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1、9 地下工程无损地下工程无损检测技术与声发射技术检测技术与声发射技术9.1地下工程无损检测技术基本理论简介无损检测技术是检测声学中的比较典型的应用它具有简单、快速、易行等特点，是检测工程质量的有效方法。声波是波动中机械波的一种形式，波动是物质运动的一种形式，振动是产生波动的根源。声波的频率在十余赫到万余赫的范围内，可以引起听觉，称为可闻声波；更低频率的机械波称为次声波；更高频率的机械波称为超声波。声波是弹性波的一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。9.1.1波动方程 弹性介质内某一点运动时，可以得出拉密运动方程，如果不考虑重力一类体积力的作用，
2、该方程可以表示为：固体介质在一般情况下除了产生体积变形外，还将产生切变形，因此，将激起纵波和横波。它们以不同的速度在介质中传播。此外，在固体自由表面下的介质中还会出现表面波。因此，由拉密运动方程出发，可以导出纵波与横波的波动方程，下面讨论这两种波的传播速度。1、纵波：质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。设：则拉密运动方程可写成：上式为无限弹性介质中纵波的波动方程，即为纵波的传播速度。2、横波：质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。则拉密运动方程可写成：上式为无限弹性介质中横波的波动方程，即为横波的传播速度。3、表面波：沿介质表面和交界面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波注意
3、表面波与纵波和横波传播介质区别：面波在层状介质中传播，而纵波和横波在均匀介质中传播。面波在介质中的传播速度为：4、波速度比较：纵波和横波：由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波在介质中的传播速度也不同。这样，我们用人工（爆破、锤击）发生弹性波，并设法用接收仪表测定其波速，利用各种波的的速度差异，可以帮助在记录中识别各种波，同时还可以用来判别岩体的特性及状态（如坚硬或松软、裂隙与完整）以及混凝土桩基的完整性和承载力等，这就是工程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。9.1.2波的反射与透射 从前面讨论可知，固体中有两种弹性波传播。当任何一种波入射到两种
4、介质的分界面上时（如岩体中的节理、裂隙和断层等；岩石与混凝土的界面；基桩的桩底、桩身的夹泥层、断裂、扩颈和缩裂等），将会产生反射和透射，这是因为波动方程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。我们通过下图可知反射和透射的特点。通过斯奈尔定律（亦称反射与投射定律）可知：在桩基质量检测时，满足一个特殊的边界条件，即桩顶锤击时，平面波垂直入射，当弹性波从桩顶向下不传播时，碰到弹性性质突然变化的界面时，不产生波的转换，仅有反射波和透射波的存在，而不存在反射横波和透射横波，即故得反射系数为：反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的大小，说明界面上能量的分配问题。反射系数的大小取决
5、于上下介质的波阻抗差。波阻抗越大，反射系数越大，反射波的振幅也越大；反之，反射波的振幅就小，当上下介质的波阻抗相等时，则不产生反射。9.1.3声波探测仪器设备和使用 岩体声波探测就是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪器有发射、接收换能器和声波仪。换能器的作用就是使其他形式的能量转换成声波的能量和使声波的能量转换成其他易于检测的能量。电能的运用最为方便，目前应用最广泛的便是电能和超声能量相互转换的电声换能器。9.1.3.1声波换能器 换能器是声电能量的转换器件，俗称“探头”，发射换能器是将声波仪发射机输出的具有一定功率的电信号转换成声信号，发射到岩体中，发射声波利用的是逆压电效应。接收声波利用
6、的是正压电效应。由于实测中对换能器和频率频带、工作方式的要求不同，因此做成了具有不同结构和不同振动方式的压电换能器。如增压式换能器的构造如图9.2所示，具有轻便和灵敏度高等特点。图9.3和图9.4是用于岩石试件测试的小型换能器。图9.2 增压式换能器的构造1螺栓；2连接件；3连接套筒；4后法兰盘；5接线柱；6电极引线；7压电陶瓷片；8增压管；9玻璃钢；10前法兰盘图9.3 试件纵向用换能器1外壳；2陶瓷片；3螺栓；4电缆；5电缆屏蔽层；6垫片；7螺栓图9.4 试件横向用换能器1电缆；2螺栓；3垫片；4螺栓电缆；5上盖；6陶瓷片；7底壳9.1.3.2声波仪 声波仪是声波测试的主要仪器设备，它的主
