物探方法檢測(cè)混凝土質(zhì)量缺陷應(yīng)用及數(shù)據(jù)特征研究

左志軍，謝 琪，賈杰南

(1貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外各類混凝土原材料經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)與優(yōu)化，雖已經(jīng)具備相當(dāng)優(yōu)異的性能，但受施工工藝、施工環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)管理或其它不可控因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)工程均存在或多或少的質(zhì)量問題，諸如水電行業(yè)大壩面板脫空、灌注樁樁體離析、混凝土路面面板脫空等。由此引發(fā)的問題或大或小，但都不可忽視。因而，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物是否存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)是工程項(xiàng)目中非常重要的工作[1]。近年來，綜合物探技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為工程質(zhì)量檢測(cè)與工程勘察應(yīng)用方面的一個(gè)必然趨勢(shì)，其多種多樣的物探手段具有相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高工程質(zhì)量。目前，混凝土構(gòu)筑物檢測(cè)多采用的物探方法包括地質(zhì)雷達(dá)法、超聲橫波三維成像技術(shù)、聲波單面平測(cè)法、鉆孔全景數(shù)字成像技術(shù)、彈模及傳統(tǒng)取芯驗(yàn)證。雖在技術(shù)方法上已經(jīng)形成了較為完善的系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中，多采用其中某一種，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大[2]。本文通過對(duì)觀音灘水庫(kù)部分檢測(cè)數(shù)據(jù)分析為例，提供一種結(jié)合多種檢測(cè)手段的物探方法能夠有效提高檢測(cè)質(zhì)量，為相關(guān)技術(shù)工程應(yīng)用提供參考。

1 方法與原理概述

1.1 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是目前廣泛應(yīng)用于工程檢測(cè)方面的一種高效的檢測(cè)儀器。其利用高頻短脈沖向目標(biāo)體發(fā)射電磁波，經(jīng)目標(biāo)體反射至接收器，并以 “時(shí)～深” 剖面的彩色或波形顯示，具有精度高、影像直觀、探測(cè)效率高、現(xiàn)場(chǎng)工作靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[3]。在淺層、超淺層檢測(cè)目標(biāo)項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，工作原理見圖1。

圖1 混凝土面板脫空情況地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)示意圖

雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)儀器自動(dòng)采集導(dǎo)入電腦后，需經(jīng)過專業(yè)的濾波處理。在此過程中，需判別有效信號(hào)與干擾信號(hào)的區(qū)別，提高信噪比，優(yōu)化數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)而提高解譯質(zhì)量。

1.2 超聲橫波三維成像技術(shù)

超聲橫波成像技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)精度高的特點(diǎn)。但該技術(shù)測(cè)試效率相對(duì)較低、成本較高，不適合用于大規(guī)模的質(zhì)量檢測(cè)，多作為其它檢測(cè)手段的一種復(fù)核手段。多數(shù)情況下，混凝土工程存在大量的鋼筋結(jié)構(gòu)，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)成果造成了較大的干擾，為防止地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果漏判或誤判，采用該方法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果進(jìn)行校驗(yàn)。本文以俄羅斯生產(chǎn)的MIRA超聲儀為例，系統(tǒng)基于超聲橫波反射法原理見圖2。

圖2 超聲反射法原理

儀器內(nèi)的控制單元將一行換能器用作發(fā)射器，其它行的換能器用作接收器。圖2顯示了將第一行換能器用作發(fā)射器，將其余行的換能器用作接收器。然后，將下一行換能器用于發(fā)射，其余各行的換能器用于接收，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行直到前11列都被用作過發(fā)射器為止。電腦處理每個(gè)回波脈沖的通過時(shí)間，生成反射界面位置的模型，從而確定反射界面的深度或厚度[4，5]。

