相控陣超聲成像法檢測底板混凝土缺陷的方法探究

余曉飛，陳 韋

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團有限公司 廣州 510500）

0 引言

地下室上浮的形式主要有局部抗浮失效、局部整體抗浮失效、整體抗浮失效［1］。不同形式的抗浮失效會影響結(jié)構(gòu)的正常使用甚至整體安全性，如地下室柱受剪破壞、變形，頂板梁端部開裂，圍護構(gòu)件斜向開裂、抗拔樁失效、底板開裂受損等。

地下室柱、梁、圍護構(gòu)件較容易檢測檢查，可以直接分析受損成因和評估受損程度。而地下室底板由于只有一個檢測面（另一面為迎水面），無法采用超聲透射法對地下室底板進行檢測，且僅僅通過檢查底板表面的裂縫也無法準確掌握其真實的受損情況，而大面積的底板破損工作量太大且有可能對底板產(chǎn)生二次破壞，因此底板的檢測條件相對困難。當前，對地下室底板混凝土缺陷檢查，可以采用無損的檢測方法，如雷達掃描法、相控陣超聲成像法；也可采用直接檢測的方法，包括閉水目測法和局部破損法。張樹風(fēng)等人［2］研究表明采用探地雷達方法對混凝土結(jié)構(gòu)的空洞類缺陷探測在通常情況是有效的，能較準確判斷其內(nèi)部是否存在缺陷。而張晉峰等人［3］研究表明陣列（相控陣）超聲法比電磁波雷達法更能準確確定混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的位置及大小。

本文研究將相控陣超聲成像法應(yīng)用于地下室底板現(xiàn)澆混凝土缺陷檢測的可行性，并結(jié)合雷達掃描儀、鉆芯驗證，對地下室地板受損的原因進行定性分析，提出相應(yīng)的處理建議，為類似工程的檢測與鑒定提供參考案例。

1 工作原理

相控陣超聲成像法檢測技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射（或接收）脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達（或來自）物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，可實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦、成像，從而反映測試對象內(nèi)部的缺陷情況［4］。其工作原理如圖1所示。

圖1 相控陣超聲成像儀工作原理Fig.1 Inspection Schematic Diagram of Phased Array Ultrasonic Imaging System

2 技術(shù)特點

相控陣超聲成像法可實現(xiàn)單面區(qū)域連續(xù)掃描，且使用非藕合聲波接觸技術(shù)，無須使用任何藕合劑［5］。該方法克服混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋影響，對混凝土缺陷更為敏感，可識別鋼筋與缺陷；具有成像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，準確定位缺陷位置和范圍，結(jié)果直觀。

根據(jù)相控陣超聲成像法的技術(shù)特點，可以將此技術(shù)擴展應(yīng)用于檢測地下室底板現(xiàn)澆混凝土的內(nèi)部缺陷，且該技術(shù)的檢測范圍為檢測面以下600 mm 內(nèi)，基本可以覆蓋不同的底板板厚。

地下室底板屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其混凝土強度的離散型較大［6］，當使用相控陣超聲成像儀測試不同底板構(gòu)件時，聲波在混凝土傳播的速度存在差異性，從而導(dǎo)致成像分辨率（波形圖）相差過大而影響整體判斷。因此測試不同底板構(gòu)件前應(yīng)采用幅度變跡調(diào)試。對于陣列換能器，發(fā)射變跡可通過用不同幅度的電壓來激勵各個陣元來實現(xiàn)，接受變跡通過在接收時對不同通道的回波信號進行不同的加權(quán)來實現(xiàn)［7］。

影響相控陣超聲法的精度的另一個因素是底板構(gòu)件表面的平整度。因此測試前應(yīng)對混凝土表面進行平整度處理，使測區(qū)表面為混凝土原漿面且不應(yīng)有積水［8］。

3 測試數(shù)據(jù)準確性驗證

在環(huán)境條件良好、確保構(gòu)件混凝土表面清潔、平整的情況下，對實際工程中某個發(fā)生上浮事故的地下室底板采用相控陣超聲成像法檢測底板缺陷，并對采用手持雷達儀掃描、鉆芯法檢查的結(jié)果進行了比較，同時也進行了復(fù)測自校。該地下室個別柱腳與底板交接處存在開裂滲水情況，委托方懷疑其他區(qū)域的底板內(nèi)部存在類似缺陷。根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場施工資料，該地下室底板厚度為300 mm，為超聲成像儀、手持雷達儀的測試量程范圍內(nèi)；底板混凝土強度等級為C35，采用雙層雙向貫通+承臺位置附加筋的鋼筋布置形式。本次抽檢數(shù)量為20 個，手持雷達儀掃描、鉆芯法檢查的操作方法如下：

