基于脈沖響應(yīng)法識別混凝土面板與土體界面脫空試驗(yàn)

王志亮， 張亞東, 葉　斌

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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基于脈沖響應(yīng)法識別混凝土面板與土體界面脫空試驗(yàn)

王志亮1,2， 張亞東1, 葉斌1

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

研究了脈沖響應(yīng)法在識別混凝土面板脫空中的應(yīng)用.介紹了混凝土面板脫空危害，分析了現(xiàn)有檢測方法的局限性；闡述利用脈沖響應(yīng)法進(jìn)行混凝土面板脫空無損檢測的基本原理和優(yōu)點(diǎn)；利用該法進(jìn)行混凝土面板脫空檢測的模型試驗(yàn)研究.試驗(yàn)中采用在模型土體上現(xiàn)澆的混凝土板，并在板上布置傳感器，通過力錘敲擊混凝土板產(chǎn)生應(yīng)力波，利用傳感器采集混凝土板的動態(tài)響應(yīng)且進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析，進(jìn)而得到混凝土板下方的脫空情況.檢測結(jié)果與板下實(shí)際脫空情況的對比表明，運(yùn)用脈沖響應(yīng)法檢測板下脫空在實(shí)踐中是可行的，且效率較高,操作簡便.為今后檢測混凝土面板脫空和評價脫空修復(fù)效果提供了一種新途徑.

混凝土面板； 脫空； 脈沖響應(yīng)法；M函數(shù)； 動剛度

土與結(jié)構(gòu)接觸面課題涉及諸多土木、水利工程，主要以土與混凝土的接觸面為代表，如樁與樁側(cè)土體、混凝土防滲墻與土等.這些混凝土結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)及服務(wù)期可能出現(xiàn)被稱為“脫空”的病害.脫空是指混凝土結(jié)構(gòu)的局部范圍與土體不再保持連續(xù)接觸的現(xiàn)象.大量研究表明，服務(wù)中的混凝土結(jié)構(gòu)存在著普遍的脫空現(xiàn)象[1-4]，它是影響混凝土結(jié)構(gòu)壽命的因素之一.因此，測定脫空范圍，對于制定脫空病害治理措施、延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要意義.

在脫空檢測手段和評價方法方面，一方面由于混凝土結(jié)構(gòu)的脫空情況十分復(fù)雜；另一方面現(xiàn)有研究主要集中于檢測路面板脫空，而對于混凝土結(jié)構(gòu)與土體界面間的脫空研究還鮮見，導(dǎo)致長期以來一直缺乏有效的檢測手段.近年來，隨著計(jì)算機(jī)和微波等技術(shù)的發(fā)展，脫空檢測方法得到了長足進(jìn)步[5].目前在實(shí)踐中運(yùn)用較廣泛的是探地雷達(dá)(GRP)和落錘式彎沉儀(FWD)兩種方法.GRP由于測量速度快在無損檢測中得到廣泛運(yùn)用，但是其影響因素比較多，精度也必然受到影響[6].FWD通過對實(shí)測彎沉盆的數(shù)值來評定混凝土面板的支撐情況，但其檢測效率不高，且對處于初步形成階段的較小脫空區(qū)的識別效果不理想[7].此外，F(xiàn)WD和GPR使用的設(shè)備較為昂貴，使用和維護(hù)的成本高，不便于大量推廣.因此，需要研究一種操作簡便、高效率的混凝土面板脫空檢測方法，而脈沖響應(yīng)法是近年來應(yīng)用于脫空檢測的新型方法.

脈沖響應(yīng)法(impulse response method，IRM)也被稱為瞬時動態(tài)響應(yīng)法或聲波移動方法.它是一種無損檢測方法，起源于上世紀(jì)60年代法國用于評估現(xiàn)場鉆孔灌注樁完整性的強(qiáng)制振動法.隨著上世紀(jì)80年代便攜式計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的發(fā)展，脈沖響應(yīng)法開始被應(yīng)用于更多的領(lǐng)域.Davis和Dunn[8]利用脈沖響應(yīng)法通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)與理想樁的響應(yīng)預(yù)測樁中存在的缺陷；Davis和Hertlein[9]則結(jié)合了脈沖響應(yīng)法、平行地震測試、音波檢測法和超聲波脈沖速度等無損方法來評估放射性廢物處置庫中混凝土結(jié)構(gòu)的完整性；Vivek和Michael等[10]利用脈沖響應(yīng)法得出機(jī)場跑道動剛度隨服務(wù)時間降低的結(jié)論；Davis等[11]將脈沖響應(yīng)法運(yùn)用于混凝土隧道襯砌的快速評價中；Gucunski等[12]則將脈沖響應(yīng)法運(yùn)用于路面封底的評價；Hola等人[13]將脈沖響應(yīng)法運(yùn)用于混凝土樓板的質(zhì)量評價中.