1.3 聲波單面平測(cè)法

聲波單面平測(cè)法基于瑞利波的衰減及衍射特性來測(cè)試混凝土構(gòu)筑物中的裂縫深度。該方法特點(diǎn)是測(cè)試范圍較大，受環(huán)境影響程度小，在含水或鋼筋較多的情況下，適應(yīng)性好，特別適合測(cè)試較深的裂縫。通過系統(tǒng)修正瑞利波在傳播過程中所發(fā)生的幾何衰減和材料衰減，則可以保持其振幅不變。當(dāng)波在傳播過程中遇到裂縫，其傳播連續(xù)性在一定程度上斷開，通過裂縫波的能量和振幅會(huì)減少?；诖耍罁?jù)裂縫前后的波的振幅的變化，便可以推算裂縫深度[6]。根據(jù)試驗(yàn)資料和理論分析結(jié)果，計(jì)算公式如下：

H=-0.7429Aln(B)

(1)

式中：H為裂縫深度；B為表面波波速；A為裂縫后/前的振幅比(經(jīng)幾何衰減訂正)。

該方法典型特征波形見圖4。

圖3 聲波單面平測(cè)法傳播原理圖

2 實(shí)例應(yīng)用與分析

2.1 實(shí)例應(yīng)用

本文以德江縣觀音灘水庫(kù)物探檢測(cè)為例。水庫(kù)位于貴州省德江縣龍泉鄉(xiāng)敖家河上游段，工程所在地距離德江縣城約6km，是德江縣“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目骨干水源工程，水庫(kù)總投資3.718 6億元，水庫(kù)規(guī)模為中型Ⅲ。

水庫(kù)各類工程建設(shè)內(nèi)容包含擋、取、泄、沖水建筑物、輸水管線及提水泵站，混凝土結(jié)構(gòu)眾多。檢測(cè)項(xiàng)目為混凝土壩面板底脫空、壩體裂縫發(fā)育狀況，包含裂縫發(fā)育位置、形態(tài)、大小。其中檢測(cè)主要位置包含大壩面板及溢洪道，具體檢測(cè)項(xiàng)目見表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

2.2 雷達(dá)成果與超聲橫波成果分析

2.2.1 查明大壩面板底脫空位置與其形態(tài)

查明板底脫空主要選用地質(zhì)雷達(dá)及超聲橫波三維成像技術(shù)，選用MZY-2+050～MZY-2+060段面板檢測(cè)“異?！睍r(shí)雷達(dá)與超聲橫波圖像(圖4、圖5)舉例如下：

圖4 地質(zhì)雷達(dá)成果板底脫空典型異常圖

圖5 超聲橫波板底脫空典型“異?！眻D

雷達(dá)解譯：圖4中表現(xiàn)出兩處明顯“異?！?，圖中標(biāo)注深度分別為0.25～0.30 m與0.42～0.50 m位置，與設(shè)計(jì)資料中鋼筋網(wǎng)埋深及大壩面板厚度分別對(duì)應(yīng)。而在圖4中圈劃處存在一處“異?！?，埋深在0.55～0.60 m處，可解譯為較嚴(yán)重板底脫空。由于雷達(dá)信號(hào)對(duì)“異常”具有放大作用，圖中“異常”表現(xiàn)需進(jìn)行一定程度的折減，大致脫空厚度約0.05 m。

超聲橫波解譯：對(duì)比雷達(dá)圖，超聲橫波成圖明顯質(zhì)量更佳，因而解譯結(jié)果更為可靠。在圖5同樣位置鋼筋網(wǎng)層 “異?！北憩F(xiàn)為“點(diǎn)狀～似點(diǎn)狀”，總體呈串珠狀分布。面板板底位置“異?！背省伴L(zhǎng)條狀”似連續(xù)分布。圖5中標(biāo)注脫空區(qū)域呈上彎形凹陷狀，應(yīng)為面板澆筑完成后，壩體自重作用下局部的陷落導(dǎo)致脫空。

2.2.2 混凝土厚度與裂縫識(shí)別判定

聲波單面平測(cè)法解譯：該方法解譯較為簡(jiǎn)單，以波形變化特征判定，參考章節(jié)1.3。

平測(cè)法測(cè)量布置方式主要為兩種，投影法及反相法，其各有優(yōu)缺點(diǎn)。投影法操作簡(jiǎn)單，通過兩次跨縫量測(cè)，構(gòu)建方程組，進(jìn)而求出波速與裂縫垂直深度。反相法適用性較差，但不需要讀取聲波傳播的聲時(shí)，較為準(zhǔn)確，本次測(cè)量采用投影法。

