沖擊映像法在混凝土箱涵無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

陳炫地

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)

1 引言

混凝土箱涵具有結(jié)構(gòu)安全、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，但受制于多種因素影響，在使用一定時(shí)間后，大多數(shù)箱涵均會(huì)產(chǎn)生一定的滲漏現(xiàn)象[1]。城市內(nèi)的箱涵是保證城市排水的重要設(shè)施，對(duì)城市污水收集、傳輸、治理起著重要作用，城市的平穩(wěn)運(yùn)行離不開各種箱涵作用的發(fā)揮[2-3]。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，城市箱涵數(shù)量也呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，但同時(shí)，早期修建的箱涵也仍在發(fā)揮作用，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前正在運(yùn)行的箱涵大多修建在10年～30年前，基本已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命的中期甚至是后期，城市箱涵在長(zhǎng)期的污水沖刷、道路荷載影響下，部分結(jié)構(gòu)、功能已經(jīng)收到影響，箱涵出現(xiàn)不同程度的滲漏、變形等現(xiàn)象，部分受影響較大的箱涵已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重影響到城市排水工作，對(duì)居民生活造成不利影響[4-5]。因此，全面分析箱涵情況，為箱涵養(yǎng)護(hù)、管理工作提供依據(jù)是十分重要的[6-7]。

2 沖擊映像法檢測(cè)方法及原理

2.1 基本原理

在結(jié)構(gòu)表面敲擊時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成彈性波。沖擊映像法無(wú)損檢測(cè)主要基于彈性波場(chǎng)理論。彈性波在介質(zhì)內(nèi)部的傳輸?shù)倪^(guò)程中，遇到介質(zhì)界面時(shí)會(huì)由于波阻抗差異而產(chǎn)生強(qiáng)反射、透射和轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。從而出現(xiàn)能量衰減、波形和頻譜改變等現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后，利用不同的方法處理反射波，從而分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況。采用該方法，主要是利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷會(huì)形成不同的反射波，經(jīng)過(guò)多次反射，可在介質(zhì)表現(xiàn)接收到的反射波波形可采用下式表示：

A(t)∑[w(t)×r(t-nT0)]

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：r(t)為反射系數(shù)序列；R為內(nèi)部缺陷反射系數(shù)；T0為彈性波在兩界面的雙程反射時(shí)間。

從式(1)、式(2)中可以得知，結(jié)構(gòu)表面接收到的反射波是反射系數(shù)、子波褶積相疊加的最終波形。因此，可以從以下兩個(gè)方面分析、推測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷情況。若已經(jīng)得知震源子波，則可以利用反褶積運(yùn)算獲取反射系數(shù)序列，從而通過(guò)定量方法計(jì)算、分析反射界面兩側(cè)介質(zhì)波阻抗差，同時(shí)，也可獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的深度。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，獲取震源子波的難度較大，該方法在實(shí)際工作使用的適宜性較差。因此，通常采用下列方法推測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。首先假設(shè)震源子波沿測(cè)線是一致的，根據(jù)反射系數(shù)的變化推測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化，從而推測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、結(jié)果較準(zhǔn)確，在工程中的實(shí)施性較強(qiáng)，是一種常用方法。

2.2 檢測(cè)方法

采用沖擊映像法無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)采集方法見圖1。沿著測(cè)點(diǎn)間隔X距離均勻布置檢波器，在檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面逐點(diǎn)激發(fā)彈性波，并在偏移距離為D的位置設(shè)置傳感器，以接收信號(hào)。將各點(diǎn)的檢測(cè)波羅列，即可通過(guò)接收的波形初步分析結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的變化，見圖2。從圖中可知，待檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷時(shí)，強(qiáng)反射界面接收的波形則存在明顯的異常。通過(guò)分析平均振幅和卓越頻率等彈性波特征參數(shù)，即可推測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷情況。

圖1 沖擊映像法基本原理

圖2 各檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)波形

在道路缺陷無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，路基結(jié)構(gòu)層厚度一般小于1 m，而彈性波的傳播速度卻高達(dá)5 km/s，其傳播時(shí)間非常短。同時(shí)，激振時(shí)產(chǎn)生的面波、縱波直達(dá)波、縱波反射波、橫波-縱波轉(zhuǎn)換波等各種波相互疊加，無(wú)法通過(guò)直觀判斷將其區(qū)別開來(lái)。因此，需采用更高精度的數(shù)據(jù)處理與分析方法，對(duì)沖擊映像法的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度處理與分析，以精確定位、判斷路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷狀態(tài)。