本文基于脈沖響應(yīng)法原理，試驗(yàn)研究了其在識別混凝土面板脫空中的應(yīng)用.試驗(yàn)主要是通過在模型箱內(nèi)土體上現(xiàn)澆混凝土面板，并在板上布置傳感器，通過力錘敲擊面板產(chǎn)生應(yīng)力波，利用傳感器采集混凝土板的動態(tài)響應(yīng)信號，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析，進(jìn)而得到混凝土板下方的脫空情況.與實(shí)際結(jié)果比較，吻合較好.該項(xiàng)研究可為今后檢測混凝土面板脫空和評價脫空修復(fù)效果提供一種新途徑.

1　脈沖響應(yīng)法識別脫空的原理

脈沖響應(yīng)法是利用低應(yīng)變率的力錘敲擊混凝土面板產(chǎn)生應(yīng)力波，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集儀收集路面板的動態(tài)響應(yīng)信息來進(jìn)行脫空判別(如圖1).其基本原理是：將數(shù)據(jù)采集儀采集到的速度時程曲線和力錘的力時程曲線分別通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域解，再將速度的頻域解與力的頻域解相除即可得到傳遞函數(shù)——M函數(shù).M函數(shù)的頻譜圖包含很多信息：面板的完整性、支撐情況的好壞、覆蓋層的剝離和混凝土中的蜂窩等[10].同時，還可以通過對M函數(shù)曲線分析得到動剛度kd，其為M函數(shù)在頻率范圍為0～80 Hz內(nèi)斜率的倒數(shù).動剛度kd可以反映系統(tǒng)的整體剛度，并被用于脫空的判別.圖2顯示了在4 cm板的板中心敲擊一次后得到的典型數(shù)據(jù)處理過程，其中圖2d中線段AB斜率的倒數(shù)，即為動剛度kd.

圖1　脈沖響應(yīng)法應(yīng)用示意圖Fig.1　Schematic of impulse response method

脫空情況可由以下3個方面進(jìn)行評價：①M(fèi)函數(shù)曲線在0～80 Hz頻率范圍內(nèi)斜率越大，即kd越小，表示系統(tǒng)柔度越大、剛度越小，則地基支撐情況較差，即脫空可能性越大；②若M函數(shù)曲線在0～80 Hz頻率范圍內(nèi)越不規(guī)則，也表示脫空的可能性越大.這是因?yàn)榛炷撩姘迕摽蘸髱缀跛械拿}沖波都被反射，因此會加強(qiáng)其振動響應(yīng)的衰減；③M函數(shù)在0～80 Hz區(qū)間內(nèi)的峰值也可以作為脫空的判據(jù)，峰值越大則出現(xiàn)脫空可能性越大.

一般認(rèn)為,運(yùn)用脈沖響應(yīng)法檢測脫空時板厚應(yīng)小于0.6 m[14].因?yàn)楫?dāng)板厚大于0.6 m時，系統(tǒng)的剛度將受板自身而非支撐條件控制.

2　模型試驗(yàn)概述

試驗(yàn)中采用特制的鋼質(zhì)模型箱，其尺寸為0.9 m×0.9 m×0.75 m，為減小試驗(yàn)中反射波對試驗(yàn)結(jié)果的影響，填土之前在四周圍繞模型箱內(nèi)側(cè)布置1層泡沫板，并在泡沫板上劃7道線用以分層填土.試驗(yàn)土樣為從上海虹橋機(jī)場附近獲取的第②層粉質(zhì)黏土.主要過程如下：曬土并去除土中石子等雜物；用碎土機(jī)粉碎曬干后的土；通過擊實(shí)試驗(yàn)確定最優(yōu)含水率；將土以最優(yōu)含水率配比并分層填土壓實(shí)；在填土表面現(xiàn)澆混凝土板；用力錘敲擊混凝土板并記錄數(shù)據(jù).為模擬現(xiàn)實(shí)中混凝土面板的工況，本模型試驗(yàn)中對養(yǎng)護(hù)后的混凝土面板先用圓柱形圓桿在其表面碾壓，然后再進(jìn)行試驗(yàn)(圖3).

