基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎(chǔ)無損檢測方法研究

梁慶國　張興森　梁世容　李君華

摘要：由于基礎(chǔ)缺陷引起的事故日益增多，基礎(chǔ)的安全性已經(jīng)逐漸引起了相關(guān)部門的重視。然而，對于已有淺埋混凝土基礎(chǔ)，常規(guī)的檢測方法不但會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次傷害，而且效率極低，不利于大規(guī)模的檢測。文章提出了基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎(chǔ)無損檢測技術(shù)，闡述了Rayleigh波法檢測淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸的原理，介紹了Rayleigh波法檢測淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸的流程，并通過對一淺埋混凝土基礎(chǔ)模型進行檢測試驗，驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：Rayleigh波;混凝土基礎(chǔ);無損檢測

中國分類號：U416.06文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

淺埋混凝土基礎(chǔ)在生產(chǎn)生活中十分常見[1-2]，由于該種類型基礎(chǔ)具有埋深淺、體積小的特點，其完整性直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全[3]。通過已有的倒塌事故發(fā)現(xiàn)[4]，其中很大一部分原因是基礎(chǔ)的破壞。而基礎(chǔ)的設(shè)計承載能力往往沒有問題，主要原因還是基礎(chǔ)本身存在缺陷，其中一個最主要的缺陷是基礎(chǔ)尺寸不滿足設(shè)計要求。例如，一些基礎(chǔ)由于施工不規(guī)范，底部呈現(xiàn)球形，導(dǎo)致基礎(chǔ)的承載能力大大降低，從而為事故埋下了隱患。因此，針對淺埋混凝土基礎(chǔ)的檢測已經(jīng)越來越受到相關(guān)部門的重視[5]。這種基礎(chǔ)大部分位于地下，目前對其進行檢測只能通過人工開挖的方式，但是這種檢測方式缺點十分明顯，其不但會對基礎(chǔ)產(chǎn)生二次破壞，還存在成本較高、效率低等問題，使得該方法不能滿足大規(guī)模的檢測需求。為了彌補現(xiàn)有淺埋混凝土基礎(chǔ)檢測技術(shù)的不足，迫切需要一種更加高效實用的檢測方法。

Rayleigh波法是一種新的無損檢測方法，具有操作方便、快捷、費用低以及測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點[6]，其已經(jīng)被廣泛地運用于路基質(zhì)量、隧道開挖等無損檢測中，然而，在淺埋混凝土基礎(chǔ)中的研究和應(yīng)用還未見發(fā)表。為此，本文將基于Rayleigh波法對淺埋混凝土基礎(chǔ)無損檢測技術(shù)開展研究，對Rayleigh波法測試淺埋混凝土基礎(chǔ)的基本原理進行分析，形成基于Rayleigh波法的淺埋混凝土無損檢測的測試流程，并通過試驗方法來驗證基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎(chǔ)無損檢測方法的可行性。

1 Reileigh波法用于淺埋混凝土基礎(chǔ)無損檢測的基本原理

Rayleigh波是一種沿地表傳播的彈性面波[7]，其具有如下特性：

（1）在不同的介質(zhì)傳播時，Rayleigh波具有頻散特性;

（2）Rayleigh波的波速和介質(zhì)的物理性質(zhì)密切相關(guān)。

這兩個特性為Rayleigh波在地質(zhì)勘探中提供了充足的理論依據(jù)。其波動方程[8]如下：

從波動方程可以看出，Rayleigh波速度和其傳播介質(zhì)的密度、泊松比密切相關(guān)，基于Rayleigh波在不同介質(zhì)中的傳播特性和彌散特性不同的特點，可以通過在淺埋混凝土基礎(chǔ)周圍測試Rayleigh波的彌散曲線，然后通過反演，獲得被測物及其周圍物體的波速分布。由于淺埋混凝土基礎(chǔ)一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而淺埋混凝土基礎(chǔ)周圍通常為巖石或者土，這兩種材料特性均與基礎(chǔ)存在較大差異，因此兩種介質(zhì)間就會存在明顯的波速突變，通過波速分布圖實現(xiàn)淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸的確定。

