沖擊映像法在混凝土無損檢測中的應(yīng)用方法研究

龔衛(wèi)鋒，馮少孔

(1.中國建筑五局投資管理公司， 湖南 長沙 410000；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240)

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也取得了巨大成就，橋梁、隧道、渡槽和大壩等混凝土結(jié)構(gòu)物的規(guī)模越來越大，然而工程質(zhì)量事故也經(jīng)常出現(xiàn)，因此工程質(zhì)量檢測作為確保工程質(zhì)量的一種手段，其重要性不言而喻。各種工程設(shè)施一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的大型設(shè)施，其建造工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度較大，并且由于結(jié)構(gòu)物內(nèi)部鋼筋密布，使其質(zhì)量檢測難度大大增加[1]。

目前傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測手法不能滿足土木工程檢測需要，對將物探手法用于工程檢測期待很大。但是傳統(tǒng)的物探是在大尺度下探測高經(jīng)濟價值目標，而工程檢測是在小尺度下探測缺陷，要求檢測方法成本低、效率高，結(jié)果確定，不太容易接受概率性結(jié)果，因此在某種程度上其難度一點也不亞于大深度物探。

目前常用的混凝土無損檢測方法主要有回彈法、超聲波法、雷達法和沖擊映像法等?；貜椃z測具有儀器簡單、測試方法容易掌握、檢測效率高和費用低廉等優(yōu)點，但該方法給出的是混凝土表面(淺部)強度，并且其結(jié)果與混凝土的表面狀態(tài)、內(nèi)部構(gòu)造、周圍的環(huán)境以及試驗儀器等因素有關(guān)[2-3]。超聲波法檢測速度較慢，并且易受內(nèi)部骨料和鋼筋的影響，對于大型混凝土結(jié)構(gòu)的大面積檢測，不僅花費時間長，效果也不佳[4]。雷達法[5-6]是根據(jù)檢測對象內(nèi)部介質(zhì)的電磁性質(zhì)差異來工作的。它的優(yōu)點是探測效率高，有較高的分辨率和抗干擾性，但是雷達法的檢測深度受鋼筋干擾，當(dāng)鋼筋網(wǎng)密度大時，會對內(nèi)部缺陷形成屏蔽，同時，雷達法無法給出混凝土的強度信息。

沖擊映像法作為一種巖土工程無損檢測領(lǐng)域新近出現(xiàn)的檢測方法，在注漿密實度檢測、混凝土內(nèi)部裂縫檢測等方面得到越來越多的應(yīng)用，也積累了一些工程應(yīng)用經(jīng)驗[7-9]。沖擊映像法是在檢測對象表面施加微小瞬時沖擊，激發(fā)產(chǎn)生彈性波，當(dāng)彈性波在其內(nèi)部傳播過程中遇到介質(zhì)交界處和缺陷時，會發(fā)生反射并在對象表面產(chǎn)生位移響應(yīng)。在激發(fā)點附近可放置傳感器接收響應(yīng)波形，然后通過分析波形特征變化，判斷其有無缺陷。沖擊映像法具有簡便、快捷、重復(fù)性好等特點，對于大型混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂縫檢測具有重要的應(yīng)用價值。

在以上研究的基礎(chǔ)上，將沖擊映像法應(yīng)用于某調(diào)水工程的大型雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻內(nèi)部裂縫檢測，成功地確定了裂縫深度、平面分布以及缺陷區(qū)域占墻體總面積的比例。鉆孔顯示，檢測結(jié)果正確率達到96.6%，為該設(shè)施修補方案的制定提供了可靠資料。同時，該方法速度快，效率高，不受內(nèi)部鋼筋的影響，為類似大型混凝土結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量檢測提供了參考，起到拋磚引玉的效果。

1 沖擊映像方法

沖擊映像法的數(shù)據(jù)采集類似于傳統(tǒng)的單道地震記錄，其原理是基于由介質(zhì)內(nèi)部的局部變化引起的彈性波動場的變化[10]。本研究從彈性波在界面上的舉動出發(fā)，探討介質(zhì)參數(shù)(如密度ρ、介質(zhì)層厚度h和橫波波速vs等)對彈性波場的振幅、頻率等特性的影響，在此基礎(chǔ)上，給出沖擊映像法一般性的檢測原理與實現(xiàn)方法。