7、要部件是发射机和接收机，目前我国已研制了多种声波探测仪，90年代电脑化、数字化超声波检测仪器问世，它的组成如图9.5所示，图9.5 非金属数字化声波检测仪原理图当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的发射接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的测试原理。1、声波的发射声波的发射方式有以下几种：1）换能器内触发发射2）锤击外触发发射3）电火花外触发发射2、声波的接收3、放大数据及采集 目前国产性能好的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间自动加以判读，同时显示其数值。对接收到的波形、波幅、声时等可随时存入电脑硬盘，做下一步的分析处理。上述声波信息
8、可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质做出评价。9.1.3.3换能器的布置方式 根据检测对象和目的的不同，声波的检测方法也不同，主要体现在换能器的布置形式上。换能器的布置形式主要有以下几种（如图9.6所示）：1、透射法2、跨孔测试法3、反射法4、平测法9.2回弹法检测结构混凝土的抗压强度 实际工程中常用的结构混凝土强度的现场检测方法，可分为非破损法和局部破损法。非破损法是以某些物理量与混凝土立方体试块强度之间的相关关系为基本依据，在不损坏结构的前提下，测试混凝土的这些物理特性，并按其相关关系推算出混凝土的抗压强度。目前常用的非破损测强技术有回弹法、超声法、超声回弹综合法。用弹击时能量
9、的变化反映混凝土的弹性和塑性性质，称为回弹法。具体来说，就是根据混凝土的回弹值、碳化深度与抗压强度之间的相关关系来推定其抗压强度。回弹法的优点比较突出：仪器构造简单、方法易于掌握、检测效率高、费用较低，因而广泛用于工程验收的质量检测。总体来说，回弹法在实际工程中主要应用于以下四个方面：1）根据回弹值推定结构混凝土的抗压强度；2）对比混凝土质量是否达到某一特定要求，如构件的拆模、运输、吊装等；3）根据回弹值检验结构混凝土质量的均匀性；4）对结构中混凝土质量有疑问的区域予以确定，以便用其他方法进一步检测。9.2.1回弹仪 如图9.7所示为回弹仪的结构原理图，图9.7.1为回弹仪的实物照片。其工作原
10、理是：将弹击杆1顶住混凝土的表面，轻压仪器，使按钮6松开，弹击杆缓缓伸出，并使挂钩13挂上冲击锤14。使回弹仪对混凝土表面缓慢均匀施压，待冲击锤脱钩，冲击锤击杆后，冲击锤即带动指针向后移动直至达到一定位置时，指针块的刻度线即在刻度尺5上显示某一回弹值，逐渐对回弹仪减压，使弹击杆自外壳3内伸出，挂钩挂上冲击锤，待下一次使用。回弹仪必须经过有关检定部门的检定，获得检定合格后在检定有效期（半年）内使用。图9.7.1 HT225W全自动数字回弹仪当回弹仪具有下列情况之一时应送检定单位检定：1）新回弹仪使用前；2）超过检定有效期（半年）；3）累计弹击次数超过6000次；4）经常规定保养后钢砧率定值不合格
11、；5）遭受严重撞击或其他损害。9.2.2回弹值的测量 回弹值是采用回弹法测定结构混凝土强度的基本推算依据，回弹值测量的是否准确，将直接影响到推算结果。因此，只有在严格统一条件下、统一操作的情况下测试，才会取得满意的效果。1）测试现场的准备测区表面应为原状混凝土面，并应清洁、平整、干燥、无冰冻，不应有疏松层、浮浆、油垢以及蜂窝麻面等，必要时可用砂轮打磨清除表面上的杂物和不平整处，打磨后的表面不应有残留的粉末或碎屑。结构或构件的试样、测区均应标有清晰的编号，测区在试样上的位置和外观质量情况均应有详细的描述。2）回弹值的测读检测时，除按回弹仪的一般操作规程操作外，尤其要注意：应使回弹仪的轴向始终垂直
12、于测试表面，缓慢均匀施压，待弹击杆反弹后测读回弹值。每一测区弹击16点（当测区有两个侧面时，则每一侧面弹击8点），测点应避开外露的石子和气孔，同一测点只允许弹击一次。3）回弹值的数据处理 分别从测区16个测点读取的回弹值中剔除3个最大值和3个最小值，然后将余下的回弹值按下式计算测区平均回弹值测区平均回弹值，精确到0.1；第个测点的回弹值。当回弹仪与浇注侧面处于其他非水平方向检测时，应对测区平均回弹值进行角度修正；当测试面不是混凝土的浇注侧面时，应对测区平均回弹值进行浇注面修正；当测试时，回弹仪既非呈水平方向，测区又非混凝土的浇注侧面时，应先对测区平均回弹值进行角度修正，然后再进行浇注面修正。回