由此可見，利用Rayleigh波法實現(xiàn)對淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸的識別時，主要是利用淺埋混凝土基礎(chǔ)和其周圍介質(zhì)的密度不同，以及Rayleigh波速度的傳播速度與介質(zhì)密度密切相關(guān)的特性。若人為地在被測基礎(chǔ)附近施加一瞬時激振力時，必然會產(chǎn)生不同頻率的Rayleigh波，在基礎(chǔ)和基礎(chǔ)周圍介質(zhì)傳播后由布置在基礎(chǔ)及其周圍的傳感器接收，從而根據(jù)位置和接收時間確定出不同的波速。假設(shè)為了接收長度為nΔx范圍內(nèi)的Rayleigh波，提前在該范圍等間距Δx[WTBZ]布置n+1個檢波器，則相鄰檢波器接收到的Rayleigh波間隔為Δt，相位差為Δ，則在任意Δx內(nèi)的波速VR為：

通過式（4）和式（5），就可以在某一測量段得到不同頻率的波速，即得到一條頻散曲線VR-f，然后通過波速和地質(zhì)條件存在關(guān)系，對頻散曲線進行反演從而得到被測試范圍內(nèi)不同位置處的波速值。

在利用瞬態(tài)激振法進行測試時，相鄰測點需要有足夠的相位差，需滿足：

在一次瞬時激發(fā)時會發(fā)出各種頻率成分的地震波，而傳感器也將接收到各種頻率的信號，然后通過儀器進行逐個頻點變更及相應(yīng)的運算從而獲得想要的結(jié)果。

2 檢測方法

2.1 采集工作頻段的確定

在采用Rayleigh波進行測試時，需要提前設(shè)置采集工作頻段，因為不同的采集工作頻段所反映的是不同深度處的地層特性。Rayleigh波有效探測深度H和波長λR的關(guān)系采用改進的等效半空間法表示，即H、λR和轉(zhuǎn)化系數(shù)β的關(guān)系為：

由式（8）可知波長短的反映的是淺層特性，波長長的反映的是深層特性。而對于淺埋混凝土基礎(chǔ)一般埋深較小，因此一般為短波長。β與被測物體的泊松比μ直接相關(guān)[9]，如表1所示。

根據(jù)表1采用指數(shù)進行擬合得到β與μ的關(guān)系如下：

通過指數(shù)擬合，相關(guān)系數(shù)的平方和為0.996，因此可以采用上式計算任意泊松比下的波長深度轉(zhuǎn)化系數(shù)，如圖1所示。

通過式（11），就能根據(jù)測試基礎(chǔ)的實際情況設(shè)置合適的采集工作頻段。

2.2 檢測流程

在基于Rayleigh波法進行淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸確定時，主要包含五個步驟，分別如下：

（1）Rayleigh波探測的工作頻段確定

淺埋混凝土基礎(chǔ)一般埋深在3～8 m，因此可以把探測深度范圍H取為0.5～10 m，土的較低波速取為100 m/s，混凝土的波速上限取為3 000 m/s。因此，通過公式（11）得到Rayleigh波探測的工作頻段應(yīng)為6～4 700 Hz。

（2）基礎(chǔ)測點布置

根據(jù)設(shè)計資料確定出淺埋混凝土基礎(chǔ)的外輪廓。一般將淺埋混凝土基礎(chǔ)的外輪廓往外擴2 m形成檢測范圍，在檢測范圍內(nèi)布置多條測線，相鄰2條測線的距離范圍為0.1～0.3 m。

（3）數(shù)據(jù)采集

在檢測范圍外選取一個激發(fā)點，在激發(fā)點處產(chǎn)生激振信號并通過采集系統(tǒng)采集各個測點的Rayleigh波信號。激發(fā)點設(shè)置在距離最近測點5 m處，多次在同一點進行激振，也可以設(shè)置多個采集器以及與測點數(shù)量匹配的檢波器。根據(jù)采集到的各個測點的Rayleigh波信號，得到各個測點不同深度的Rayleigh波速度。

