1、9 地下工程無損地下工程無損檢測技術與聲發射技術檢測技術與聲發射技術9.1地下工程無損檢測技術根本實際簡介無損檢測技術是檢測聲學中的比較典型的運用它具有簡單、快速、易行等特點，是檢測工程質量的有效方法。聲波是動搖中機械波的一種方式，動搖是物質運動的一種方式，振動是產生動搖的根源。聲波的頻率在十余赫到萬余赫的范圍內，可以引起聽覺，稱為可聞聲波；更低頻率的機械波稱為次聲波；更高頻率的機械波稱為超聲波。聲波是彈性波的一種，假設視巖土和混凝土介質為彈性體，那么聲波在巖土和混凝土介質中的傳播服從彈性波傳播規律。9.1.1動搖方程 彈性介質內某一點運動時，可以得出拉密運動方程，假設不思索重力一類體積力的作

2、用，該方程可以表示為：固體介質在普通情況下除了產生體積變形外，還將產生切變形，因此，將激起縱波和橫波。它們以不同的速度在介質中傳播。此外，在固體自在外表下的介質中還會出現外表波。因此，由拉密運動方程出發，可以導出縱波與橫波的動搖方程，下面討論這兩種波的傳播速度。1、縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致時稱為縱波。設：那么拉密運動方程可寫成：上式為無限彈性介質中縱波的動搖方程， 即為縱波的傳播速度。2、橫波：質點振動方向與波的傳播方向垂直時稱為橫波。那么拉密運動方程可寫成：上式為無限彈性介質中橫波的動搖方程， 即為橫波的傳播速度。3、外表波：沿介質外表和交界面傳播，振幅隨深度添加而迅速衰減的波稱

3、為外表波注不測表波與縱波和橫波傳播介質區別：面波在層狀介質中傳播，而縱波和橫波在均勻介質中傳播。面波在介質中的傳播速度為：4、波速度比較：縱波和橫波： 由波速的表達式可知，彈性介質的性質及種類不同，彈性常數及密度也不同，因此，彈性波在介質中的傳播速度也不同。這樣，我們用人工爆破、錘擊發生彈性波，并設法用接納儀表測定其波速，利用各種波的的速度差別，可以協助在記錄中識別各種波，同時還可以用來判別巖體的特性及形狀如鞏固或松軟、裂隙與完好以及混凝土樁基的完好性和承載力等，這就是工程上經常運用的“彈性波探測法的實際根據。9.1.2波的反射與透射 從前面討論可知，固體中有兩種彈性波傳播。當任何一種波入射到

4、兩種介質的分界面上時如巖體中的節理、裂隙和斷層等；巖石與混凝土的界面；基樁的樁底、樁身的夾泥層、斷裂、擴頸和縮裂等，將會產生反射和透射，這是由于動搖方程要滿足界面上質點位移延續和應力延續條件。我們經過以下圖可知反射和透射的特點。經過斯奈爾定律亦稱反射與投射定律可知：在樁基質量檢測時，滿足一個特殊的邊境條件，即樁頂錘擊時，平面波垂直入射，當彈性波從樁頂向下不傳播時，碰到彈性性質忽然變化的界面時，不產生波的轉換，僅有反射波和透射波的存在，而不存在反射橫波和透射橫波，即故得反射系數為：反射系數的物理意義是彈性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的大小，闡明界面上能量的分配問題。反射系數的大小取決于

5、上下介質的波阻抗差。波阻抗越大，反射系數越大，反射波的振幅也越大；反之，反射波的振幅就小，當上下介質的波阻抗相等時，那么不產生反射。9.1.3聲波探測儀器設備和運用 巖體聲波探測就是聲波發射、傳播及接納顯示，其相應的儀器有發射、接納換能器和聲波儀。換能器的作用就是使其他方式的能量轉換成聲波的能量和使聲波的能量轉換成其他易于檢測的能量。電能的運用最為方便，目前運用最廣泛的便是電能和超聲能量相互轉換的電聲換能器。9.1.3.1聲波換能器 換能器是聲電能量的轉換器件，俗稱“探頭，發射換能器是將聲波儀發射機輸出的具有一定功率的電信號轉換成聲信號，發射到巖體中，發射聲波利用的是逆壓電效應。接納聲波利用的

6、是正壓電效應。由于實測中對換能器和頻率頻帶、任務方式的要求不同，因此做成了具有不同構造和不同振動方式的壓電換能器。如增壓式換能器的構造如圖9.2所示，具有輕便和靈敏度高等特點。圖9.3和圖9.4是用于巖石試件測試的小型換能器。圖9.2 增壓式換能器的構造1螺栓；2銜接件；3銜接套筒；4后法蘭盤；5接線柱；6電極引線；7壓電陶瓷片；8增壓管；9玻璃鋼；10前法蘭盤圖9.3 試件縱向用換能器1外殼；2陶瓷片；3螺栓；4電纜；5電纜屏蔽層；6墊片；7螺栓圖9.4 試件橫向用換能器1電纜；2螺栓；3墊片；4螺栓電纜；5上蓋；6陶瓷片；7底殼9.1.3.2聲波儀 聲波儀是聲波測試的主要儀器設備，它的主要

