基于沖擊彈性波的混凝土冷縫檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法

吳佳曄 賈其松 陳霆 樓捍衛(wèi) 鄧愿濤 馬永強(qiáng) 姜勇

1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，四川 自貢 643030；3.中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司 滇南鐵路建設(shè)指揮部，云南 玉溪 653100；4.云桂鐵路廣西有限責(zé)任公司，南寧 530003；5.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京 100844

澆筑混凝土?xí)r一般要求一次性或按計(jì)劃分段澆筑，但由于種種原因?qū)嶋H施工過程中混凝土澆筑常中斷。下層混凝土已初凝而上層混凝土未及時(shí)澆筑會(huì)出現(xiàn)施工冷縫，且多數(shù)情況下冷縫會(huì)貫穿混凝土結(jié)構(gòu)。冷縫若出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)重要部位不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，而且會(huì)影響抗?jié)B性能和耐久性能［1］。

對(duì)于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施而言，冷縫危害最大的當(dāng)屬隧道二次襯砌。在二次襯砌混凝土施工過程中，為降低混凝土對(duì)襯砌模板的壓力，通常需要在起拱線及拱頂暫停混凝土澆筑，且隧道施工環(huán)境復(fù)雜，因此比較容易形成混凝土冷縫。在高速列車風(fēng)壓、振動(dòng)及周圍水壓影響下，因冷縫產(chǎn)生的襯砌缺陷不斷發(fā)展，進(jìn)而影響襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，危及行車安全。

1999 年6 月27 日，日本山陽新干線福岡隧道發(fā)生襯砌掉塊事故。當(dāng)天09：25 左右，隧道下行線軌道上方5.5m 處，混凝土塊（長2 m × 寬65 cm × 厚40 cm，質(zhì)量約200 kg）脫落，撞在以220 km/h 運(yùn)行的高速列車的9—12車廂的車頂上。裝在車頂?shù)牧熊嚳照{(diào)裝置起到緩沖作用，盡管撞擊造成車頂受電弓等設(shè)施損毀，但未造成人員傷亡。該事故的主要原因?yàn)樾熊嚭奢d作用下施工冷縫等缺陷的劣化和發(fā)展［2］。

在中國冷縫存在于各個(gè)時(shí)期施工的隧道中，冷縫引起的襯砌掉塊已成為威脅列車安全的隱患之一。不同嚴(yán)重程度的冷縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不盡相同。有些冷縫盡管上下兩層混凝土之間有色差，但若結(jié)合緊密，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響輕微。有些冷縫則對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性能有嚴(yán)重影響。因此，對(duì)冷縫的檢測(cè)和評(píng)價(jià)尤為重要。

學(xué)者們對(duì)冷縫的成因、檢測(cè)做了一定的研究。董武［3］對(duì)富水區(qū)隧道二次襯砌混凝土施工冷縫致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了研究。滿世浩等［4］對(duì)冷縫的成因進(jìn)行了分析，并通過數(shù)值模擬對(duì)比了不同位置冷縫對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響。黃昊等［5］利用沖擊回波法結(jié)合鉆芯法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)混凝土的施工冷縫進(jìn)行檢測(cè)，確定了缺陷位置。王芳等［6］針對(duì)運(yùn)營鐵路隧道襯砌施工冷縫的綜合整治技術(shù)進(jìn)行了研究。

鐵路工務(wù)部門對(duì)隧道進(jìn)行驗(yàn)收檢查時(shí)，會(huì)根據(jù)目視發(fā)現(xiàn)的水印、色差等劃定若干疑似冷縫。傳統(tǒng)方法是通過取芯確定是否為冷縫。這種大面積取芯方法不僅工作量大，而且對(duì)結(jié)構(gòu)有一定損傷，因此需要對(duì)疑似冷縫進(jìn)行無損檢測(cè)。本文根據(jù)冷縫形成原因及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出基于沖擊彈性波的混凝土冷縫檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 冷縫類型劃分

