法僅能有效測量深度小于200 mm的裂縫[5]。如圖1所示。該方法檢測裂縫深度時基于以下假設：(1)假設裂縫附近混凝土質(zhì)量基本一致，跨縫與不跨縫時超聲波波速相同；(2)跨縫測量時首波發(fā)射換能器的首波信號能繞過裂縫末端傳至接收換能器。

圖1　單面平測裂縫示意圖

進行檢測作業(yè)時，選取被測裂縫較寬且便于測量操作的部位、盡量避開鋼筋影響，清理被測裂縫，去除表面的泥土等雜物，若被測區(qū)域不平整，用打磨機進行打磨至平整，以保證換能器與混凝土表面耦合良好，實際操作過程中影響裂縫深度測試準確性的因素很多[6]，因此在操作過程中，應規(guī)范每一步操作。在進行裂縫深度檢測時首先應進行不跨縫聲時測量，即將2個換能器分別置于裂縫附近同一側(cè)(混凝土完好區(qū)域)，以兩個換能器內(nèi)邊緣間距(l′)等于100 mm、150 mm、200 mm、250 mm，分別讀取聲時值(ti)，繪制“時-距”坐標圖(圖2)或用回歸分析的方法求出聲時與測距之間的回歸直線方程li=a+bti；然后進行跨縫的聲時測量，即將收發(fā)換能器分別置于以裂縫為對稱軸的兩側(cè)，l′取100 mm、150 mm、200 mm、……分別讀取聲時值，同時觀察首波相位的變化[7]。

圖2　平測“時-距”圖

結(jié)合超聲波傳播的路徑，并根據(jù)幾何學原理，計算得到推定的裂縫深度。

h2=AC2-(l/2)2=(vt′/2)2-(l/2)2=

(lt′/2t)2-(l/2)2

故

式中，h為裂縫深度；l為超聲波實際傳播的距離，取換能器內(nèi)間距與“時-距”圖截距a之和，l=l′+a。

裂縫深度具體計算方法及取值要求參見《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CEC S21-2000)5.2.2及5.2.3條。使用該方法時，換能器連線應距鋼筋一定距離或與其走向呈一定夾角，以排除鋼筋影響。

部分學者在單面平測法推定混凝土裂縫深度的試驗中發(fā)現(xiàn)：當首波反向時的測距l(xiāng)′與裂縫深度h存在一定關(guān)系[8]，若置換能器于裂縫兩側(cè)，當換能器與裂縫間距a分別大于、等于、小于裂縫深度dc時，超聲波接收波形如圖3所示。利用此方法可大致判斷裂縫深度，在鋼筋密集區(qū)混凝土裂縫亦可如此。

圖3　首波相位反轉(zhuǎn)示意圖

實際工程中，裂縫很可能會傾斜，利用以上方法測量將有誤差，此時可利用橢圓交會法作圖按比例求出(圖4)，即將其中一個換能器置于A點，將另一個換能器分別置于B、C點，讀取聲時值并計算超聲波傳播距離，分別以A、B及A、C為焦點，以AEB、AEC長為常數(shù)畫橢圓，交于點E，利用比例關(guān)系即可求得斜裂縫深度。

圖4　橢圓交會法

1.1.2雙面斜測法

該方法適用于被測構(gòu)件具有兩個相互平行的表面，如梁、柱、墻等。如圖5所示。雙面斜法是在保持T、R換能器連線的距離相等、傾斜角一致的條件下進行跨縫與不跨縫檢測，分別讀取相應的聲時、波幅和主頻值。當超聲波通過裂縫時，由于空氣或水分的反射作用，儀器接收到的首波信號較微弱，其波幅、聲時測值與不跨縫測點相比有明顯差別(一般波幅差別最明顯)，據(jù)此可判定裂縫深度以及是否在所處斷面內(nèi)貫通[9]。同單面平測法相比，此法受裂縫中填充物影響較小，測量結(jié)果較為可靠，若滿足該方法檢測條件，建議優(yōu)先選用雙面斜測法。

