弹性波与电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用

1弹性波与电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用吴庆曾（中国地质学会桩基无损检测专业委员会）（中国地质调查局技术方法研究所）1.前言大凡建筑都有基础，而基础一定坐落在地基之上。建筑质量是否合格？是否稳定？是否能达到设计的抗震性能？决定着建筑物的使用寿命，形成了一个系统工程。在这个系统工程中，有一环是非常重要的，就是对地基、基础、上部建筑这三个建筑阶段的质量的勘探、检测与评价。但也有例外，没有地基，没有基础，那就是隧道，可是勘察、检测更为重要。当然，地基的勘察是走在最前面的，是这个系统工程中的先导，有时甚至决定着工程的成败，成为工程如何设计的依据，也决定了施工过程中是否会因施工诱发地质灾害，这些在路、桥、坝、隧道的建设中尤为重要。地基清楚了（确切的说应是场地工程地质条件乃至水文地质条件清楚了），设计也有了，基础的施工，及其上部结构的施工质量检验，质量评价，成为工程质量控制必不可少的一环，也是工程验收的依据。说到勘察、质量检测，存在两大类做法，即：原位检测与取样检测。它们又都存在两种绝然不同的方法即：有损检测和无损检测。当2今，无损检测的应用，以及应用的水平和应用的范围，已成为衡量一个国家或一个领域技术发展水平高低的标志。本文所要论述的仅是：弹性波及电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用的现状。2.关于弹性波的无损检测技术2.1弹性波的基本概念2.1.1固体中的弹性波，指的是固体中的介质质点在受到外力扰动时产生振动，从而引起质点相互碰撞的波动过程，其波动方程为）（）＝－（＝kxtjmmecxtCOS……………………（2.1）式中2ck＝＝称为波数；μ及μm为声场中质点瞬时位移及最大位移；c为声波的声速；x为传播距离；λ为波长；ω＝2πf。（2.1）式说明的是声波的传播是时间与空间的函数。2.1.2弹性波的振动模式与传播速度A.纵波（简称P波）：质点的振动方向与传播方向一致，传播速度PVEC2111l…………………………（2.2）（2.2）式中E为弹性模量；σ为泊松比都是介质的弹性常数ρ为介质密度。B.横波（简称S波）：质点的振动方向与传播方向垂直，传播速度StVEGC)1(21……………………（2.3）（2.3）式中μ为拉美系数；G为剪切模量；E为弹性模量；σ为泊松比；ρ为介质密度。3C.面波（简称R波）仅在固体的自由表面一个波长（波长λ＝C/f）的范围内存在，是P波和S波的合成波，质点作椭圆振动，并向前传播，传播速度SRV112.187.0V＝………………………………（2.4）存在VP＞VS＞VR，当σ＝0.25时VP=1.73VS，VR＝0.92VS2.1.3弹性波的反射、折射、绕射等规律如果介质是连续的，即波阻抗Z不变，（波阻抗Z等于密度ρ和声速C的成积，即Z＝ρ·C）声波在其中的传播比较简单，会沿着起始的方向以往无前，但是在介质波阻抗（ρc值）发生突变的界面，弹性波会发生反射、折射、绕射等现象，和光的传播一样遵循Snell定律。2t1iinCSCSin………………………（2.5）（2.5）式中θi、θt分别为波的入射角和折射角，C1、C2分别为上下界面的声速。2.1.4弹性波的波幅衰减规律ameAA……………………………………（2.6）4ameAA1……………………………………（2.7）上两式中mA为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，它是频率的函数；为传播距离。（2.6）式适用平面波，（2.7）适用球面波。2.2弹性波透射法透射法可以勘察或检测其它方法无法做到的一些勘察或检测内容，如：岩体因施工引起的松动范围检测基桩完整性检测岩体灌浆补强效果的检测岩体动弹性力学参数测试岩体中溶洞、破碎带的勘察；重力坝稳定性的检测；滑坡体滑带（滑床）的勘察；混凝土的缺陷检测；混凝土的裂缝检测混凝土的强度检测在上述的勘察、检测中，由于所使用弹性波频率的不同，形成了不同领域技术中的不同仪器装备。