⑴手持雷達儀檢測。采用雷達儀對超聲成像法測試的底板部位進行掃描，通過掃描的圖像與超聲成像法測試結(jié)果進行對比。

⑵鉆芯法輔助檢測。采用鉆芯法在選定部位鉆取芯樣、并拍照記錄，檢查地下室承臺混凝土是否存在分層或其他缺陷等，鉆芯深度應(yīng)大于底板厚度。

針對同一個底板構(gòu)件，各種方法的檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 各種方法的檢測結(jié)果Fig.2 Test Results of Various Methods

由圖2?、圖2?可知，試驗底板的圖像在板面以下12 mm 處存在顏色突變，超聲波信號反射明顯平均高于其他部位，初步判斷其為疑似缺陷位置，并對底板進行鉆芯驗證，芯樣長度大于圖像顏色突變深度。驗證結(jié)果表明，超聲成像法結(jié)果與其他方法一致，復(fù)測自校過程中發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的情況與位置基本相同，驗證結(jié)果詳見表1。

表1 底板混凝土缺陷測試結(jié)果驗證對比Tab.1 Comparison of Different Inspection Method Used for Baseboard Defect Defection

根據(jù)表1 單個底板構(gòu)件的驗證結(jié)果表明，超聲成像法檢測底板現(xiàn)澆混凝土缺陷的方法可靠?，F(xiàn)場繼續(xù)采用相控陣超聲成像法結(jié)合手持雷達儀對其余19 個底板進行檢測，并對部分檢測樣本進行鉆芯驗證，鉆芯選取的構(gòu)件應(yīng)滿足以下要求：①經(jīng)超聲成像法測試后，認為無法判斷是否存在缺陷的構(gòu)件，應(yīng)全數(shù)鉆芯檢查；②經(jīng)超聲成像法測試后，對明確判斷存在缺陷的構(gòu)件、明確判斷不存在缺陷的構(gòu)件，應(yīng)進行抽查驗證，驗證數(shù)量不少于4個；③當?shù)冖陧椫秀@芯結(jié)果與成像結(jié)果驗證存在不符時，評估結(jié)果以鉆芯結(jié)果為準，并應(yīng)擴大驗證范圍。

本次采用超聲成像儀結(jié)合雷達儀共計測試20 個底板的混凝土缺陷情況。初步判斷結(jié)果表明，6 個底板混凝土存在缺陷，缺陷位置距底板面深度約為10～17 cm，11 個底板混凝土不存在缺陷，2 個測試結(jié)果存疑，1個承臺不具備測試條件。

根據(jù)初步判斷結(jié)果采用鉆芯法對超聲成像法進行驗證，共計抽檢了4個底板。鉆芯結(jié)果表明，抽檢的3 個底板鉆芯驗證結(jié)果與初步判斷結(jié)果一致，測試結(jié)果存疑的1個底板鉆芯驗證為未存在缺陷。

本次采用鉆芯法對不存在測試條件的1個底板進行檢查。鉆芯結(jié)果表明，檢查的底板存在缺陷。

最終底板混凝土缺陷判斷結(jié)果詳見表2。

表2 底板混凝土缺陷判斷結(jié)果Tab.2 Judgement Result of Baseboard Defect Defection Based on Phased-array Ultrasound Imaging

4 檢測方法探究

相控陣超聲成像法檢測底板現(xiàn)澆混凝土缺陷的可行性已得到論證，但該檢測方法的操作性尚需探究。對大面積地下室底板的缺陷檢測，應(yīng)按合理的程序有針對性地進行檢測。檢測流程可按初探、驗證、研究、分析、篩查、處理6 個步驟進行：①初探：判斷底板是否存在損傷?②驗證：局部鉆芯驗證，觀察芯樣及鉆孔外觀損傷，確認初探成果?③研究：對內(nèi)部裂縫走向進行預(yù)估，并采用相控陣超聲成像法對預(yù)估發(fā)展路徑進行測試驗證?④分析：分析受損成因，評估受損程度?⑤篩查：對其他區(qū)域的底板進行篩查，確定受損范圍及數(shù)量?⑥處理：出具評估報告，提出處理建議，為加固提供技術(shù)依據(jù)。