13、弹值的修正见（回弹法评定混凝土抗压强度技术规程）。从许多实际工程的检测经验来看，回弹法经过角度或浇注面修正以后，其测试误差有所增大，因此，进行回弹法测试时，应尽可能在构件的浇注侧面进行检测。9.2.3碳化深度值的测量 通过测试混凝土碳化对回弹值的影响试验证明，当混凝土强度相同时，龄期越长，回弹值越大。这主要是由于混凝土表面在空气中的二氧化碳和水分子的作用下，表面的氢氧化碳转换成碳酸钙硬壳，即所谓的碳化。碳化层的厚度随龄期的增长而增大，回弹值则随碳化深度d的增大而增大，直至d大于56mm后，回弹值R随d的增长逐渐趋于平缓。因此，碳化是必须修正的一个重要因素。所以，回弹测试完毕以后，要测量碳化深度
14、值，测量不应少于3次，求出平均碳化深度 测读精确至0.5mm。测区平均碳化深度值计算公式如下：9.2.4结构或构件混凝土强度的推定 由测区平均回弹值 及平均碳化深度 查（回弹法评定混凝土抗压强度技术规程）（JGJ/T232001)，可得出各测区混凝土的抗压强度。具体要求如下：1)按下式求出构件或结构混凝土的平均强度当测区数不少于10个时，应计算强度标准差，标准差按下式计算：2）结构或构件混凝土强度推定值 应按下列公式确定：(1)当单个构件检测时，以最小值作为该构件混凝土强度的推定数值，即(2）当结构或构件测区数不少于10个或按批量检测时，应按下列公式计算：（3）按批量检测的构件，当该批构件混凝
15、土强度标准差出现下列情况之一时，则该批构件应全部按单个构件逐个检测：A、当该批构件混凝土强度平均值标准差 B、当该批构件混凝土强度平均值 不小于25MPa时：标准差9.3超声波检测结构混凝土的抗压强度 超声波检测混凝土强度的基本依据是超声波传播速度与混凝土的弹性性质的密切关系。工程上，通常采用建立试件的超声声速与混凝土抗压强度相关的统计测强曲线，来检测和评估混凝土的力学性质。9.3.1超声波检测仪 超声声速与弹性介质的弹性模量之间的数学关系式为：无限弹性介质中传播的纵波声速：薄板中的纵波声速：细长杆中的纵波声速：由以上各式可知，超声波在混凝土中传播时，其纵波声速的平方与混凝土的弹性模量成正比，
16、与混凝土的密度成反比。当结构混凝土中有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，声波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，使接收的声波振幅减小、传播的路程增大、测得的声时偏长、其相应的声速降低。据此特征可以判断混凝土的强度和质量状况。因此，在实际检测中，超声声速是通过混凝土弹性模量与力学强度的内在联系，与混凝土抗压强度建立相关关系，借以推定混凝土强度的。目前，国内外通常采用统计方法建立专用曲线或数学表达式。在我国，相关曲线基本上采用两种非线性的数学表达式：和 式中，A,B为经验系数。由以上经验公式可见，采用超声声速参数便是突出了超声弹性波特性与混凝土弹性模量及强度的相关性。超声波检测系统包括超声
17、波检测仪和换能器及耦合剂，常用耦合剂为黄油及浆糊，如图9.9所示，图9.9.1为数字超声探伤仪实物照片。在进行超声波测试前，应对工程的设计与施工进行详细的了解，包括构件的尺寸、配筋、混凝土材料的组成、施工方法和混凝土的龄期等相关信息。测试应选择在配筋少、表面干燥、平整等具有代表性的部位上，将发射与接收换能器所对应的测点画在构件相互平行（对应）的两个可测表面，构件相对面布置测点应力求方位对等，使每对测点的测距最短。如果一对测点在任一测面上布在蜂窝、麻面或模板漏浆缝上，可适当相应改变该对测点位置，使各对测点表面平整，声耦合良好，编号并涂耦合剂，即可进行测试。图9.9 超声波检测系统 图9.9.1
18、CTS-2000型数字超声探伤仪 9.3.2超声传播时间（声时值）的测量 超声检测的现场准备及测区布置与回弹法相同，为了使构件混凝土测试条件和方法尽可能与率定曲线时的条件、方法一致，在每个测区相对的两侧面应布置三对超声波测点。对测时，要求两换能器的中心同置于一条轴线上，在换能器与混凝土侧面之间涂耦合剂，目的是为了保证两者之间具有可靠的声耦合。测试前，应将检测仪预热10min，并调节首波幅度至3040mm后测读声时值作为初读数。实测中。应将换能器置于测点并压紧，将接收信号中的初读数扣除后，即为各测点的实际声时值。9.3.3测区声速值的计算 取各测区3个声时值的平均值作为测区声时值 ，由构件的超声