根據(jù)冷縫形成原因和冷縫對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響程度，可將冷縫分為兩種：①裂縫型冷縫。前后兩次澆筑的時(shí)間間隔較長，在澆筑上層時(shí)下層混凝土已經(jīng)硬化，上下兩層混凝土之間的黏結(jié)性較差，上下兩層混凝土之間相當(dāng)于存在一條裂縫。這種冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度影響較小，但是對(duì)結(jié)構(gòu)的抗剪、抗?jié)B性能影響較大。②低強(qiáng)型冷縫。前后兩次澆筑的時(shí)間間隔相對(duì)較短，上下兩層混凝土之間有一定的黏結(jié)性。上層澆筑時(shí)下層混凝土已開始初凝，受上層混凝土澆筑振動(dòng)影響，靠近冷縫處下層混凝土的強(qiáng)度及彈性模量降低。相比于對(duì)混凝土的抗剪、抗?jié)B性能的影響，該類冷縫對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及彈性模量的影響更大。兩種冷縫表觀形貌見圖1。

圖1 兩種冷縫表觀形貌

2 基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)方法基本原理

由于冷縫的深度和范圍通常較大，超聲波法、電磁波法等傳統(tǒng)檢測(cè)方法均難以適用。

沖擊彈性波包含縱波（P波）、橫波（S波）和瑞利波（R 波）。其中，R 波由P 波和S 波在界面附近合成，傳播速度比S波稍慢。

R波的特點(diǎn)：①在只有一個(gè)測(cè)試作業(yè)面時(shí)，表面激發(fā)的彈性波中R 波能量最強(qiáng)，信號(hào)容易采集［7］；②R 波通常在混凝土中1 倍波長深度范圍內(nèi)傳播，而沖擊彈性波的波長通常在0.1～ 1.0 m［7］，與混凝土冷縫深度接近；③R波在混凝土中傳播時(shí)，其能量衰減主要取決于混凝土的質(zhì)量［8］，因此可用于測(cè)試裂縫深度；④R 波傳播速度與混凝土的強(qiáng)度相關(guān)性較好［9］，因此R 波可用于測(cè)試混凝土強(qiáng)度。

由于裂縫型冷縫上下兩層混凝土間黏結(jié)性較差，對(duì)R波有明顯反射，故透過的能量降低；低強(qiáng)型冷縫使靠近冷縫的下層混凝土強(qiáng)度及彈性模量降低，故R 波在混凝土中傳播速度也有所降低。因此，通過分析R波在穿過冷縫前后的能量衰減，再與無缺陷位置混凝土強(qiáng)度對(duì)比，即可對(duì)疑似冷縫進(jìn)行有效檢測(cè)及評(píng)價(jià)。

3 冷縫檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及激振工具

3.1 冷縫檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用等效抗剪率ηs和等效強(qiáng)度率ηt分別表征冷縫對(duì)混凝土抗剪性能和強(qiáng)度的影響，再將兩項(xiàng)指標(biāo)合成為健全性指數(shù)ηc，綜合表征冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

ηs的計(jì)算式為

式中：Dc為測(cè)得的裂縫深度，Dc=-0.742 9λlnx；λ為測(cè)試所用沖擊彈性波的波長；x為經(jīng)幾何衰減和材料衰減修正后，沖擊彈性波通過冷縫時(shí)能量衰減量。

ηt的計(jì)算式為

式中：fu、f0分別為有、無冷縫部位測(cè)得的混凝土強(qiáng)度。

ηc的計(jì)算式為

ηs=1 且ηt=1 表示疑似冷縫對(duì)混凝土的抗剪性能和強(qiáng)度無影響。因此，ηc越接近1 表示疑似冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響越小，越接近于0 則表示疑似冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響越大。

3.2 激振工具

基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法測(cè)試深度大致相當(dāng)于沖擊彈性波的波長，而沖擊彈性波的波長取決于激振工具。若采用錘擊激發(fā)，不同直徑剛性球體可產(chǎn)生不同波長彈性波。直徑大的球體產(chǎn)生的彈性波波長較大，測(cè)試深度較深；直徑較小的球體產(chǎn)生的彈性波波長較短，但測(cè)試分辨率更高［7］。

檢測(cè)隧道襯砌冷縫時(shí)測(cè)試對(duì)象的厚度在50 cm 左右。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果（圖2），選用直徑17～ 30 mm的球形激振錘激發(fā)比較合適。