不同的仪器装备，在不同的技术领域中有着不同的技术方法名称。频率在2kHZ—500kHZ的被称为“声波检测”或“超声波检测”；频率在2kHZ以下的被称作“工程地震勘探”。不论名称如何，其工作原理是共同的。2.2.1岩体因施工引起的松动范围检测5由于爆破施工会引起边坡岩体、隧道围岩的松动，造成岩体失稳，需要检测松动范围，从而确定加固措施。可以采用跨孔声波透射法，如图2所示。由声速的变化可确定岩体的松动范围。2.2.2声波透射法基桩完整性检测.检测技术的依据是：《建筑基桩检测技术规范》JGJ106—2003A.基桩可能出现的缺陷基桩是被大量采用的建筑基础，它有着诸多优势，在此不加赘述。但基桩在施工过程，会由于多种原因出现不同的缺陷，如图3。B.测试方法：水平同步法、斜测法、扇面测试法如图4。6C.声波仪测试的接收波形，见图5。根据各测点测取的声速、波幅值绘制出的声速——深度曲线和波幅——深度曲线，如图6。D.检测缺陷的原理和依据7一.声学原理的依据是：正常混凝土的声速大于缺陷的声速，正常混凝土的波幅大于缺陷的波幅，即：V正常V缺陷，A正常A缺陷二.根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106—2003中对非均匀介质混凝土的声速值是否处于缺陷范围规定如下：声速异常的临界值xm0sVV＝上式中ikn1imVkn1V－＝sx为异常判断值；Vm为（n－1）个数据的平均值；V0为（n－k）个数据的标准差；λ为由统计数据（n-k）对应的λ由查表获得波幅异常的临界值dB6AAmP－上式中Pn1imAn1A＝E.声波透射法基桩完整性检测的优势与不足优势：根据有“效接收声场”，见图7（A），再由波幅及声时可分析推断出桩身内缺陷的平面分布及空间的大概范围212111knimixvvkns8不足：轻微缩径无法判断，严重缩径可能误判2.2.3岩体灌浆补强效果检测破碎的岩体，可以用打钻孔注浆（水泥砂浆、化学浆）的办法将其胶结来提高强度，但效果如何？可用声透法加以检验。方法是在灌浆区域多打几个检测孔，灌浆之前，先检测一次孔间的声速分布，灌浆之后，再重复检测一次，由声速——孔深、波幅——孔深曲线的变化，即可对灌浆前后岩体强度给出定性评价。图8为跨孔灌浆前后对比的声速—孔深曲线。由跨孔声波透射测试结果可见灌浆后声速有明显提高，最高可达60%以上，表明灌浆效9果良好。如果在测试纵波声速的同时，还测试了横波声速，还可计算出岩体灌浆前后的动弹性力学性能的变化，见表1及表2。表1表2参数单孔跨孔参数单孔跨孔灌浆前7天28天灌浆前7天28天灌浆前7天28天灌浆前7天28天VP(m/s)9671083110581011801370VP(m/s)10991170126399012901610VS(m/s)445499509373544631VS(m/s)504537579454592739б0.3650.3650.3650.3650.3650.365б0.3670.367E(MPa)10271292134472115352065E(MPa)131914981741107018202837G(MPa)376473492264562757G(MPa)4825476373916661038注：σ：动泊松比E：动弹性模量G：动剪切模量2.2.4岩体动弹性力学参数参数岩体的动动弹性力学参数，可根据（2.2）（2.3）式计算如下：1/22/22SpSpVVVV…………………………（2.8）92101211pVEaGP…………………（2.9）9210SVGaGP…………………………（2.10）（2.8）（2.9）（2.10）中G为剪切模量；E为弹性模量；σ为泊松比；上面的表1、表2中的动弹性力学就是在用跨孔声波透射法测试了纵波和横波声速后，按（2.8）（2.9）（2.10）计算的。