19、测试厚度即可求得测区声速值9.3.4混凝土强度评定 根据各测区超声声速检测值，按率定的回归方程计算或查取 核定曲线，可得对应测区的混凝土强度值，进而推定结构或构件的混凝土强度。图9.10和9.11分别为卵石混凝土和碎石混凝土的 标定曲线，可以供实际检测中参考采用。图9.10 卵石混凝土的标定曲线 图9.11 碎石混凝土的标定曲线 9.4超声回弹综合法检测混凝土强度简介 上述我们介绍了回弹法和超声法检测混凝土强度，它们都是以材料的应力、应变行为与强度的关系为依据。回弹法反映了材料的弹性性质，同时在一定程度上也反映了材料的塑性性质，回弹检测反映的主要为构件的表面或浅层（约3cm）的强度状况，回弹值
20、受构件表面影响较大。超声检测由于它穿过材料，因而反映材料内部构造的密实性、均匀性及强度的信息，但声波速度值受骨料类径、砂浆等影响较大。因此，超声与回弹值的综合，自然能较准确地反映混凝土的强度，对于反映材料强度更为全面和真实，同时具有相当的量测精度。与单一方法相比，超声回弹综合法的优点是精度高、适用范围广、对混凝土工程无任何破坏，因此，在我国混凝土工程中已被广泛使用。该方法的具体内容可参见有关规范。9.11.1 ZBL-R620型混凝土钢筋 探伤仪9.5声发射技术及其应用简介 研究表明，承受荷载的固体往往有热发射现象、表面电子发射现象和声发射现象。从能量的转换角度来看，当固体受荷载以后，就如同一
21、个能量转换器，将应变能转换成热能、电能、声能发射出去。这些能量是固体因受外力而引发的固有现象，因此，这些能量的特征和量值的大小就自然代表着固体材料内的某些属性。当结构或材料受外荷载或内力作用产生变形或断裂、或材料内部缺陷及潜在缺陷在外部条件下改变状态时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。9.5.1声发射检测基本原理 声发射的发生要具备以下两个条件：1、材料要受外荷载作用；2、材料内部结构或缺陷要发生变化。对于材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象一般在材料破坏之前就会出现，因此只要及时捕捉这
22、些声发射信息，根据其特征及其发射强度，不仅可以推知声发射源的目前状态，还可以知道它形成的历史，并预报其发展的趋势。声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电传感器在试件表面接收并记录这些信号，输入仪器进行各种分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数和计数率、能量和能量率、以及频谱和波形、多信号时差等。9.5.2声发射检测仪器的组成与类型声发射检测常用仪器如图9.12所示，图9.12.1为实物照片。9.12 仪器由信号接收、信号处理和信号 、显示三部分组成。一般要求声发射检测仪器应具有以下特征：1）具有高响应速度、高灵敏度、高增益、高动态范围及对强信号阻塞的恢复能力；2）具有
23、较宽的频响范围，有较大的频率检测窗口选择余地；3）具有抗干扰和排除噪声的多种功能；4）根据检测的目的不同，还要求检测仪器具有快速、完善的分析处理功能和不同的显示功能。9.5.3声发射换能器声发射检测中使用最多的声发射换能器是压电式传感器，它们大都具有很小的阻尼，在谐振时具有很高的灵敏度，使用时可根据不同的检测目的和环境条件进行选用。它一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线和高频插座组成。下面介绍几种常用的声发射换能器。9.5.3.1谐振式换能器 谐振式高灵敏度换能器是声发射检测中使用最多的一种。单端谐振式换能器的结构简单，如图9.13所示。将压电元件的负电极面用导电胶粘贴在底座上，另一
24、面焊出一根很细的引线与高频插座的芯线连接，不加背衬阻尼，外壳接地。图9.13 单端谐振式换能器 9.5.3.2宽频带换能器 声发射信号的出现一般是和材料或构件中局部能量的突然释放过程相关联，具有很大的随机性，信号的频带很宽。因此要从声发射信号中获得我们所需的信息，离不开宽频带接收换能器。如图9.14所示：图9.14 宽频带换能器 1保护膜；2压电片；3背衬；4外壳；5插座9.5.3.3差动换能器 差动换能器如图9.15所示，是由两只正负极差接的压电元件组成，输出相应变化的差动信号，信号因叠加而增大。差动换能器的结构对称、信号正负对称、输出也对称，所以抗干扰的能力强，适用于噪声来源复杂的现场检测。图9.15 差动式换能器 9.5.4声发射技术在岩体工程测试中的应用 声发射技术是一种动态无损检测技术，具有不受材料限制、监测灵敏度高、可以实现在线监测。目前，声发射检测技术已经在下述方面得到应用：1）矿震的预测预报2）地应力测量3）岩体破坏机理研究4）滑坡的预测预报5）隧道岩体冒落和崩塌的预测预报