沖擊彈性波定位法在預(yù)應(yīng)力孔道注漿中的應(yīng)用

景明成 丁文海 林燕生

摘? 要：預(yù)應(yīng)力混凝土梁因其經(jīng)濟(jì)性和安全性在橋梁工程中得以廣泛應(yīng)用。其中孔道注漿密實(shí)度在很大程度上決定了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的承載力和耐久性。本文通過(guò)分析現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)方法，并結(jié)合沖擊彈性波的多種檢測(cè)方法，如：沖擊回波法、沖擊回波等效波速法等，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力梁孔道注漿密實(shí)度的定位檢測(cè)并評(píng)價(jià)分析。同時(shí)，依托實(shí)際工程，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并提出解決方案。結(jié)果表明該方法，在對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿檢測(cè)試驗(yàn)中，效率高、精度好，為預(yù)應(yīng)力橋梁的檢測(cè)提供了有效、可靠的檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：沖擊回波法;沖擊回波等效波速法;沖擊彈性波法;超聲波法

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.57? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在公路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到輕軌建設(shè)、高層建筑、基礎(chǔ)工程等新領(lǐng)域，所以對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)孔道注漿質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。而目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)統(tǒng)一規(guī)范因此造成實(shí)際使用方法良莠不齊，難以辨識(shí)其精度和準(zhǔn)確性?，F(xiàn)針對(duì)工程中常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行介紹，并通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合詳細(xì)分析沖擊彈性波法在預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)性檢測(cè)中的應(yīng)用原理和優(yōu)勢(shì)。

1 常見(jiàn)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比

現(xiàn)有注漿密實(shí)度檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)發(fā)了多種方法。按測(cè)試所采用的媒介來(lái)分，大致可以分為：

1.1 鉆芯、鉆孔檢測(cè)

鉆芯、鉆孔由于其客觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、快速直接而無(wú)法替代。但該方法屬于局部破損檢測(cè)方法，由于其工作量大、效率低、費(fèi)用較高、容易對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束造成損傷破壞結(jié)構(gòu)等因素，無(wú)法大面積的檢測(cè)，常用于作為無(wú)損檢測(cè)方法或者對(duì)有疑問(wèn)的位置進(jìn)行驗(yàn)證的輔助手段。

1.2 基于電磁波的檢測(cè)方法

地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查、隧道襯砌檢測(cè)、路基路面檢測(cè)等區(qū)域廣泛應(yīng)用。其基本原理是利用電磁波反射，因此其具有精度高、檢測(cè)速度快，可以直觀出圖等優(yōu)點(diǎn)。但由于其受金屬屏蔽作用影響，對(duì)于橋梁大部分位置鋼筋密集、雙層鋼筋，而且如波紋管為金屬材料，探地雷達(dá)受金屬影響較大的無(wú)法有效應(yīng)用該方法。

1.3 基于超聲波的檢測(cè)方法

超聲波法非金屬試驗(yàn)，目前在樁基里應(yīng)用較多，其主要利用材料的阻抗差異進(jìn)行測(cè)試。梁的孔道結(jié)構(gòu)尺寸較大，需要從板的兩面對(duì)測(cè)，而且需要耦合，因此作業(yè)性差，效率低，難以實(shí)用。另外，因超聲波頻率更高，對(duì)于微小的混凝土內(nèi)部缺陷也比較敏感，更增加其測(cè)試難度[1]。

1.4 基于放射線的檢測(cè)方法

根據(jù)該方法判明的注漿空洞大小和位置，與梁體局部解剖結(jié)果一致。但射線成像法使用的儀器較為昂貴，且對(duì)人體有害，在檢測(cè)時(shí)需要確保一定的安全范圍，但其穿透能力有限，雖結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，但在實(shí)際工程中可行性較差。

針對(duì)其他無(wú)損檢測(cè)方法的局限性和適用性，本文提出基于沖擊彈性波的檢測(cè)方法：沖擊彈性波的基本性質(zhì)與超聲波類(lèi)似，但由于其能量大、頻率低、透過(guò)性好，可測(cè)試大體積結(jié)構(gòu)，受鋼筋等影響很小，并適合于頻譜分析，同時(shí)填補(bǔ)了雷達(dá)和超聲法的局限范圍，因此在土木檢測(cè)工程中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)，沿孔道位置在側(cè)壁進(jìn)行逐點(diǎn)敲擊，通過(guò)回波進(jìn)行分析，便可快速得出結(jié)果。因此具有其他各方法所無(wú)法代替的優(yōu)勢(shì)。該方法也被認(rèn)為是最有前景的方法。