部分成果見表2。

表2 聲波單面平測(cè)法成果表

取芯驗(yàn)證見圖6。

圖6 取芯實(shí)物圖

超聲橫波法解譯：儀器在沿著所有掃描線取得數(shù)據(jù)后，采用合成孔徑聚焦技術(shù)的處理方法來重建混凝土構(gòu)件內(nèi)部的三維斷層圖像。簡(jiǎn)單地說，構(gòu)件被細(xì)分為許多小體積元，根據(jù)脈沖到達(dá)時(shí)間和發(fā)射器-接收器對(duì)的已知位置，可以得到反射界面的深度。由于波束的路徑是傾斜的，反射體的深度根據(jù)直角三角形三邊長(zhǎng)度的關(guān)系算出。在進(jìn)行檢測(cè)活動(dòng)時(shí)須考慮波速與頻率兩個(gè)參數(shù)的選取，當(dāng)計(jì)算波速與實(shí)際波速偏差較大時(shí)，不僅可能導(dǎo)致對(duì)缺陷無法識(shí)別，對(duì)缺陷的成像深度與實(shí)際情況也會(huì)出現(xiàn)較大偏差；現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土橫波速度進(jìn)行多次采樣測(cè)試，并選用合適統(tǒng)計(jì)特征值。探測(cè)頻率選取應(yīng)基于現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)試，不同探測(cè)頻率對(duì)于差異埋深和尺寸缺陷的判定能力差別較大，工作前應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件預(yù)估和試驗(yàn)方式確定合適的探測(cè)頻率。圖7、圖8為觀音灘水庫(kù)部分超聲橫波成像三維成果圖與實(shí)物圖。

圖7 超聲橫波三維成像成果圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)裂縫實(shí)物圖

鋼筋在超聲橫波三維剖面成像圖中于埋深0.25 m位置存在多處清晰的“長(zhǎng)條狀”鋼筋反應(yīng)，并顯示其間距約為0.20～0.25 m。部分區(qū)域異常圖像成片狀分布，解譯為鋼筋與混凝土接觸不密實(shí)帶。壩面混凝土在聲波單面平測(cè)法檢測(cè)基礎(chǔ)上使用超聲橫波三維成像，復(fù)核裂縫發(fā)育可能性并采用取芯法驗(yàn)證，效果良好。

解譯思路：壩體與混凝土壩面底部接觸帶物理性質(zhì)差異引起突變異常在排除以上情況下，圖中反應(yīng)其它“異?！奔纯沙醪脚卸榛炷翝仓|(zhì)量缺陷。同時(shí)對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，超聲橫波法成果圖像反應(yīng)壩面脫空“異?！本邆漭^為明顯的優(yōu)勢(shì)，成圖質(zhì)量更好。超聲橫波三維成像物探檢測(cè)在鋼筋混凝土表面上測(cè)試時(shí)，根據(jù)應(yīng)力波在不同介質(zhì)的傳播速度不相同的特點(diǎn)，應(yīng)力波在鋼筋混凝土里面中不同界面會(huì)發(fā)生反射，其界面以下其他深度的紅色部位即為混凝土與底部擠壓邊墻接觸不密實(shí)。

在實(shí)際操作過程中，對(duì)于各類檢測(cè)技術(shù)方法首先需要考慮的是場(chǎng)地條件對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)合各類資料對(duì)檢測(cè)成果進(jìn)行解譯，才能最大限度增加解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

1) 多種物探手段綜合應(yīng)用在檢測(cè)混凝土澆筑質(zhì)量時(shí)，在檢測(cè)成本方面，具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)；在成果質(zhì)量方面起到相互驗(yàn)證、相互輔助的作用，可為混凝土澆筑質(zhì)量問題確定缺陷存在的范圍。

2) 在進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，要充分考慮到檢測(cè)目標(biāo)本身的基本情況，結(jié)合相關(guān)資料可以大大提高物探成果解譯的準(zhǔn)確度。

3) 超聲橫波技術(shù)在檢測(cè)混凝土中具有明顯的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，但其低效的特點(diǎn)限制了其應(yīng)用，優(yōu)化其數(shù)據(jù)采集方式是未來該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。