2.2.5岩体中溶洞、破碎带的勘察A.目前，用跨孔声波透射法，勘察岩体中的溶洞、破碎带已开始10采用跨孔扇面测试法，测得大量声时数据后，采用CT（ComputerizeTomography）成像技术，即计算机层析成像技术，将两钻孔间的二维剖面图像展现。测试方法见图9。B.声波CT成像反演图像重建的计算思路如图10，将检测的剖面划分为N×M个方格，如其中的某一条声线T到R，它穿过第i.j.方格的声线长度是Li.j.（i=1、2、3、……N；j＝1、2、3、……M），设i.j.方块的声速为Vi.j.，则其声时Ti.j=Li.j÷Vi.j=Li.j×Gi.j上式中Gi.j=1/Vi.j.称曼度。同理，第一排方格总的声时如下式L11G11+L12G12+L13G13+……+L1nG1n=T1n所有声线的声时如下mnmnmnnnmmmtttGGGLLLLLLLLLLLL212121321232221131211这是一个大型稀疏超定矛盾方程组。下面的问题是求解，即如何对曼度GNM赋值，使计算出的t1到tnm的所有反演计算值与实测值尽量接近。于是，由各个方格声速重建的声速图像，便可反映出被测介质的结构图像。这样，计算方法成为CT技术的关键之一。实际上这11是一个反演问题，最早的联合迭代ART走时反演，以及进一步发展了SIRT和SART算法等等，到目前还在研究的声速与衰减因素等多参量成像方法研究，使成像的质量不断提高。C.实例（一）目的在于探明覆盖层下深度变化较大的白云质大理岩的起伏和白云质大理岩的岩溶发育，CT成像如图11（a）其地质解释如图11（b）。（二）重力坝的稳定性检测加拿大OttoHolden重力坝建成已使用49y，为了检测坝体与基岩接触面是否接触良好，选用声波跨孔测试，声波CT成像测试段如图12测试后，数据处理计算后的CT成像如图13。12（三）桥梁基础的CT成像某桥梁已完成施工，后钻探资料显示桥梁基础下可能存在危及安全的溶洞，经声波CT成像，确有溶洞存在，如图14。2.2.6滑坡体滑带的勘察13滑坡的产生与岩体中存在软弱结构面有关，而其上覆的是斜坡岩土体，在自然地质作用和人类活动作用下，失去原有的平衡条件，产生以水平位移为主的地质现象。滑坡体软弱机构面即“滑带”的物理特征与溶洞、破碎带相同，故其勘探的方法与岩体中溶洞、破碎带的勘察同样可用CT成像的方法。2.2.7混凝土缺陷检测结构混凝土缺陷的检测是根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）进行检测如图15。2.2.8混凝土的裂缝检测A.浅裂缝的检测裂缝检测可分为：（一）平测法测浅裂缝（50cm以内的），测试的布置如图16。裂缝深度h为：14h=212012ttlt0—不跨缝平测声时；t—跨缝平测声时；l—换能器测距（二）斜对测法测裂缝测试方法如图17。利用斜对测法测取声时、波幅，加以对比可判断出裂缝的分布；也可由波形及频率来综合分析判断。（三）.跨孔声透法测深裂缝坝体的裂缝有时较深，可利用跨孔测取的声时、波幅，综合判断裂缝的延伸深度。2.2.9混凝土的强度检测上部结构混凝土声速一般在4000—5000m/s。混凝土强度与声速（f—v）存在一定的相关关系。但是其影响因素较多，总结有下列影响因素：15（a）粗骨料（石子）品种——岩性、卵石、碎石、粒径；（b）混凝土的配比；（c）养护方式及含水率所以，不能简单用声速来表达混凝土强度，可用综合法。3.4.2.超声回弹综合法检测混凝土强度（相关规程：超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程CECS02:88）经有关单位总结混凝土强度与声速、回弹值有下列关系：f=A·VB·RC〔MPa〕V:纵波声速〔Km/s〕;R:回弹值（0～100）；A、B、C：系数如下表：全国ABC北京ABC卵石0.00381.231.95卵石0.002231.911.81碎石0.0081.721.57碎石0.001861.751.96注：江苏地方曲线0.