對于實際檢測對象，可以簡化為圖1的半無限介質(zhì)模型，在半無限均勻介質(zhì)中存在一局部缺陷(裂縫)。缺陷區(qū)域的表面是一個強反射界面，同時，由于介質(zhì)表面也是強反射界面(反射系數(shù)≈-1)，因此，彈性波在兩個界面之間形成多次反射，在介質(zhì)表面接收到的彈性波是震源子波經(jīng)多次反射后的疊加，可表達為：

A(t)=∑[w(t)·r(t-nT0)]=w(t)*r(t)，

n=1，2，…

(1)

r(t)=(R，-R2，R3，-R4，…)

(2)

其中：r(t)為反射系數(shù)序列；R為內(nèi)部缺陷界面的反射系數(shù)；T0為彈性波在內(nèi)部界面和表面間的雙程反射時間；“*”代表褶積運算。

式(1)表明，在介質(zhì)表面接收到的波可表示為反射系數(shù)和子波褶積疊加的結(jié)果，因此可以從兩個方向由接受到的波形推測內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)造。即：如果震源子波已知(實際檢測中很難得到)，則可以通過反褶積運算，得到反射系數(shù)序列，從而定量推斷界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗之差以及界面深度。更一般地，假定震源子波沿測線不變，則接受到的波形的變化僅由反射系數(shù)序列的變化引起，而反射系數(shù)的變化反映了內(nèi)部構(gòu)造的變化，從而也能推測內(nèi)部缺陷的存在與否。后一種方法，簡單快速，在實際檢測中具有很大的適用性。

為了將以上分析應(yīng)用于實際檢測，考慮圖1所示的檢測方法，即沿預(yù)定測線以一定間隔X0，逐點地在介質(zhì)表面激發(fā)彈性波，并在離開沖擊點偏移距為D的位置，通過傳感器接收相應(yīng)點的響應(yīng)波形信號。并將它們羅列在一起(見圖2)，從響應(yīng)波形圖上便可初步判斷介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的變化。在介質(zhì)內(nèi)部均勻，沒有變化的部分，即缺陷的左右兩側(cè)對應(yīng)的響應(yīng)波形基本不變。但當(dāng)介質(zhì)模型內(nèi)部存在裂隙或缺陷時，相當(dāng)于介質(zhì)內(nèi)部存在一個自由界面，靠近缺陷的周圍激發(fā)并接收到的響應(yīng)波形存在明顯的異常，通過接收到的波形特征，例如平均振幅和卓越頻率的變化，就可推斷混凝土墻內(nèi)是否存在缺陷。這就是沖擊映像法的基本出發(fā)點。

圖1沖擊映像法的數(shù)據(jù)采集方法

沖擊映像法不同于單道地震記錄，在巖土工程無損檢測中，檢測對象如混凝土板等的厚度一般只有數(shù)米，而彈性波在混凝土中的傳播速度高達5 000 m/s以上，因此彈性波的傳播時間非常短，并且震源激發(fā)時所產(chǎn)生的面波、折射波、反射波直達波等相互混合，僅憑人為的觀察無法將其區(qū)分開來。因此將沖擊映像法應(yīng)用在巖土工程無損檢測中時，必須采用更高精度的數(shù)據(jù)處理手段進行分析。

圖2各檢測點響應(yīng)波形圖

2 模型設(shè)置及計算參數(shù)

為了明確沖擊響應(yīng)波形與缺陷埋藏深度、大小、相對位置之間的關(guān)系和檢測精度等關(guān)鍵技術(shù)問題，本文以某調(diào)水工程的大型雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻為背景，建立不同工況下的數(shù)值模型，采用有限元動力計算，模擬實際檢測情況，采用響應(yīng)波形的平均振幅指標，為檢測結(jié)果的定量化解釋提供依據(jù)。

根據(jù)某調(diào)水工程的大型雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻，建立如下數(shù)值模型。模型墻體材料為C30混凝土，墻體長度延伸方向(x向)為3 m，墻體高度方向(y向)為1.5 m，墻體厚度方向(z向)為0.8 m。在模型中部一定深度位置上，設(shè)置裂縫缺陷，其厚度為2 mm。如圖3所示。沖擊震源在模型表面(z=0)輸入，將距離錘擊點x方向0.2 m處節(jié)點作為采集點，將該點的法向速度波形作為響應(yīng)波形輸出。