2沖擊彈性波定位檢測(cè)法

2.1測(cè)試原理

定位檢測(cè)是利用人工激發(fā)的彈性波在不同彈性力學(xué)介質(zhì)中傳播規(guī)律的不同，研究對(duì)應(yīng)介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)的一種間接物理測(cè)試方法[2]。該方法基于彈性波運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用多向介質(zhì)彈性和密度的差異，通過(guò)觀測(cè)和分析評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)人工激發(fā)彈性波的響應(yīng)，推斷響應(yīng)介質(zhì)的性質(zhì)和形態(tài)。定位檢測(cè)包括三種分析方法：（1）激振的彈性波在缺陷處會(huì)產(chǎn)生反射，即沖擊回波法;（2）激振的彈性波經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，從梁板對(duì)面反射回所用時(shí)間比灌漿密實(shí)的位置長(zhǎng)[3]，其等效波速變慢，即沖擊回波等效波速法;（3）當(dāng)激振信號(hào)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的半波長(zhǎng)與缺陷的埋深接近時(shí)，缺陷反射與自由振動(dòng)可能產(chǎn)生共振的現(xiàn)象，使得自由振動(dòng)的半波長(zhǎng)趨近于缺陷埋深，即沖擊回波共振偏移法。

上述三種方法均采用同一數(shù)據(jù)和同一頻譜分析，僅在云圖判讀上有所不同。一般而言，IE法是基礎(chǔ)，適合于徑深比加大的情形。IEEV法適合于壁厚較小，底部反射明顯的情形。而IERS法則相反，適合于壁厚較大，底部反射不明顯的情形。

2.2檢測(cè)方法

沿孔道軸線的位置，以?huà)呙璧男问街瘘c(diǎn)進(jìn)行激振和接收信號(hào)。通過(guò)分析激振信號(hào)從波紋管以及對(duì)面梁板側(cè)反射信號(hào)的有無(wú)、強(qiáng)弱、傳播時(shí)間等特性，來(lái)判斷測(cè)試點(diǎn)下方波紋管內(nèi)缺陷的有無(wú)及類(lèi)型。

3 應(yīng)用難點(diǎn)和解決方案

3.1應(yīng)用難點(diǎn)

根據(jù)預(yù)應(yīng)力孔道注漿工藝，因漿料自重等問(wèn)題，孔道的高處最容易出現(xiàn)問(wèn)題。而且因施工時(shí)振搗等問(wèn)題，有可能使波紋管位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致后期檢測(cè)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確定位孔道，增加檢測(cè)難度。

對(duì)于預(yù)制箱梁，其底板可能為雙排孔道，或者整體厚度較大，類(lèi)似于現(xiàn)澆梁的情況，即整體梁板厚度大于0.8米，而且可能有多孔道并排。這樣常規(guī)的沖擊回波法可能因尺寸過(guò)大，無(wú)法看到板底有效反射，而且多孔道如果存在注漿缺陷無(wú)法區(qū)分判定。

在交通工程中，孔道主要采用兩類(lèi)波紋管，即鐵皮和PVC波紋管。盡管PVC波紋管在與混凝土間粘結(jié)性能等方面要低于鐵皮波紋管，但由于其施工方便也有廣泛的應(yīng)用。由于阻抗的關(guān)系，兩類(lèi)波紋管對(duì)彈性波的反射不同，從而對(duì)灌漿密實(shí)度缺陷的檢測(cè)也有一定的影響。

3.2解決方案

（1）定位測(cè)試中等效波速法。該方法常用于壁厚較小，底部反射明顯時(shí)。即當(dāng)存在灌漿缺陷時(shí)，彈性波波線（或部分）傳播距離增加，時(shí)間延長(zhǎng)。

對(duì)于位于梁中央的全空管，在其中心投影點(diǎn)激振，其從對(duì)向反射回來(lái)的最長(zhǎng)和最短路徑分別為：

若不考慮波紋管材質(zhì)的影響，則在典型工況下，全空管造成的等效波速的滯后為（如表1）：

對(duì)于局部缺陷（如半空），測(cè)試方向的影響很大。若從上、下方向測(cè)試，半空管的反應(yīng)與全空相同。而從水平方向測(cè)試，則半空缺陷造成的等效波速的滯后要小于全空。因此，即使灌漿缺陷僅為局部，或者測(cè)線不在缺陷的正上方也可進(jìn)行判定[4]。

（2）定位測(cè)試中共振偏移法。該方法常用于現(xiàn)澆梁壁厚較大或者多個(gè)孔道并排的情況。只需設(shè)置孔道埋深和波紋管直徑，用于分析孔道上方自振周期。對(duì)于通常的預(yù)應(yīng)力混凝土梁（C50），各激振錘得到的彈性波自振周期大約為（如表2）：

因此，在孔道上面測(cè)得的自振周期與灌漿密實(shí)部位或混凝土中測(cè)得的自振周期有所變化，且其對(duì)應(yīng)反射深度與孔道埋深接近時(shí)，表明孔道灌漿有缺陷。