（4）數(shù)據(jù)計算、分析

基于各個測點的Rayleigh波速度得到各測點的Rayleigh波速度-深度曲線，并根據(jù)檢測范圍建立的x、y平面坐標(biāo)系得到各個測點的坐標(biāo)值，找到同一測線上相鄰2個測點同一深度的速度值，通過線性插值的方式得到各條測線下的速度分布云圖，進而獲得整個檢測范圍內(nèi)三維的Rayleigh波速度分布云圖。

（5）基礎(chǔ)尺寸

根據(jù)Rayleigh波速度分布云圖確定出淺埋混凝土基礎(chǔ)的Rayleigh波速度，進而在Rayleigh波速度分布云圖中確定與基礎(chǔ)的Rayleigh波速度相吻合的范圍，通過該范圍得到基礎(chǔ)的輪廓，進而確定出基礎(chǔ)的尺寸。

3 試驗驗證

某鋼筋混凝土基礎(chǔ)模型尺寸如下：長和寬均為0.4 m、高度為1.75 m，采用C25混凝土預(yù)制。采用先模板預(yù)制基礎(chǔ)，然后成孔吊裝，接著回填土形成最終的淺埋混凝土基礎(chǔ)。

將基礎(chǔ)的正方形中心設(shè)置為坐標(biāo)原點，采用石灰和皮尺在基礎(chǔ)周圍等間距地布置測線1至5，其中測線3與x軸重合，相鄰2條測線間距為0.3 m，在每條測線上等間距地布置5個測點，同一測線上相鄰2個測點間距為0.3 m，用石灰做上標(biāo)記。測點編號為：測線號-測點號，如1-2表示測線1上的2號測點，該測點坐標(biāo)為（-0.3，0.6，0）。激振點布置于離5-1測點5 m位置處（如圖2所示）。

3.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

（1）連接采集系統(tǒng)，打開采集器和無線傳輸DTU，設(shè)置Rayleigh波探測的工作頻段為6～4 700 Hz;

（2）將4個檢波器分別放置于1-1～1-4號測點，采用激振器在激振點處產(chǎn)生激振信號;

（3）采集器進行數(shù)據(jù)采集，采集時間持續(xù)10 s，數(shù)據(jù)將自動傳送到云端進行存儲;

（4）該批次采集完成后，將檢波器按順序移動到下一測點，重復(fù)步驟b和c，直到所有測點完成采集。

3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)采集完成后在就能在云端調(diào)取各個采集點沿z軸的波速分布（如圖3所示），圖中僅列出1-1、3-2、3-3、5-3測點的波速分布。

（2）通過公式（11）可以分別獲得測線1至5的x-z二維分布云圖，如3號測線的波速分布如圖4所示。由于Rayleigh波速度在不同介質(zhì)中傳播速度不同的理論依據(jù)，基礎(chǔ)與其周圍的土體性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致Rayleigh波速度不同。從圖4的速度云圖可知，區(qū)域2的速度分布與區(qū)域1的速度存在較大差異，而區(qū)域1內(nèi)的速度分布從中心向兩側(cè)漸變，因此可以判定區(qū)域1是淺埋混凝土基礎(chǔ)的速度分布，區(qū)域2是基礎(chǔ)兩側(cè)的土體中的速度分布，因此從區(qū)域1可以識別出該基礎(chǔ)的長為0.38 m，埋深（高）為1.73 m。同理，可從云圖中提取Rayleigh波速度的y-z二維分布云圖，進而識別出基礎(chǔ)寬度為0.38 m。

通過試驗可知：識別出的長、寬和高的誤差分別為5%、5%和1.1%，誤差較小，滿足檢測要求。

4 結(jié)語

本文進行了基于Reileigh波法的淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸無損檢測技術(shù)研究。試驗結(jié)果表明，通過本文方法檢測出的模型尺寸與實際尺寸吻合較好，偏差在工程允許的范圍，證明了本文提出的基于Reileigh波法的淺埋混凝土基礎(chǔ)尺寸無損檢測是可行的。

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