圖3半無限墻體模型示意圖

由于介質(zhì)模型的邊界是截斷邊界，因此在計算過程中，需要根據(jù)實際情況在特定的邊界上施加人工邊界條件?？紤]墻體在長度方向的連續(xù)性，在模型x方向兩側(cè)邊界上設(shè)置透射邊界，另外考慮到墻體坐落在基礎(chǔ)上，因此在高度方向，即y方向一側(cè)邊界也設(shè)為透射邊界。其他邊界則為自由邊界。為了計算簡便，裂縫缺陷材料則統(tǒng)一設(shè)置為飽和軟黏土材料。介質(zhì)模型中，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)表

在實際無損檢測中，錘擊震源被普遍采用作為震源的激發(fā)方式。其頻譜范圍都在0～4 kHz之間。檢測目標為墻體內(nèi)部的裂縫缺陷，檢測深度淺，混凝土波速較大，因此采用頻率較高激發(fā)波形作為沖擊震源，為了簡化計算，沖擊震源采用中心頻率為3 000 Hz的雷克子波，其時域波形及頻譜如圖4所示。

圖4中心頻率為3 000 Hz雷克子波波形與頻譜圖

介質(zhì)模型的震動響應(yīng)采用有限元動力計算，結(jié)構(gòu)部分采用六面體實體單元進行劃分，除了裂縫缺陷處最小尺寸為2 mm外，其他部分尺寸為10 mm。單元總數(shù)為853 614個，節(jié)點總數(shù)為872 926個，計算時間步長為4 us。并在模型x方向兩側(cè)以及y方向負向一側(cè)設(shè)置無限元，模擬透射邊界[12]。

不同的缺陷埋置深度下，深度越淺，沖擊回波強度越大，響應(yīng)波形平均振幅值越大，深度越深，返回能量越小，兩者呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系下降。根據(jù)上述規(guī)律，在實際混凝土檢測中，可獲得裂縫的深度信息。

不同的缺陷大小對響應(yīng)波形的影響：裂縫缺陷寬度越大，越接近震源偏移距，反射波能量越大，平均振幅值也就越大，其最終結(jié)果的分辨率也就越高。模型試驗表面沖擊映像法反應(yīng)的不是敲擊或者接收處的位置信息，而是震源偏移距內(nèi)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合構(gòu)造信息。

在震源偏移距不大于裂縫缺陷寬度的1/2前提下，裂縫缺陷與采集點(激振與接收點)之間的相對位置不影響沖擊映像法檢測精度。實際檢測時，在滿足分辨率及檢測效率的要求下，震源偏移距應(yīng)盡可能地減小，確定的震源偏移距不宜大于預(yù)估裂縫缺陷寬度的1/2，否則將影響檢測精度。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

華北地區(qū)某水利設(shè)施采用了大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻，在質(zhì)量巡檢時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一年的時間，澆筑的部分墻段表面出現(xiàn)裂縫，敲之有空鼓聲，初步判斷墻體內(nèi)部存在不密實區(qū)域。由于預(yù)應(yīng)力混凝土立墻內(nèi)分布著縱橫交錯的鋼絞線和鋼筋，對電磁波和超聲波造成干擾，因而無法采用傳統(tǒng)的雷達法和超聲波等檢測方法進行檢測。對該工程問題進行詳細分析研究后，最終決定采用沖擊映像法這一新的檢測方法。

工程主體包括長640 m的4座雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻，每座立墻分16段，每段長40.0 m，厚0.7 m，高9.1 m。該水利設(shè)施設(shè)計流量大、水位深、高程大，設(shè)計流量為230 m3/s，加大流量為250 m3/s，最大流速為1.7 m/s，最高水位深7.1 m，設(shè)施離地面凈高約15 m，設(shè)施本身容積約10萬m3。

沖擊映像法檢測系統(tǒng)由激發(fā)器、檢波器、數(shù)據(jù)采集儀、電纜線、電源以及電腦構(gòu)成。激發(fā)器采用250 g重的鐵錘，檢波器內(nèi)部采用固有頻率為100 Hz的動圈式速度傳感器，數(shù)據(jù)采集儀為Geode 24道高精度寬頻帶地震儀，由美國Geomatrics公司生產(chǎn)，電源電壓為12 V。