模型中土體的最優(yōu)含水率為20%，試驗(yàn)中采用了兩種不同厚度的混凝土面板，尺寸分別為0.5 m×0.5 m×0.04 m和0.5 m×0.5 m×0.02 m.混凝

a 力與速度時程曲線

b FFT變換后的速度譜與力譜

c M函數(shù)曲線

d 斜率計(jì)算(0～80 Hz)圖2　M曲線及kd計(jì)算過程Fig.2　Calculation process of M response function and kd

a 碎土機(jī)碎土

b 分層填土

c 加速度計(jì)布置

d 電荷放大器及數(shù)據(jù)采集儀圖3　試驗(yàn)主要操作過程圖Fig.3　Main operating process of test

土板的彈性模量E=29 GPa，泊松比ν=0.15，密度ρ=2 200 kg·m-3.實(shí)驗(yàn)過程中利用力錘敲擊混凝土面板某一點(diǎn)位產(chǎn)生應(yīng)力波，通過加速度計(jì)、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀記錄混凝土板上相應(yīng)位置的響應(yīng)數(shù)據(jù)，傳感器布置如圖4所示.所用電荷放大器帶有積分功能，可以選擇加速度、速度或者位移輸出，以滿足不同試驗(yàn)?zāi)康?

a 平面圖

b 側(cè)視圖圖4　測點(diǎn)總布置圖Fig.4　Deployment of measuring points

3　模型試驗(yàn)的結(jié)果與對比

3.1厚度4 cm板的結(jié)果分析

由于試驗(yàn)中使用力錘敲擊，敲擊點(diǎn)位置會有一定偏差，故在模型試驗(yàn)中對各點(diǎn)進(jìn)行多次敲擊.采集得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果也說明了這一點(diǎn)，同一點(diǎn)敲擊得到的kd離散度在10%左右.對同一點(diǎn)在上述計(jì)算方法基礎(chǔ)上采用多次試驗(yàn)平均的方式,分別得到了各點(diǎn)處M函數(shù)曲線0～80 Hz頻率范圍內(nèi)的峰值以及動剛度kd，列于表1，并在圖5中標(biāo)出各點(diǎn)具體數(shù)值，其中括號內(nèi)數(shù)值為試驗(yàn)結(jié)果，其余為點(diǎn)號.

由表1及圖5可以看出：M函數(shù)在0～80 Hz頻率范圍內(nèi)的峰值以及動剛度kd的變化有較好的一致性.M函數(shù)峰值由中心往四周逐漸增大，kd值則由中心往四周逐漸減小.這說明了脫空情況主要出現(xiàn)在板的四周；動剛度kd在由對角線連線劃分的4部分范圍內(nèi)，除了上述由內(nèi)到外在數(shù)值上逐漸減小的現(xiàn)象以外，還可以看出數(shù)值大小的分布圖形近似為一拋物曲面，如圖6a所示，也即最終脫空區(qū)呈4個拋物面分布.圖5表明9號點(diǎn)的峰值最大而動剛度最小，說明該點(diǎn)的脫空情況最為嚴(yán)重.

a M函數(shù)峰值(單位:10-5 m·s-1·N-1)

b 動剛度(單位:105 N·m-1)圖5　4 cm板0～80 Hz范圍內(nèi)M函數(shù)峰值和動剛度分布圖Fig.5　Peak of M function and kd of slab with a thickness of 4 cm between 0 and 80 Hz表1　M函數(shù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果(4 cm厚板)Tab.1　Calculation results of M function(with a thickness of 4 cm)

點(diǎn)號0～80Hz內(nèi)峰值/(m·s-1·N-1)kd/(N·m-1)15.22×10-54.28×10622.37×10-54.66×10536.40×10-42.88×10541.87×10-45.02×10561.46×10-46.80×10574.63×10-42.97×10591.10×10-31.88×105107.75×10-51.38×106119.15×10-59.79×105144.74×10-52.09×106151.68×10-41.14×106189.71×10-42.78×105195.68×10-43.75×105

a 計(jì)算脫空區(qū)域分布

b 實(shí)際脫空區(qū)域分布圖6　4 cm厚板計(jì)算結(jié)果及實(shí)際脫空分布

Fig.6Calculated result and practical distribution of void of concrete slab with a thickness of 4 cm

圖6b為試驗(yàn)結(jié)束后將上面的混凝土面板移除后，通過直接觀察判定的板下實(shí)際的脫空情況.從圖中可以看出，脫空基本集中在邊角處，而角隅處更為明顯，尤其以9號點(diǎn)的脫空情況最為突出.這說明脈沖響應(yīng)法的判別結(jié)果與實(shí)際情況基本符合，證明了脈沖響應(yīng)法檢測結(jié)果的可靠性.