圖5　雙面斜測法測點布置示意圖

1.1.3鉆孔對測法

鉆孔對測法是在裂縫兩側(cè)分別鉆出直徑略大于換能器直徑的測試孔，將徑向換能器置于測試孔中，用水耦合進行裂縫深度檢測的方法。該方法適用于大壩、橋墩、承臺等大體積混凝土，預計裂縫深度大于500 mm的裂縫檢測，被測結(jié)構(gòu)允許在裂縫兩側(cè)進行鉆孔。如圖6所示。在運用鉆孔對測法檢測裂縫深度時，在裂縫兩側(cè)應分別鉆孔，鉆孔直徑一般較換能器直徑大5～10 mm，鉆孔深度應大于裂縫深度50 cm以上，經(jīng)測試如淺于裂縫深度，則應加深鉆孔；當裂縫傾斜時，應確保裂縫底部不致超出兩孔之間。一般情況下兩孔間距為1~3 m，對應的兩個測試孔，必須始終位于裂縫兩側(cè)。

圖6　鉆孔對測法示意圖

孔中粉末碎屑應清理干凈(若測孔中存在粉塵碎屑，注水后將形成懸浮液，超聲波在測孔中大量散射而衰減，影響測試數(shù)據(jù)分析和判斷)，待測孔中注滿清水后，將發(fā)、收換能器分別置于兩鉆孔中同樣高程上，等速從上至下同步移動并定點記錄聲學參數(shù)(測點間距視所檢測裂縫深度精度要求而定，一般可20 cm左右測一點)。一般而言，裂縫上寬下窄，隨著換能器逐漸下移，裂縫逐漸變窄，超聲波傳達至接收換能器所損耗能量漸小，即波幅逐漸增大，當振幅增至最大值并基本趨于穩(wěn)定，此時發(fā)、收換能器之間混凝土部分完好。裂縫深度即為達到最大振幅值測點對應的深度，如圖7所示。為消除測量中的誤差，當達到最大振幅時應繼續(xù)向下測量2~3個點，且應再從孔底至孔口返回測一次，取兩次測值的平均值作為最后結(jié)果。

圖7　孔深-振幅曲線

當裂縫傾斜時，可用圖8所示方法進行測量：使換能器在兩孔中不同深度以等速移動方式斜測，尋找測量參數(shù)突變時換能器中部的連線，多條連線的交點N即為裂縫的末端[9]。由于混凝土質(zhì)量存在波動以及孔中雜質(zhì)的影響等，實測的波幅-深度曲線不如規(guī)范中的曲線理想，給準確測量裂縫深度帶來干擾。因此在實測過程中應注意曲線中各測點波幅的相對變化趨勢，把握特征，方能準確判斷裂縫深度[10-12]。

圖8　斜裂縫測深示意圖

1.2　表面波法

表面波法又稱瑞利波法[13]，于上世紀60年代被提出，由于對能量衰減測試誤差較大，一直未能得到廣泛應用。近年來經(jīng)過進一步研究開發(fā)，使用雙方向激振技術(shù)可較大程度提高能量衰減測試的精確性[14]，從而提高了表面波法的測試精度和實用性。

外荷載作用于地表時地基中波主要以瑞利波形式傳播，該波依存于材料的剪切力學特性，在水平方向上衰減慢，而在豎直方向上衰減很快，從而對裂縫更敏感，且有效傳播深度為1.5倍波長[15]。通過采用新技術(shù)，瑞利波在傳播過程中所發(fā)生的幾何衰減和材料衰減可通過系統(tǒng)補正而保持其振幅不變。但瑞利波在遇到裂縫時，其傳播在某種程度上被阻斷，通過裂縫后波的能量和振幅均會減小(圖9)。利用此特性，根據(jù)裂縫前后波的振幅變化(振幅比)，便可以推算其深度。根據(jù)試驗資料和理論分析：

h=-0.7429λlnx

式中，h，λ和x分別為裂縫深度、表面波波長和裂縫后/前的振幅比(需經(jīng)幾何衰減修正)。

圖9　瑞利波通過不同裂縫后衰減示意圖

進行表面波法測量作業(yè)時，先將測試面打磨平整。在裂縫開口兩側(cè)布設測線，傳感器和敲擊點在一條直線上，并布置兩個傳感器使其軸線垂直于裂縫走向(圖10)，其中，d、d0應大于激發(fā)的面波波長λ，可取1~2倍λ(可按λ≈2tc·cR，tc為沖擊持續(xù)時間，s；cR混凝土面波波速，m/s，估算時可取2000 m/s)。敲擊產(chǎn)生的面波傳遞至裂縫另一側(cè)傳感器的振幅比x計算為：

