大跨度混凝土渡槽施工裂紋深度檢測(cè)方法研究

李 果

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中混凝土建筑物應(yīng)用廣泛，但由于混凝土自身在施工過(guò)程中出現(xiàn)施工工藝不合理，或是在施工過(guò)程中由于水泥水化而產(chǎn)生的溫度變形都容易使混凝土建筑出現(xiàn)裂紋[1-2]。廣西桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)屬大型灌區(qū)，其二期工程建設(shè)項(xiàng)目南干渠灌片，由于其地形地貌以及水文地質(zhì)條件的特殊性，在建設(shè)過(guò)程中采用了大跨度混凝土渡槽施工技術(shù)。由于混凝土具有抗壓、不抗拉的特性，產(chǎn)生的裂紋是永久性的，為混凝土結(jié)構(gòu)埋下了一定的隱患。混凝土進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，多使用混凝土內(nèi)部裂紋無(wú)損檢測(cè)方法，例如超聲波回彈綜合法、探地雷達(dá)等。但是由于桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)工程中的大跨度混凝土渡槽立墻中存在縱橫交錯(cuò)的鋼筋和絞線(xiàn)，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)方法中的超聲波產(chǎn)生一定的干擾，造成裂紋深度檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，本文設(shè)計(jì)一種基于沖擊反射的混凝土渡槽施工裂紋深度檢測(cè)方法。

1 大跨度混凝土渡槽施工裂紋深度檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的裂紋深度檢測(cè)方法中，檢測(cè)儀器的工作主要基于沖擊反射原理，使用沖擊錘撞擊混凝土構(gòu)件后，產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊波，也叫作彈性波。在沖擊錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，包含一個(gè)加速度傳感器，能夠記錄下檢測(cè)過(guò)程中的敲擊彈性波形[3-4]。震源發(fā)出的彈性波會(huì)以混凝土試件為傳播介質(zhì)，沿著內(nèi)部或表面進(jìn)行傳播，從試件表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ㄗ罱K由檢波器接收；另一部分彈性波會(huì)在混凝土構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行傳播，最檢波器接收到彈性波信號(hào)后傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，接收到的信號(hào)在儀器內(nèi)部經(jīng)過(guò)一系列的換算和放大，通過(guò)數(shù)字的方式在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行顯示。檢測(cè)儀器的連接見(jiàn)圖1。

圖1 沖擊反射法的檢測(cè)儀器連接示意圖

從圖1可看出，檢測(cè)儀器的主要由檢波器、沖擊振源、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電纜以及筆記本電腦構(gòu)成[5-6]。檢測(cè)結(jié)構(gòu)主要包含彈性波激發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收等功能。檢波器內(nèi)部采用的是100Hz固定頻率的動(dòng)圈加速度傳感器，沖擊錘為質(zhì)量為0.2kg的鋼錘或鋼球，數(shù)模轉(zhuǎn)換器為Geode 24道高精度寬頻帶地震儀，帶有24bit-模數(shù)轉(zhuǎn)換，其低截頻為1.75Hz，高截頻可以達(dá)到20000Hz。撞擊激發(fā)的包括超聲波在內(nèi)的相關(guān)彈性波頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，并具有很大能量，我們將其稱(chēng)之為基波?；炷猎嚰?nèi)部一般為不均勻介質(zhì)，基波在傳輸?shù)倪^(guò)程中也不會(huì)發(fā)生射散的現(xiàn)象，因此具有較長(zhǎng)的傳輸距離[7-8]。在錘子或鋼球進(jìn)行激振時(shí)，彈性沖擊力與試件的關(guān)系可以通過(guò)下式進(jìn)行描述：

(1)

其中，tc為鋼球與混凝土試件的接觸時(shí)間，該試件的長(zhǎng)短決定了應(yīng)力波的頻率大小，時(shí)間越短頻率越高。上述參數(shù)對(duì)于混凝土試件的淺層以及一些較小尺寸的裂紋檢測(cè)來(lái)說(shuō)比較重要，tc的主要影響因素主要是鋼球的半徑，兩者存在以下關(guān)系：

(2)

式中K——系數(shù)，該系數(shù)由兩種接觸物質(zhì)的泊松比與楊氏模量來(lái)決定[9-10]；

R——鋼球半徑；

h——鋼球與混凝土試件撞擊面的距離。

至此完成檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 裂紋建模與數(shù)據(jù)處理

為了深入探究裂紋深度以及形狀對(duì)于沖擊波傳輸?shù)挠绊?，?duì)混凝土試件中的裂紋進(jìn)行建模計(jì)算[11-12]。沖擊波在混凝土介質(zhì)中遇到裂紋后，其傳輸界面即不連續(xù)界面，在建模過(guò)程中將其簡(jiǎn)化為層狀的介質(zhì)模型，研究沖擊波在混凝土—裂紋交界處的傳輸走向(見(jiàn)圖2)。

圖2 沖擊波在混凝土裂縫傳播特性

沖擊波中包含橫波與縱波，由計(jì)算可知，混凝土裂縫部分波的阻抗性大于其他部分，也就是說(shuō)，沖擊波在經(jīng)過(guò)裂紋部分時(shí)，會(huì)形成一定的反射，在其表面可以接收到比較明顯的反射回波[13-14]。這主要是由于沖擊反射法在檢測(cè)裂縫的過(guò)程中，波動(dòng)場(chǎng)會(huì)隨著地下介質(zhì)的微小變化而發(fā)生改變(見(jiàn)圖3)。