3.2 測線布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設(shè)施的功能及墻體的構(gòu)造，在每一面待檢測的立墻上共布設(shè)七條測線，從下往上分別命名為測線0～測線6，測線0～測線2間距為0.5m，其余測線間距1.0 m，如圖5所示。以八字墻頂為零點，測線0～測線6各測線的高度分別為0.3 m，0.8 m，1.3 m，2.3 m，3.3 m，4.3 m和4.6 m。

所有測線長度均為40 m，在同一測線上，以0.2 m的間距布設(shè)檢測點。總共包括5段立墻，檢測面積為長×寬×立墻數(shù)×2面×段數(shù)=40 m×7.1 m×5(座)×2(面)×5(段)=14 200 m2，共布置測點54 600個。

為了滿足工程檢測速度的需要，經(jīng)過反復(fù)試驗，采用手持檢波器方式，即用力把檢波器的鐵釘垂直按壓在混凝土表面，可以較好地解決耦合性能和移動效率問題。該方法雖然增加了人體的抖動等產(chǎn)生的干擾，但由于干擾的頻率一般為數(shù)十赫茲以內(nèi)，而檢測信號最低也在數(shù)百赫茲以上，因此可以利用濾波器把人體抖動等干擾濾掉。利用檢波器手持方式，兩個人一天可檢測數(shù)百米長度的測線，較傳統(tǒng)的打孔或粘結(jié)劑方法，檢測效率提高10倍以上?，F(xiàn)場采集作業(yè)如圖6所示。

圖5 立墻結(jié)構(gòu)與檢測測線布置圖

圖6測線移動示意圖

3.3 檢測結(jié)果及驗證

圖7所示為記錄的彈性波波形例。采集到的波形數(shù)據(jù)分為兩種，第一種振幅大持時長，第二種振幅小持時短。在大振幅波形對應(yīng)的位置處激發(fā)彈性波，聲音較沉悶且存在空鼓聲，而小振幅波形對應(yīng)位置處，激發(fā)音清脆，說明該處墻體內(nèi)部密實。

圖7響應(yīng)波形例

圖8和圖9分別為墻體內(nèi)部裂縫分布狀況及取芯驗證照片，可以發(fā)現(xiàn)該墻體密實部分占75%，空鼓、裂縫部分占15%，還有10%的區(qū)域難以判斷。

圖8 墻體內(nèi)部裂縫分布

圖9裂縫區(qū)鉆芯取樣照片

為了檢驗檢測結(jié)果的正確性，對部分區(qū)域的墻體進行了取芯驗證。根據(jù)檢測結(jié)果總共設(shè)置59個取芯點，其中有11個布置在結(jié)果所確定的密實區(qū)，46個位于所確定的空鼓、裂縫區(qū)，2個布置在難于判斷的區(qū)域?？展摹⒘芽p區(qū)的46個取芯點中，有44個取芯成功，另外2個因鉆到鋼筋而終止。這46個芯樣都被確認存在空鼓裂縫現(xiàn)象。密實區(qū)的11個取芯點全部成功，且都沒有鉆遇裂縫。難于判斷的區(qū)域的2個取芯點，都成功取芯，且都確認存在裂縫，總準確率達到96.6%。

4 結(jié) 論

本文以某調(diào)水工程的大型雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻為背景，采用3維有限元數(shù)值模擬，研究了沖擊響應(yīng)波形與缺陷埋藏深度、大小、相對位置之間的關(guān)系和檢測精度等關(guān)鍵技術(shù)問題，為檢測結(jié)果的定量化解釋提供依據(jù)，并將其應(yīng)用于實際工程檢測中。

數(shù)值模擬計算表明，響應(yīng)波形平均振幅值與裂縫缺陷埋深程指數(shù)關(guān)系下降，同時，沖擊映像法可反映震源偏移距內(nèi)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合構(gòu)造信息，在滿足分辨率及檢測效率的要求下，震源偏移距應(yīng)盡可能地減小，確定的震源偏移距不宜大于預(yù)估裂縫缺陷寬度的1/2。

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