圖10　表面波法檢測裂縫深度示意圖

該方法測試裂縫的深度范圍很廣，可達數(shù)米(現(xiàn)階段為2 m)，受裂縫中填充物、水分及裂縫內(nèi)鋼筋影響較小，其中，鋼筋影響可以修正，裂縫深度測量值較為可靠。瑞利波需在彈性半空間體中波速方可保持穩(wěn)定，受邊界條件(側(cè)壁、邊角等)的影響較大，故該方法也有一定局限性，對于壩面等近似于半無限平面體，適合表面波法測試，而對于狹窄結(jié)構(gòu)(如梁、柱等)則不適合。在運用該方法進行測試時，宜選擇結(jié)構(gòu)未剝離的區(qū)域，避免引起板波和振動導致測量誤差加大，若裂縫深度檢測結(jié)果h大于1.3倍面波波長λ，則應更換沖擊錘重新測試。

2工程實例

2.1　工程概況

某抽水蓄能電站已運行近10年，工作人員在例行檢查時發(fā)現(xiàn)，上、下庫壩體廊道內(nèi)有大量滲水沿壩段橫縫噴涌，某一橫向廊道入口段底板有明顯縱向裂縫發(fā)育。為探明滲水來源及裂縫開展情況，分別對壩體滲漏區(qū)域及裂縫寬度、深度、間距等進行了檢測(本文主要以裂縫深度測量為主)。自該廊道入口位置起，沿垂直于廊道底板軸線方向以近似等間距分布了若干條裂縫(以Z1~Z5為例)，如圖11所示，其中Z3、Z4裂縫及其附近區(qū)域有水滲出，且縫內(nèi)有較多泥土等雜物，Z1、Z5較為干燥，Z2裂縫處濕潤，但無水滲出。針對此情況，分別使用超聲波平測法、表面波法對以上裂縫深度進行了測量，最后使用鉆孔直接測量法對Z1、Z3進行測量，以驗證前兩種方法測量結(jié)果的準確性。

圖11　裂縫分布及測點位置示意圖

2.2　檢測方案

測量使用基于超聲波原理的裂縫測深儀器：NM-4A非金屬超聲檢測分析儀和KON-FSY裂縫測試儀，基于表面波法的裂縫測深儀器：SCE-MATS-S混凝土多功能無損檢測儀，以及鉆孔直接測量所需要的相關(guān)儀器。檢測流程如圖12所示，首先使用基于表面波法的混凝土多功能無損檢測儀對Z4深度進行試測，了解裂縫大致深度后，確定無需使用鉆孔對測法進行測量，進而確定測量方案。長裂縫選取3個測點，短裂縫選取2個測點進行深度測量，分別采用超聲波單面平測法及表面波法對Z1~Z5進行測量，使用鉆孔直接測量法對Z1、Z3進行測量，以上檢測均嚴格按照《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CEC S21-2000)及《大壩混凝土聲波檢測技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5299-2013)等要求進行。

圖12　檢測流程圖

2.3　檢測結(jié)果及分析

檢測結(jié)果見表1，所測裂縫深度均不超過300 mm(鋼筋距混凝土表面350 mm)，Z2、Z3、Z4裂縫處濕潤或有水滲出，超聲波平測法測得結(jié)果偏小，表面波法測得結(jié)果較大，Z3-3處用表面波法測得深度值與用鉆孔直接測量法測得深度值吻合較好；Z1、Z5裂縫處較為干燥，超聲波平測法與表面波法測得結(jié)果比較接近，Z1-2處裂縫深度與鉆孔直接測量法測得結(jié)果一致。