圖7為計(jì)算得到的3號點(diǎn)處M函數(shù)曲線.對比圖7與圖2c(1號點(diǎn)處M函數(shù)曲線)可知：首先,3號點(diǎn)的0～80 Hz以內(nèi)的斜率明顯大于1號點(diǎn)處，即kd小于1號點(diǎn)處，這與表1中結(jié)果一致；其次,3號點(diǎn)M函數(shù)曲線中0～80 Hz范圍內(nèi)的峰值明顯大于1號點(diǎn).即第1節(jié)中介紹判別脫空方法中的判據(jù)③.這從另一方面說明了3號點(diǎn)處脫空可能性較1號點(diǎn)大.限于篇幅，其他點(diǎn)處M函數(shù)曲線不一一列出.

圖7　3號點(diǎn)M函數(shù)曲線Fig.7　M function curve of point 3

在實(shí)際應(yīng)用中，對于判別為脫空的位置，可以通過點(diǎn)加密的方式進(jìn)一步確定脫空范圍，為后續(xù)的注漿或者封底等修復(fù)手段提供參考，且在修復(fù)脫空后，還可以利用本方法評估修復(fù)效果的好壞.

3.2厚度2 cm板的結(jié)果分析

2 cm厚板的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過程與4 cm厚板完全相同，僅改變了混凝土板的厚度以分析板厚對檢測結(jié)果的影響.表2和圖8為厚度2 cm現(xiàn)澆板的試驗(yàn)結(jié)果.圖9為2 cm厚板移除后觀察到的實(shí)際脫空情況.對比圖6b和圖9，可看到兩種不同厚度板下的實(shí)際脫空情況相差不大，都主要出現(xiàn)在板角隅處.

表2　M函數(shù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果(2 cm厚板)Tab.2　Calculation results of M function(with a thickness of 2 cm)

將表2和圖8的結(jié)果與表1和圖5的結(jié)果對比,表明：在脫空情況相似的情況下，2 cm厚板幅值明顯較4 cm板中相對應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值大；而kd則正好相反，2 cm厚板kd明顯較4 cm板中相對應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值小.說明M函數(shù)值的絕對大小不僅與板的脫空情況有關(guān)，還與板的厚度有關(guān)系.因此，在利用脈沖響應(yīng)法檢測脫空時，一般不能應(yīng)用測試值的絕對大小來進(jìn)行直接判斷，而需要比較不同點(diǎn)處測試值的相對大小，綜合分析以后來確定板下出現(xiàn)脫空的可能性；兩種不同厚度板的試驗(yàn)結(jié)果雖然在數(shù)值大小上有差異，但是分布的規(guī)律基本一致，kd值都是由中心往四周逐漸減小，形成以1號點(diǎn)為中心，對角線為邊界的4個拋物曲面，說明2 cm厚度的混凝土板的脫空區(qū)也主要分布在板的四周，這與混凝土板移除后觀察到的實(shí)際脫空情況也基本一致，見圖9所示，同時也說明減小混凝土板厚度并沒有影響判別結(jié)果.

a M函數(shù)峰值(單位:10-5 m·s-1·N-1)

b 動剛度(單位:105 N·m-1)圖8　2 cm板0～80 Hz范圍內(nèi)M函數(shù)峰值和動剛度分布圖Fig.8　Peak of M function and kd of slab with a thickness of 2 cm between 0 and 80 Hz

圖9　2 cm厚板實(shí)際脫空情況

Fig.9Practical distribution of void of concrete slab with a thickness of 2 cm

4　結(jié)論

(1) 脈沖響應(yīng)法簡單易行，設(shè)備的使用受場地限制較小.該法測試結(jié)果可較好地判別出現(xiàn)澆混凝土面板養(yǎng)護(hù)后脫空區(qū)主要出現(xiàn)在板邊、角隅處，且脫空區(qū)近似呈四拋物曲面分布.

(2)M函數(shù)值的絕對大小不僅與脫空情況有關(guān)，而且還與板的厚度有關(guān)，但是研究發(fā)現(xiàn)板的厚度對于脫空現(xiàn)象的判別結(jié)果產(chǎn)生的影響并不顯著.

(3) 在目前技術(shù)條件下，脈沖響應(yīng)法所測得的脫空區(qū)還只是一個模糊的區(qū)域，雖然可以通過加密點(diǎn)的方式來提高精度，但是想要得到精確的脫空區(qū)域面積及空穴的深度尚需要進(jìn)一步研究.

[1]楊峰, 彭蘇萍, 劉杰,等. 襯砌脫空雷達(dá)波數(shù)值模擬與定量解釋[J]. 鐵道學(xué)報, 2009, 30(5):92.