7、部件是發射機和接納機，目前我國已研制了多種聲波探測儀，90年代電腦化、數字化超聲波檢測儀器問世，它的組成如圖9.5所示，圖9.5 非金屬數字化聲波檢測儀原理圖當今聲波檢測儀均已數字化，現以數字化聲波檢測儀的發射接納、數據采集及信號處置過程闡明聲波檢測的測試原理。1、聲波的發射聲波的發射方式有以下幾種：1換能器內觸發發射2錘擊外觸發發射3電火花外觸發發射2、聲波的接納3、放大數據及采集 目前國產性能好的聲波檢測儀，在將波形顯示在屏幕上的同時，可將接納信號的首波波幅及首波的到達時間自動加以判讀，同時顯示其數值。對接納到的波形、波幅、聲時等可隨時存入電腦硬盤，做下一步的分析處置。上述聲波信息可在公用

8、的數據與信息處置軟件的支持下，對被測介質做出評價。9.1.3.3換能器的布置方式 根據檢測對象和目的的不同，聲波的檢測方法也不同，主要表達在換能器的布置方式上。換能器的布置方式主要有以下幾種如圖9.6所示：1、透射法2、跨孔測試法3、反射法4、平測法9.2回彈法檢測構造混凝土的抗壓強度 實踐工程中常用的構造混凝土強度的現場檢測方法，可分為非破損法和部分破損法。非破損法是以某些物理量與混凝土立方體試塊強度之間的相關關系為根本根據，在不損壞構造的前提下，測試混凝土的這些物理特性，并按其相關關系推算出混凝土的抗壓強度。目前常用的非破損測強技術有回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法。 用彈擊時能量的變化反映

9、混凝土的彈性和塑性性質，稱為回彈法。詳細來說，就是根據混凝土的回彈值、碳化深度與抗壓強度之間的相關關系來推定其抗壓強度。 回彈法的優點比較突出：儀器構造簡單、方法易于掌握、檢測效率高、費用較低，因此廣泛用于工程驗收的質量檢測。總體來說，回彈法在實踐工程中主要運用于以下四個方面：1根據回彈值推定構造混凝土的抗壓強度；2對比混凝土質量能否到達某一特定要求，如構件的拆模、運輸、吊裝等；3根據回彈值檢驗構造混凝土質量的均勻性；4對構造中混凝土質量有疑問的區域予以確定，以便用其他方法進一步檢測。9.2.1回彈儀 如圖9.7所示為回彈儀的構造原理圖，圖9.7.1為回彈儀的實物照片。其任務原理是：將彈擊桿1

10、頂住混凝土的外表，輕壓儀器，使按鈕6松開，彈擊桿漸漸伸出，并使掛鉤13掛上沖擊錘14。使回彈儀對混凝土外表緩慢均勻施壓，待沖擊錘脫鉤，沖擊錘擊桿后，沖擊錘即帶動指針向后挪動直至到達一定位置時，指針塊的刻度線即在刻度尺5上顯示某一回彈值，逐漸對回彈儀減壓，使彈擊桿自外殼3內伸出，掛鉤掛上沖擊錘，待下一次運用。 回彈儀必需經過有關檢定部門的檢定，獲得檢定合格后在檢定有效期半年內運用。圖9.7.1 HT225W全自動數字回彈儀當回彈儀具有以下情況之一時應送檢定單位檢定：1新回彈儀運用前；2超越檢定有效期半年；3累計彈擊次數超越6000次；4經常規定保養后鋼砧率定值不合格；5蒙受嚴重撞擊或其他損害。9

11、.2.2回彈值的丈量 回彈值是采用回彈法測定構造混凝土強度的根本推算根據，回彈值丈量的能否準確，將直接影響到推算結果。因此，只需在嚴厲一致條件下、一致操作的情況下測試，才會獲得稱心的效果。1測試現場的預備測區外表應為原狀混凝土面，并應清潔、平整、枯燥、無冰凍，不應有疏松層、浮漿、油垢以及蜂窩麻面等，必要時可用砂輪打磨去除外表上的雜物和不平整處，打磨后的外表不應有殘留的粉末或碎屑。構造或構件的試樣、測區均應標有明晰的編號，測區在試樣上的位置和外觀質量情況均應有詳細的描畫。2回彈值的測讀檢測時，除按回彈儀的普通操作規程操作外，尤其要留意：應使回彈儀的軸向一直垂直于測試外表，緩慢均勻施壓，待彈擊桿反