表1　裂縫深度測量結(jié)果

一般而言，鉆孔直接測量法測得裂縫深度最為真實。如圖13所示，對比Z1-2測量結(jié)果可知，三種方法測得結(jié)果基本吻合，超聲波平測法與鉆孔直接測量法相對誤差為2.2%，表面波法與鉆孔直接測量法相對誤差為6.7%，在工程要求誤差范圍之內(nèi)；對比Z3-3測量結(jié)果可知，表面波法與鉆孔直接測量法測得裂縫深度值較為接近，二者相差1 mm，相對誤差僅為0.7%，而超聲波平測法與鉆孔直接測量法測量結(jié)果則相差較大；對比超聲波平測法及表面波法測量結(jié)果可知，Z1、Z5測量結(jié)果較為接近，而Z2、Z3、Z4測量結(jié)果則相差較大。究其原因，Z1、Z5裂縫處較為干燥，裂縫內(nèi)無水分填充，Z2、Z3、Z4則有水分填充，其中，Z3、Z4滲水較為嚴重，且有泥土等雜質(zhì)填充。超聲波單面平測法測量原理基于跨縫測讀的首波信號繞過裂縫末端至接收換能器，裂縫中水分和雜質(zhì)的存在使得超聲波首波信號未能繞過裂縫末端傳達至接收換能器；而表面波法測量原理則基于瑞利波通過裂縫后振幅和能量的衰減大小來測取裂縫深度，受裂縫中水分和雜物的影響較小，故在干燥裂縫處，超聲波平測法與表面波法測得結(jié)果均與裂縫真實深度較為接近，而在有水分或雜物填充處只有表面波法測得結(jié)果與裂縫真實深度值較為接近，超聲波平測法測得結(jié)果則偏小。

圖13　不同測量方法測量值對比圖

3結(jié)論

(1)在檢測環(huán)境較好，即當裂縫干燥，裂縫表面及內(nèi)部僅有少量或者無粉塵、雜質(zhì)填充時，基于超聲法的單面平測法及表面波法檢測裂縫深度準確性均較高，與鉆孔直接測量法測得結(jié)果吻合。

(2)超聲波單面平測法檢測結(jié)果受裂縫中水及其他填充物影響較大，裂縫中有大量水及雜物填充時，其檢測結(jié)果較鉆孔直接測量法測得結(jié)果??；而表面波法檢測結(jié)果基本不受裂縫中水及其他填充物的影響，所測裂縫深度與鉆孔直接測量所得結(jié)果較為吻合。

(3)檢測類似大壩等近似于半無限平面體混凝土的裂縫時，若縫中有水或雜質(zhì)物，建議優(yōu)先選用表面波法進行檢測，超聲單面平測法僅可作為參考；當裂縫干燥，雜物較少時，測量方法視鋼筋網(wǎng)密集程度及保護層厚度而定，若裂縫較淺，可使用首波相位反轉(zhuǎn)法進行測量。

(4)若條件允許，建議使用多種方法進行裂縫深度測量，對比分析，擇優(yōu)選取裂縫深度值，如此可提高檢測結(jié)果的可靠性。

參 考 文 獻：

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Application Analysis of Ultrasonic Wave and Surface Wave for

Water-filled Crack Depth Detection

ZHANGXiaolong1,ZHAOPeng1,2,XUHaoming1,XUGang1,2

(1.College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;

2.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Hubei Province,

Yichang 443002, HuBei)

Abstract:The measuring principle of concrete crack depth based on single plane detecting, double oblique method, drilling method and surface wave method are introduced, and combined with the engineering example, the depth results of water-filled crack and dry crack detected by single plane detecting method are compared with those by surface wave method. When the crack dry and the surface and internal of crack is filled with little or no dust and other impurities, the results of single plane detecting and surface wave method are closed to each other, and both of the results are similar to the direct measured depth of drilling; When the crack is filled with lots of mud water and impurities, only the result of surface wave method is similar to the true depth. The analysis shows that single plane method is greatly affected by water and infills, while there is little influence on surface wave method. Therefore it is suggested that surface wave method is the first choice for dam concrete and other similar semi infinite plane crack, and it depends on the specific circumstances for dry crack.

Key words: water-filled crack; crack depth detection; ultrasonic wave method; surface wave method