YANG Feng, PENG Suping, LIU Jie,etal. Simunation of lining void area by radar waves and explanatory strategy[J]. Journal of the China Railway Society, 2009, 30(5):92.

[2]王少君, 馬曉力, 吳超凡. 水泥混凝土路面病害發(fā)展過程研究[J]. 公路, 2008(7): 97.

WANG Shaojun, MA Xiaoli, WU Chaofan. Study on the disease developing process of concrete pavement[J]. Highway, 2008(7): 97.[3]張世冀,稅銀平. 不良地質(zhì)下橋梁樁基脫空的應(yīng)對措施及模擬分析[J]. 交通科技, 2015(1):20.

ZHANG Shiji, SHUI Yinping. Response and simulation analysis of the bridge pile foundation’s void under the bad geological conditions[J]. Transportation Science & Technology , 2015(1):20.

[4]周玉民.水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

ZHOU Yumin. Structural analysis of concrete pavement within cavity[D]. Shanghai：Tongji University，2004.

[5]孫朝云. 現(xiàn)代道路交通測試技術(shù)——原理與應(yīng)用[M]. 北京：人民交通出版社，2000.

SUN Chaoyun. The modern road traffic measurement technology—theory and application[M]. Beijing:China Communications Press, 2000.

[6]趙軍. 剛性路面板底脫空檢測評定的理論與方法[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

ZHAO Jun. The theory and method of cavity detection and evaluation under rigid pavements[D]. Shanghai: Tongji University，2006.

[7]姬亦工，王復(fù)明, 郭忠印. 基于落錘式彎沉儀(FWD)動態(tài)數(shù)據(jù)的路面模量反演方法[J]. 土木工程學(xué)報, 2002, 35(3): 31.

JI Yigong, WANG Fuming, GUO Zhongyin. The inversion correcting method of pavements modules based on dynamic date derived from FWD[J]. China Civil Engineering Journal, 2002, 35(3): 31.

[8]Davis A G, Dunn C S. From theory to field experience with the nondestructive vibration testing of piles[J]. Proceedings of the Institute of Civil Engineers, 1974(12): 867.

[9]Davis A G, Evans J G, Hertlein B H. Nondestructive evaluation of concrete radioactive waste tanks[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 1997, 11(4):161.

[10]Vivek K, Michael A M, Gerald A M. Impulse response dynamic stiffness decay in aging general aviation airfield pavements[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2012, 2304:119.

[11]Davis A G, Lim M K, Petersen C G. Rapid and economical evaluation of concrete tunnel linings with impulse response and impulse radar non-destructive methods[J]. Independent Nondestructive Testing and Evaluation, 2005, 38(3):181.

[12]Gucunski N, Maher A, Jackson H. Verification of pavement undersealing by impulse response method[C]∥Nondestructive testing in environmental protection. Cavtat-Dubrovnik: Matest, 2001: 81-86.

[13]Hola J, Sadowski L, Schabowicz K. Nondestructive evaluation of the concrete floor quality using impulse response method and impact-echo method[J]. Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics, 2009, 14(3): 55.

[14]Papworths Construction Testing Equipment. Slab impulse response-voids under slab[DB/OL]. [2015-04-01].http:∥www.pcte.com.au/slab-impulse-response.

Experimental Study of Detection of Void Between Concrete Slab and Soil Based on Impulse Response Method

WANG Zhiliang1,2, ZHANG Yadong1, YE Bin1

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

This paper focused on the application of the impulse response method to detect void under concrete slab. First, the perniciousness of void under concrete slab was introduced, and the limitations of current detection methods were analyzed. Then, the basic principle and the advantages of the impulse response method were described. After that, model tests on detection of void under concrete slab by using the impulse response method were performed to demonstrate the feasibility of the method. During the experiment, soil was first filled into a test chamber to make a model ground, and a concrete slab was casted on the ground surface. The concrete slab was knocked by a hammer at a certain point to create stress wave. The dynamic responses of the concrete slab were measured by the sensors located at different places on the concrete slab. The obtained data were processed and analyzed using the impulse response method, and the positions and ranges of the voids under the concrete slab were further identified. The identification results were compared with the actual void situations under the concrete slab. The impulse response method was proved to be feasible and efficient in detecting the void phenomenon under concrete slab, thus providing a new way to detect void and evaluate the effect of repair.

concrete pavement; void; impulse response method;M-function; dynamic stiffness

2015-04-05

國家自然科學(xué)基金 (61179062，51174145，51379147) ；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120072110024)

王志亮(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閹r土動力學(xué).E-mail：cvewzL@#edu.cn

U416.216

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