考慮到折射波的形成條件和傳播特征，觀測(cè)折射波時(shí)需要避開波場(chǎng)盲區(qū)，同時(shí)，盡量將接收部分置于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)折射波范圍內(nèi)。在水平結(jié)構(gòu)滿足折射要求的情況下，選取一個(gè)固定的激發(fā)點(diǎn)，沿著測(cè)線由遠(yuǎn)及近進(jìn)行觀測(cè)，則可獲取建筑物各層的彈性波信號(hào)。根據(jù)彈性波特征，可推測(cè)各層介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集方法見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集方法

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

深圳某污水箱涵，頂板、邊墻厚度為50 cm，中墻厚度為45 cm，采用C30混凝土澆筑。由于工程建設(shè)時(shí)間較早，在污水的沖刷、腐蝕作用下，箱涵出現(xiàn)不同程度的破損，尤其是伸縮縫處損毀最為嚴(yán)重。各箱涵節(jié)之間出現(xiàn)了不均勻沉降現(xiàn)象，伸縮縫可能已產(chǎn)生破壞，將對(duì)污水箱涵的排污能力造成一定影響。由于箱涵頂板厚度均勻采用沖擊映像法檢測(cè)較為合理。

3.2 檢測(cè)方案布置

3.2.1 平面方案布置

根據(jù)道路現(xiàn)場(chǎng)條件，沖擊映像法布置于兩管道中心上方，見圖4。沖擊映像法信號(hào)激發(fā)與采集：設(shè)定采樣間隔為0.125 ms，記錄時(shí)長(zhǎng)1.0 s，采樣個(gè)數(shù)8192個(gè)，采用18磅鐵錘敲擊，震源偏移距分別為1 m、2 m、3 m、4 m，完成1次激發(fā)后，整體移動(dòng)采集系統(tǒng)，移動(dòng)步長(zhǎng)為1 m，重復(fù)激發(fā)至完成整條測(cè)線數(shù)據(jù)采集。

圖4 檢測(cè)方案布置

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的目的是對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、濾波和數(shù)學(xué)變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的表現(xiàn)形式表現(xiàn)出來(lái)，主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化、波形處理、波場(chǎng)分離以及生成響應(yīng)強(qiáng)度分布圖等，見圖5。數(shù)據(jù)歸一化：將沖擊錘上傳感器記錄的沖擊加速度數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以去除敲擊力度不一致的影響，確保激發(fā)強(qiáng)度相同。波形處理：包括非正常數(shù)據(jù)處理、時(shí)窗切除和濾波。首先，對(duì)存在異道號(hào)的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)異常部分切除，并用相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。其次，對(duì)干擾信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間段不一致的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合適的時(shí)間窗口，切除時(shí)間窗口以外的數(shù)據(jù)。最后，設(shè)計(jì)各種頻率濾波器(低通、高通、帶阻等)，在頻率域?qū)υ胍魯?shù)據(jù)進(jìn)行壓制。

數(shù)據(jù)處理工作流程如下：初至?xí)r間拾取→時(shí)距曲線繪制→地震解釋→高程輸入→折射界面繪制→地質(zhì)解釋→剖面輸出初至?xí)r間拾取時(shí)，注意折射波的識(shí)別和對(duì)比。

折射波的識(shí)別、對(duì)比需要按照以下原則進(jìn)行。(1)波形、振幅、振動(dòng)延續(xù)度相似特征對(duì)比；(2)相位一致性、同相軸延續(xù)長(zhǎng)度特征對(duì)比；(3)追逐炮記錄同相軸的平行性特征。

圖5 沖擊響應(yīng)分布強(qiáng)度

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

在箱涵頂板共設(shè)置16個(gè)檢測(cè)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理完成后，結(jié)果表明：在伸縮縫(止水帶)外側(cè)布置的測(cè)線處，輸入波速為VP，Plate=3800 m/s的沖擊波，同時(shí)在距離伸縮縫(止水帶)距離為0.5 m、0.75 m各布置一條掃描測(cè)線，檢測(cè)厚度均小于50 cm(箱涵實(shí)際厚度)，表明彈性波在箱涵混凝土中的傳播速度大于3800 m/s，這表明混凝土結(jié)構(gòu)較為完整，混凝土結(jié)構(gòu)完整性較好，不存在明顯缺陷問題。根據(jù)距離伸縮縫(止水帶)0.25 m處的側(cè)線與其他測(cè)線相比，具有明顯的不規(guī)則現(xiàn)象，表明該處混凝土質(zhì)量有所下降，需采取治理措施。

4 結(jié)語(yǔ)

沖擊映像法是一種極為常用的無(wú)損檢測(cè)方法，詳細(xì)分析了其檢測(cè)原理和數(shù)據(jù)采集、處理方法，并結(jié)合深圳某污水箱涵無(wú)損檢測(cè)工程對(duì)該方法在工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。使用該方法可較好地識(shí)別混凝土結(jié)構(gòu)的明顯缺陷，檢測(cè)速度快、結(jié)果準(zhǔn)確，且無(wú)需對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，可在工程中加以應(yīng)用。