圖2 不同直徑激振錘產(chǎn)生的彈性波波長

4 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自2020年以來，采用基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法在玉磨鐵路、張吉懷鐵路、貴南鐵路等線路的十多條隧道進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)416 條疑似冷縫鉆孔取芯。其中，131 條疑似冷縫確認(rèn)為冷縫，其余的確認(rèn)為非冷縫。對(duì)冷縫和非冷縫的ηc分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖3。

圖3 ηc統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖3 可知：131條冷縫ηc平均值為0.50，標(biāo)準(zhǔn)差為0.16；285 條非冷縫的ηc平 均值為0.88，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07。這表明采用基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法檢測(cè)，ηc＜ 0.50 時(shí)可判定為冷縫，ηc＞ 0.88 時(shí)可判定為非冷縫。0.50 ≤ηc≤ 0.88 時(shí)則需輔以取芯等其他方法進(jìn)行判定。

5 基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法適用局限性和注意事項(xiàng)

該方法應(yīng)用的前提條件是疑似冷縫所在面與測(cè)試表面基本垂直，在隧道拱腰以下該條件容易滿足，見圖4（a）。在拱頂及其附近，由于工藝所致，疑似冷縫所在面與測(cè)試表面多呈小夾角［圖4（b）中的4 條冷縫］，致使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差。實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)拱頂多處混凝土ηc＞ 0.88，但取出的巖芯破損依然嚴(yán)重。

圖4 不同位置的冷縫

對(duì)于此類冷縫，單純依靠本方法檢測(cè)存在誤判的可能。因此，對(duì)隧道襯砌拱頂區(qū)域的疑似冷縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合適用于檢測(cè)層間結(jié)合狀況的沖擊回波聲頻（Impact Acoustic Echo，IAE）法［10］或敲擊法［11］。

IAE 法可以測(cè)試出混凝土的分層情況，敲擊法可測(cè)試出混凝土的剝離層。綜合應(yīng)用基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法、IAE法和敲擊法，可以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用IAE法檢測(cè)時(shí)拱頂水平冷縫信號(hào)反射結(jié)果見圖5（a）。其中：藍(lán)線為標(biāo)定線，紅色點(diǎn)為反射信號(hào)?？芍悍瓷湫盘?hào)位于標(biāo)定線右側(cè)（低頻）且存在明顯起伏，說明存在明顯分層，混凝土較差，可判定為冷縫。

采用IAE法測(cè)試時(shí)拱頂非冷縫區(qū)域信號(hào)反射結(jié)果見圖5（b）?？芍悍瓷湫盘?hào)整體平穩(wěn)且位于標(biāo)定線附近，表明混凝土整體結(jié)合質(zhì)量較好。

圖5 采用IAE法檢測(cè)拱頂信號(hào)反射結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響和沖擊彈性波中R 波的特點(diǎn)，提出基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法。經(jīng)過理論分析和工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）可采用基于沖擊彈性波的冷縫檢測(cè)法對(duì)疑似冷縫進(jìn)行檢測(cè)。采用等效抗剪率及等效強(qiáng)度率分析疑似冷縫對(duì)局部混凝土結(jié)構(gòu)的影響程度。健全性指標(biāo)越接近1 表示疑似冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響越小，健全性指標(biāo)越接近0則表示疑似冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響越大。

2）經(jīng)對(duì)十多條隧道416 處疑似冷縫檢測(cè)，冷縫處健全性指標(biāo)平均值在0.50左右，非冷縫處健全性指標(biāo)平均值在0.88 左右。健全性指標(biāo)對(duì)冷縫有較好的辨識(shí)度。

3）對(duì)于拱頂及附近的疑似冷縫，由于疑似冷縫所在面與測(cè)試面呈小角度相交，測(cè)得的健全性指標(biāo)有偏大的趨勢(shì)，存在誤判的可能。因此，須采用沖擊回波聲頻法或敲擊法輔助檢測(cè)。

本檢測(cè)方法不僅可用于鐵路隧道襯砌測(cè)試，還可用于其他各類混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試。