4.1 初步判斷

現(xiàn)場采用相控陣超聲成像法對地下室上浮事故中存在明顯損傷或疑似存在內(nèi)部缺陷的個別底板進行測試。若測試圖像在板底上方存在大面積顏色突變，即初步判斷其為疑似缺陷；若測試圖像中存在顏色突變的位置為板底位置，且板底上方可識別的顏色變化點明顯判斷為鋼筋或無顏色變化，即初步判斷其未存在缺陷。

測試位置可以選擇柱腳涌水或破碎的周邊或已存在開裂滲水的底板。

4.2 局部抽芯驗證

現(xiàn)場對初步判斷其為疑似缺陷的位置進行鉆芯驗證，觀察芯樣和鉆孔的的外觀損傷，并對裂縫損傷的寬度和位置進行詳細檢測和記錄。

4.3 研究裂縫走向

根據(jù)芯樣和鉆孔表面的裂縫走向，對底板內(nèi)部裂縫發(fā)展路徑進行預(yù)估，并采用相控陣超聲成像法對預(yù)估的裂縫發(fā)展路徑進行加密測試，驗證預(yù)估是否符合實際。測點可按裂縫預(yù)估走向直線布置，測點間隔為300 mm，測點布置示意如圖3所示。

圖3 測點布置示意圖Fig.3 Arrangement of Measuring Points （mm）

4.4 分析受損原因

底板開裂受損的原因較復(fù)雜，有沖切破壞、整體抗浮失效、局部抗浮失效、混凝土澆筑分層、混凝土收縮等［9］。根據(jù)底板內(nèi)部裂縫走向和板面裂縫寬度（若有），分析裂縫成因，對底板受損程度進行評估。

對章節(jié)3工程中某底板預(yù)估的裂縫發(fā)展路徑進行加密測試，測試結(jié)果如圖4所示，根據(jù)測試圖像可以評估該裂縫為斜向發(fā)展，并延伸至板底。將圖像中的存在顏色突變的點連成直線，發(fā)現(xiàn)斜向裂縫發(fā)展角度小于45°，且開裂范圍大于底板的有效截面高度h0，可判斷該破壞不符合柱對底板的沖切破壞機理［10］，故判斷該裂縫并非由結(jié)構(gòu)承載力不足而引起。通過鉆芯，可以發(fā)現(xiàn)底板存在分層現(xiàn)象，芯樣照片如圖2?，可以判斷該裂縫主要因為底板混凝土澆搗存在分層現(xiàn)象，導(dǎo)致地下水從底板底部進入底部后長期沖刷造成底板內(nèi)部受損?，F(xiàn)場通過對底板進行局部破損，破損后現(xiàn)狀如圖5 所示，可以判斷底板實際破壞機理與相控陣超聲成像法測試評估結(jié)果一致。

圖4 相控陣超聲成像測試結(jié)果Fig.4 Test Result by Phased-array Ultrasound Imaging

圖5 現(xiàn)場破損照片F(xiàn)ig.5 Site Damaged Photograph

4.5 篩查底板內(nèi)部缺陷

根據(jù)受損成因分析結(jié)果擴大測試檢測范圍，對其余區(qū)域有代表性的底板進行篩查，確定受損范圍及數(shù)量。重點篩查承臺與底板交界處、后澆帶附近、塔樓與裙樓交界處、滲漏水區(qū)域。

4.6 處理建議

根據(jù)底板受損成因分析及篩查結(jié)果，出具評估報告，評估底板構(gòu)件的受損情況，提出處理建議，為加固修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。對嚴重破壞的底板進行局部替換處理，對一般受損的構(gòu)件進行加固處理，對輕度受損的構(gòu)件進行修復(fù)處理。

5 結(jié)語

陣列超聲成像法檢測作為地下室底板無損檢測的手段之一，能準確判斷大范圍內(nèi)的底板受損情況，輔助分析底板的開裂原因，掌握地下室上浮破壞的受損程度及原因，為加固修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。該方法能夠克服底板單面檢測的困難，且減少了人力成本，縮短了檢測周期，此檢測方法已應(yīng)用于多個地下室上浮受損項目中，取得良好成效。