當(dāng)測(cè)試結(jié)構(gòu)厚度較厚，難以采用等效波速法時(shí)，可采用本方法。其中，激振錘的選取十分重要，應(yīng)盡量選取與孔道埋深相對(duì)應(yīng)的激振錘，使得激發(fā)的彈性波頻率與孔道的反射頻率相近卻又不完全相同，此時(shí)的測(cè)定效果最為理想[5]。

（3）定位測(cè)試中波紋管類(lèi)型的優(yōu)化。根據(jù)彈性波的反射理論，機(jī)械阻抗的變化[6]決定了反射信號(hào)大小和相位（如圖1）。鐵皮管壁、PVC管壁、混凝土、缺陷的阻抗的大小順序?yàn)椋鸿F皮>混凝土>PVC>缺陷空洞。因此，鐵皮波紋管處對(duì)彈性波是逆向反射，PVC和缺陷則是正向反射。由于管壁很薄，會(huì)出現(xiàn)鐵皮波紋管的反射和缺陷處的反射互相抵消，而PVC與缺陷的反射則是相互增強(qiáng)的現(xiàn)象（如表3）。

所以，不能僅憑缺陷處的反射信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)判斷，而是要結(jié)合等效波速法，即梁板對(duì)面反射信號(hào)的傳播時(shí)間進(jìn)行綜合考慮。

4 檢測(cè)應(yīng)用

4.1灌漿檢測(cè)實(shí)例一

對(duì)在建公路大橋預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行灌漿密實(shí)度缺陷定位檢測(cè)。測(cè)試孔道壁厚為20cm，測(cè)試采用17錘及帶阻尼控制裝置的傳感器。

首先采用逐點(diǎn)線性測(cè)試密實(shí)孔道或無(wú)孔道位置的混凝土，測(cè)試等值線云圖（如圖2）所示，橫坐標(biāo)為反射時(shí)間或?qū)?yīng)厚度，縱坐標(biāo)為測(cè)試長(zhǎng)度，暖色表示反射信號(hào)，色彩越暖即越偏向紅色表示反射信號(hào)越強(qiáng)?？梢?jiàn)標(biāo)定信號(hào)規(guī)則，梁板對(duì)面反射信號(hào)明顯，測(cè)試厚度與實(shí)際厚度基本一致，即測(cè)試反射時(shí)間與實(shí)際厚度反射時(shí)間基本一致。以此作為判定標(biāo)準(zhǔn)，并以藍(lán)色標(biāo)線表示。

圖2 定位標(biāo)定圖

對(duì)灌漿質(zhì)量未知的孔道位置進(jìn)行定位檢測(cè)，（如圖3）左所示，反射信號(hào)相較于標(biāo)定線明顯出現(xiàn)延遲偏移，可判定該測(cè)試段存在灌漿質(zhì)量缺陷。鉆孔驗(yàn)證如圖6右所示，孔道波紋管內(nèi)僅有少量灌漿料。

4.2灌漿檢測(cè)實(shí)例二

對(duì)公路橋梁在建項(xiàng)目進(jìn)行灌漿定位檢測(cè)。30米箱梁，塑料波紋管直徑55毫米，梁體和灌漿料強(qiáng)度為C50。每個(gè)孔道從距端頭0.1米開(kāi)始測(cè)試，間隔0.2米測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，梁端起0.1米至2.7米腹板厚度為0.3米漸變至0.18米;梁端起2.7米至3.7米腹板厚度為0.18米。

首先進(jìn)行線性標(biāo)定（如圖4），反射信號(hào)云圖明顯展示了梁板厚度漸變特征，且信號(hào)規(guī)則。

對(duì)灌漿質(zhì)量未知的孔道位置進(jìn)行定位檢測(cè)，（如圖5）左所示，反射信號(hào)相較于標(biāo)定線明顯出現(xiàn)延遲偏移，判定該測(cè)試段存在灌漿質(zhì)量缺陷。鉆孔驗(yàn)證（如圖5）右所示，孔道波紋管內(nèi)灌漿不飽滿(mǎn)或存在松散現(xiàn)象。

4.3 定位灌漿質(zhì)量的評(píng)價(jià)

灌漿質(zhì)量檢測(cè)目前沒(méi)有正式頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，雖然有山西、福建、浙江等地頒布的地方標(biāo)準(zhǔn)，但各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定位檢測(cè)最終評(píng)價(jià)并不統(tǒng)一。在課題組所處的甘肅更是沒(méi)有地方標(biāo)準(zhǔn)，鑒于此課題組在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并參考已頒布的地方標(biāo)準(zhǔn)，提出灌漿質(zhì)量定位評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]。利用定位測(cè)試中缺陷的比例，即灌漿密實(shí)度指數(shù)來(lái)對(duì)孔道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其中：為定位測(cè)試的點(diǎn)數(shù)：為測(cè)點(diǎn)的灌漿狀態(tài)，即良好：1，小規(guī)?？斩椿蛩缮⑿涂斩矗?.5，大規(guī)?？斩矗?。