12、彈后測讀回彈值。每一測區彈擊16點當測區有兩個側面時，那么每一側面彈擊8點，測點應避開外露的石子和氣孔，同一測點只允許彈擊一次。3回彈值的數據處置 分別從測區16個測點讀取的回彈值中剔除3個最大值和3個最小值，然后將余下的回彈值按下式計算測區平均回彈值測區平均回彈值，準確到0.1；第個測點的回彈值。 當回彈儀與澆注側面處于其他非程度方向檢測時，應對測區平均回彈值進展角度修正；當測試面不是混凝土的澆注側面時，應對測區平均回彈值進展澆注面修正；當測試時，回彈儀既非呈程度方向，測區又非混凝土的澆注側面時，應先對測區平均回彈值進展角度修正，然后再進展澆注面修正。回彈值的修正見回彈法評定混凝土抗壓強度技

13、術規程。從許多實踐工程的檢測閱歷來看，回彈法經過角度或澆注面修正以后，其測試誤差有所增大，因此，進展回彈法測試時，應盡能夠在構件的澆注側面進展檢測。9.2.3碳化深度值的丈量 經過測試混凝土碳化對回彈值的影響實驗證明，當混凝土強度一樣時，齡期越長，回彈值越大。這主要是由于混凝土外表在空氣中的二氧化碳和水分子的作用下，外表的氫氧化碳轉換成碳酸鈣硬殼，即所謂的碳化。碳化層的厚度隨齡期的增長而增大，回彈值那么隨碳化深度d的增大而增大，直至d大于56mm后，回彈值R隨d的增長逐漸趨于平緩。因此，碳化是必需修正的一個重要要素。所以，回彈測試終了以后，要丈量碳化深度值，丈量不應少于3次，求出平均碳化深度

14、測讀準確至0.5mm。測區平均碳化深度值計算公式如下：9.2.4構造或構件混凝土強度的推定 由測區平均回彈值 及平均碳化深度 查回彈法評定混凝土抗壓強度技術規程JGJ/T232019)，可得出各測區混凝土的抗壓強度。詳細要求如下：1)按下式求出構件或構造混凝土的平均強度當測區數不少于10個時，應計算強度規范差，規范差按下式計算：2構造或構件混凝土強度推定值 應按以下公式確定：(1)當單個構件檢測時，以最小值作為該構件混凝土強度的推定數值，即(2當構造或構件測區數不少于10個或按批量檢測時，應按以下公式計算：3按批量檢測的構件，當該批構件混凝土強度規范差出現以下情況之一時，那么該批構件應全部按單

15、個構件逐個檢測：A、當該批構件混凝土強度平均值規范差 B、當該批構件混凝土強度平均值 不小于25MPa時：規范差 9.3超聲波檢測構造混凝土的抗壓強度 超聲波檢測混凝土強度的根本根據是超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質的親密關系。工程上，通常采用建立試件的超聲聲速與混凝土抗壓強度相關的統計測強曲線，來檢測和評價混凝土的力學性質。9.3.1超聲波檢測儀 超聲聲速與彈性介質的彈性模量之間的數學關系式為：無限彈性介質中傳播的縱波聲速：薄板中的縱波聲速：細長桿中的縱波聲速： 由以上各式可知，超聲波在混凝土中傳播時，其縱波聲速的平方與混凝土的彈性模量成正比，與混凝土的密度成反比。當構造混凝土中有空洞或裂痕

16、存在時，便破壞了混凝土的整體性，聲波只能繞過空洞或裂痕傳播到接納換能器，使接納的聲波振幅減小、傳播的路程增大、測得的聲時偏長、其相應的聲速降低。據此特征可以判別混凝土的強度和質量情況。 因此，在實踐檢測中，超聲聲速是經過混凝土彈性模量與力學強度的內在聯絡，與混凝土抗壓強度建立相關關系，借以推定混凝土強度的。目前，國內外通常采用統計方法建立公用曲線或數學表達式。在我國， 相關曲線根本上采用兩種非線性的數學表達式：和 式中，A,B為閱歷系數。由以上閱歷公式可見，采用超聲聲速參數便是突出了超聲彈性波特性與混凝土彈性模量及強度的相關性。 超聲波檢測系統包括超聲波檢測儀和換能器及耦合劑，常用耦合劑為黃油