圖3 裂縫檢測(cè)示意圖

在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)于混凝土上的一點(diǎn)施加振動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)固定的偏移距離的位置進(jìn)行波形接收。當(dāng)波在介質(zhì)中傳播中遇到裂紋時(shí)，介質(zhì)產(chǎn)生了變化，因而波也會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行處理(見(jiàn)圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程

在圖4所示的數(shù)據(jù)分析流程中，通過(guò)對(duì)存在缺陷的數(shù)值進(jìn)行定義，生成缺陷判斷標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度得到平面分布圖。

1.3 裂紋深度檢測(cè)與計(jì)算

在完成波數(shù)據(jù)接收之后，當(dāng)已知裂紋到敲擊點(diǎn)的距離與裂紋到傳感器的距離，且敲擊的時(shí)刻與P波到達(dá)傳感器的時(shí)刻之差也通過(guò)數(shù)據(jù)采集而獲取到具體的值，那么渡槽施工的裂紋就可以通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)。P波從發(fā)射到接收之間的傳播時(shí)間可以記作Δt，裂紋的深度可以通過(guò)下列公式求出：

(3)

式中Lab——波探測(cè)到裂紋前的傳輸距離；

Lbc——波探測(cè)到裂紋后的傳輸距離；

H1——敲擊點(diǎn)到裂紋的距離；

D——裂紋深度；

H2——傳感器到裂紋的距離；

CP——P波的傳輸速度。

將上式進(jìn)行整理，可以得到

(4)

為了便于測(cè)量Δt的值，本文設(shè)置了兩個(gè)傳感器，當(dāng)小鋼球撞擊到混凝土表面后，能夠得到兩個(gè)傳感器記錄的波形，使用t0表示開(kāi)始敲擊的時(shí)刻，令t1表示P波達(dá)到第一個(gè)傳感器的時(shí)刻，由于P波的到達(dá)會(huì)使電壓開(kāi)始上升，令t2表示P波經(jīng)過(guò)衍射后到達(dá)第二個(gè)傳感器的時(shí)刻，由于經(jīng)過(guò)衍射后成為了張力波，因此會(huì)導(dǎo)致向下產(chǎn)生位移[15]。Δt是t2與t0的差，可表示為

(5)

其中，H3為t1與t0期間P波傳輸?shù)木嚯x，至此可以完成大跨度混凝土渡槽施工裂紋深度的檢測(cè)方法設(shè)計(jì)。

2 檢測(cè)方法有效性測(cè)試

2.1 工程概況

大型預(yù)應(yīng)力混凝土渡槽立墻是桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)二期工程的重要組成部分(見(jiàn)圖5)。

圖5 桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)二期工程大跨度混凝土渡槽立墻

圖6 立墻剖面配筋示意圖

如圖6所示，這些鋼筋和絞線(xiàn)在立墻內(nèi)部，因此當(dāng)形成裂紋后，無(wú)法使用電磁波與超聲波進(jìn)行檢測(cè)，這些金屬會(huì)對(duì)超聲波雷達(dá)等傳統(tǒng)的探傷檢測(cè)形成干擾。根據(jù)工程的實(shí)際混凝土渡槽立墻結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，在待檢測(cè)的墻體上布置若干條測(cè)線(xiàn)(見(jiàn)圖7和表1)。

圖7 檢測(cè)線(xiàn)布置

需要注意的是，測(cè)線(xiàn)0與上一條測(cè)線(xiàn)的間距指的是測(cè)線(xiàn)0與八字墻頂?shù)木嚯x，八字墻高1.4m。在每一條測(cè)線(xiàn)上，每間隔0.2m布置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。在完成檢測(cè)點(diǎn)的布置之后，使用本文設(shè)計(jì)的裂紋深度檢測(cè)方法對(duì)墻體裂紋進(jìn)行檢測(cè)。為了驗(yàn)證本文方法的有效性，使用傳統(tǒng)方法共同進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)兩種檢測(cè)方法的誤差進(jìn)行分析。

表1 測(cè)線(xiàn)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述條件下，得到兩種方法的檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表2)。

表2 兩種方法的檢測(cè)結(jié)果

在得到兩種方法的檢測(cè)結(jié)果后，為了驗(yàn)證檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，對(duì)該渡槽立墻進(jìn)行了取芯驗(yàn)證，最終得到的結(jié)果為：該渡槽立墻的裂紋深度為48.5mm，很明顯，本文設(shè)計(jì)的深度檢測(cè)方法得到的結(jié)果與取芯驗(yàn)證得到的結(jié)果更加相近，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中具有更高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)水利工程中渠系建筑物大跨度混凝土渡槽的應(yīng)用越來(lái)越常見(jiàn)。這種混凝土建筑中出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象比較多。本文針對(duì)桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)二期工程中的大跨度混凝土渡槽立墻裂縫檢測(cè)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種基于沖擊反射的裂紋深度檢查方法，能夠有效避免立墻中鋼筋混凝土對(duì)于超聲波的干擾，防止在檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)較大的誤差。但是由于時(shí)間等限制，本文方法在某些方面還有待進(jìn)一步提高，在今后的研究過(guò)程中將逐步優(yōu)化。