采用灌漿密實(shí)度指數(shù)時(shí)，要注意測(cè)點(diǎn)選取位置以及測(cè)點(diǎn)數(shù)的影響。在實(shí)際測(cè)試中，可以對(duì)孔道全長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)易于出現(xiàn)缺陷的區(qū)域進(jìn)行局部抽檢。顯然，對(duì)孔道全長(zhǎng)的檢測(cè)得到的會(huì)低于局部抽檢得到的值，因此，當(dāng)采用局部抽檢對(duì)孔道全長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)做相應(yīng)的修正。

5 結(jié)語(yǔ)

沖擊彈性波定位檢測(cè)方法在實(shí)際檢測(cè)中只需一個(gè)側(cè)面，可以不使用耦合劑，現(xiàn)場(chǎng)只需對(duì)孔道定位即可快速測(cè)試。而且在孔道出現(xiàn)偏移、更換波紋管材質(zhì)時(shí)均可進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了應(yīng)用范圍。另外因一般檢測(cè)對(duì)混凝土要求較高，需保證混凝土質(zhì)量相對(duì)較好，否則混凝土中缺陷對(duì)結(jié)果影響較大。而沖擊彈性波定位法因其頻率低、波長(zhǎng)較大、能量大，相對(duì)其它方法受混凝土的影響更小，有利于對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行判斷。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同結(jié)構(gòu)情況，采用不同的方法進(jìn)行分析。對(duì)于一般預(yù)制梁，因其壁厚小、單排孔道，直接用沖擊回波和等效波速法進(jìn)行分析，并可以用波速和頻譜分別判斷評(píng)價(jià);而現(xiàn)澆梁中壁厚大、多排孔道等情況，通過(guò)共振偏移法判斷其自振周期也能快速進(jìn)行分析。

通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)大量預(yù)制梁和現(xiàn)澆梁的反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，配合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，均能很好的測(cè)試判斷出灌漿缺陷，并可以滿(mǎn)足施工控制要求精度，也根據(jù)缺陷情況進(jìn)行梁體的灌漿質(zhì)量評(píng)價(jià)。為預(yù)應(yīng)力梁的施工質(zhì)量控制提供了快速、準(zhǔn)確的無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)運(yùn)營(yíng)中橋梁的安全行車(chē)給予安全保障。

參考文獻(xiàn)

[1]劉洋希.基于沖擊回波法的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量檢測(cè)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[2]楊超，季文洪.后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的孔道壓漿研究[C].預(yù)應(yīng)力上海論壇學(xué)術(shù)論文集，2009：284-289.

[3]周先雁，欒健，王智豐.橋梁箱梁孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)中沖擊回波法的應(yīng)用[J].中南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（10）：78-82.

[4]山西省交通科學(xué)研究院，橋梁預(yù)應(yīng)力孔道施工質(zhì)量隱患無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用研究[R].山西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目報(bào)告，2014.01.

[5]吳佳曄，張志國(guó)，高峰編著.土木工程檢測(cè)與測(cè)試[M].高等教育出版社，2015年2月.

[6]楊海林.沖擊回波法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力孔道注漿的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2014.

[7]葉見(jiàn)曙，張峰.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁調(diào)查研究報(bào)告[R].東南大學(xué)交通學(xué)院橋梁與隧道研究所，2004.

收稿日期：2019-10-12

作者簡(jiǎn)介：景明成（1976—），男，甘肅民勤人，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：公路工程試驗(yàn)檢測(cè)及新技術(shù)。

Application of Shock Elastic Wave Location Method in Prestressed Duct Grouting

JING Mingcheng，DING Wenhai，LIN Yansheng

（Gansu Road and Bridge Engineering Inspection Co. ， Ltd.， Lanzhou? Gansu? 730050）

Abstract： Prestressed concrete are widely used in bridge engineering because of their excellent economy and safety. Among them， the hole grouting density determines the bearing capacity and durability of the prestressed concrete bridge to a great extent. In this paper， the existing non-destructive testing methods are analyzed， and several testing methods of shock elastic wave， such as shock-echo method， shock-echo equivalent velocity method， etc. ， the location detection and evaluation analysis of grouting compactness of the pre-stressed beam hole are carried out. At the same time， on the basis of actual projects， field verification， analysis of its advantages and disadvantages and proposed solutions. The results show that this method has high efficiency and high precision in the grouting test of pre-stressed tunnel， and provides an effective and reliable test method for pre-stressed bridge.

Keywords：Shock Echo method;Equivalent wave velocity method of shock echo;Shock wave method;Ultrasonic method