17、及漿糊，如圖9.9所示，圖9.9.1為數字超聲探傷儀實物照片。在進展超聲波測試前，應對工程的設計與施工進展詳細的了解，包括構件的尺寸、配筋、混凝土資料的組成、施工方法和混凝土的齡期等相關信息。測試應選擇在配筋少、外表枯燥、平整等具有代表性的部位上，將發射與接納換能器所對應的測點畫在構件相互平行對應的兩個可測外表，構件相對面布置測點應力求方位對等，使每對測點的測距最短。假設一對測點在任一測面上布在蜂窩、麻面或模板漏漿縫上，可適當相應改動該對測點位置，使各對測點外表平整，聲耦合良好，編號并涂耦合劑，即可進展測試。圖9.9 超聲波檢測系統 圖9.9.1 CTS-2000型數字超聲探傷儀 9.3.2超

18、聲傳播時間聲時值的丈量 超聲檢測的現場預備及測區布置與回彈法一樣，為了使構件混凝土測試條件和方法盡能夠與率定曲線時的條件、方法一致，在每個測區相對的兩側面應布置三對超聲波測點。對測時，要求兩換能器的中心同置于一條軸線上，在換能器與混凝土側面之間涂耦合劑，目的是為了保證兩者之間具有可靠的聲耦合。測試前，應將檢測儀預熱10min，并調理首波幅度至3040mm后測讀聲時值作為初讀數。實測中。應將換能器置于測點并壓緊，將接納信號中的初讀數扣除后，即為各測點的實踐聲時值。9.3.3測區聲速值的計算 取各測區3個聲時值的平均值作為測區聲時值 ，由構件的超聲測試厚度即可求得測區聲速值9.3.4混凝土強度評定

19、 根據各測區超聲聲速檢測值，按率定的回歸方程計算或查取 核定曲線，可得對應測區的混凝土強度值，進而推定構造或構件的混凝土強度。圖9.10和9.11分別為卵石混凝土和碎石混凝土的 標定曲線，可以供實踐檢測中參考采用。 圖9.10 卵石混凝土的標定曲線 圖9.11 碎石混凝土的標定曲線 9.4超聲回彈綜合法檢測混凝土強度簡介 上述我們引見了回彈法和超聲法檢測混凝土強度，它們都是以資料的應力、應變行為與強度的關系為根據。回彈法反映了資料的彈性性質，同時在一定程度上也反映了資料的塑性性質，回彈檢測反映的主要為構件的外表或淺層約3cm的強度情況，回彈值受構件外表影響較大。超聲檢測由于它穿過資料，因此反映

20、資料內部構造的密實性、均勻性及強度的信息，但聲波速度值受骨料類徑、砂漿等影響較大。因此，超聲與回彈值的綜合，自然能較準確地反映混凝土的強度，對于反映資料強度更為全面和真實，同時具有相當的量測精度。與單一方法相比，超聲回彈綜合法的優點是精度高、適用范圍廣、對混凝土工程無任何破壞，因此，在我國混凝土工程中已被廣泛運用。該方法的詳細內容可參見有關規范。9.11 .1 ZBL-R620型混凝土鋼筋 探傷儀9.5聲發射技術及其運用簡介 研討闡明，接受荷載的固體往往有熱發射景象、外表電子發射景象和聲發射景象。從能量的轉換角度來看，當固體受荷載以后，就好像一個能量轉換器，將應變能轉換成熱能、電能、聲能發射出

21、去。這些能量是固體因受外力而引發的固有景象，因此，這些能量的特征和量值的大小就自然代表著固體資料內的某些屬性。 當構造或資料受外荷載或內力作用產生變形或斷裂、或資料內部缺陷及潛在缺陷在外部條件下改動形狀時，以彈性波的方式釋放出應變能的景象稱為聲發射。9.5.1聲發射檢測根本原理 聲發射的發生要具備以下兩個條件：1、資料要受外荷載作用；2、資料內部構造或缺陷要發生變化。對于資料的微觀變形和開裂以及裂紋的發生和開展，就可以利用聲發射來提供它們的動態信息。聲發射源往往是資料災難性破壞的發源地，由于聲發射景象普通在資料破壞之前就會出現，因此只需及時捕捉這些聲發射信息，根據其特征及其發射強度，不僅可以推知聲發射源的目前形狀，還可以知道它構成的歷史，并預告其開展的趨勢。 聲發射信號是分析聲發射性質和形狀的根本根據，通常用壓電傳感器在試件外表接納并記錄這些信號，輸入儀器進展各種分析和處置。處置和分析聲發射信號的特性參數有計數和計數率、能量和能量率、以及頻譜和波形、多信號時差等。9.5.2聲發射檢測儀器的組成與類型聲發射檢測常用儀器如圖9.12所示，圖9.12.1為實物照片。9.12 儀器由信號接納、信號處置和信號 、 顯示三部分組成。普通要求聲發射檢測儀器應具有以下特征：1具有高呼應速度、高靈敏度、高增益、高動態范圍及對強信號阻塞的恢復才干；2具有較寬的頻響范圍，有較大的頻率檢