1、第三章 公路工程中超聲波檢測技術(shù)第一節(jié) 超聲波檢測概述超聲波檢測技術(shù)是近年來在道路路基路面中應用的一種新的無損檢測的新技術(shù)超聲波檢測技術(shù)的早期應用（建筑工程和巖土工程）及其應用前景超聲波作為一種波，它在傳輸過程中服從波的傳播規(guī)律超聲波在材料中保持直線行進（理想條件），若組成材料較粗，甚至有一定的孔隙時，波將產(chǎn)生吸收、散射和擴散三種狀態(tài)反射和折射定律波發(fā)生反射時入射角和反射角相等波的傳輸定理，即 （ 為波速， 為波長， 為頻率），也可以這樣改寫， （ 為波的行程時間）波速法第二節(jié) 超聲波檢測基本原理波速法即用波在路基路面材料中的行進速度來檢測其力學特性的方法無限大固體介質(zhì)中縱波的傳播速度（當固體

2、介質(zhì)的尺寸與所傳播的波長相比足夠大時可視為半無限大體，其波速與無限大介質(zhì)中的波速相近） 3-1 超聲波縱波波速（m/s） 彈性模量（MPa） 介質(zhì)材料密度（g/cm3） 泊松比，無量綱材料的強度與波速的關(guān)系材料的強度愈高，穿過它的超聲波波速值就愈高材料的強度愈低，穿過它的超聲波波速值就愈低超聲波檢測的依據(jù)超聲波在正常材料體和有缺陷材料體中的波速不同材料的彈性模量 3-2幾種常用的路用巖體聲波波速表縱波波速縱波波速巖石種類 （m/s）巖石種類 （m/s）輝綠巖6050大理石5800玄武巖5700石英黑云母麻巖5600安山巖5200雙云母片麻巖5300石英斑巖5500奧陶紀石灰?guī)r5000花崗巖50

3、00前泥盆級砂巖4800花崗斑巖5100前生代沉積巖3000超聲波縱波波速、橫波波速與表面波波速三者之間的關(guān)系 (3-3) (3-4) 橫波波速，質(zhì)點振動 方向垂直于波傳播方向 縱波波速，質(zhì)點振動方向和波傳播方向一致 表面波波速，質(zhì)點振動軌跡是橢圓形，長軸垂直于傳播方向，短軸 平行于傳播方向，表面波沿界面表面?zhèn)鞑セ炷敛牧系目箟簭姸扰c超聲波縱波傳播速度之間的關(guān)系曲線混凝土的抗壓強度 與縱波速度 的關(guān)系，一般可用經(jīng)驗公式表示： （3-5）或 （3-6）式中： 混凝土的抗壓強度（MPa） 超聲波縱波波速（km/s) 、 、 與混凝土原材料、配合比有關(guān)的系數(shù)，可通過實驗求得 通過實驗求得的系數(shù)，該系

4、數(shù)這樣求得：由試件試驗，先求得 與 ，然后相除，即： 平均波速法假設(shè)超聲波從發(fā)射到接收到的時間為t，發(fā)射器與接收器之間的距離為L，如圖3-2所示。在圖中，E、與分別是材料的彈性模量、密度與介電常數(shù)。由圖看出，平均波速為： （3-8）圖3-2 超聲波發(fā)射、接收示意圖由式（3-8）可知，當超聲波以角向材料中發(fā)射近似表面波時，根據(jù)波傳輸最短距離原則，波由點經(jīng)點到點為最短，為此，便構(gòu)成波的近似ABC。顯然，B點是ABC的對稱點。在ABC中，由于D點為中點，因此，波從A點到B點所經(jīng)過的路程為：發(fā)射角較小時(例如，5以內(nèi))，就成為直達波，此時，波的行程近似為： （310）式中符號意義同上。波的發(fā)射 波的發(fā)

5、射是路基路面超聲波檢測技術(shù)的又一關(guān)鍵因素。當波垂直于路基路面方向發(fā)射時，波能的全部或近似全部損耗于材料中，散射到面層的能量近于零，在實際工作中，對路基路面檢測沒有用處。當波大于45角發(fā)射時，情況與垂直時大體相同，從理論上講，波的散射量稍多一點，但由于量太少，沒有代表性，因而，也沒有實際用途。當波的發(fā)射小于45角時，回射或散射的波能多起來，發(fā)射角愈小，則散射或回射能量愈多。但當發(fā)射角等于零時(貼面或沿面發(fā)射)，將有一半能量發(fā)射在空氣中，只有一半能量進入路基路面表面層，且有一部分能量散射或回射后被探頭接收，散發(fā)情況如圖3-3所示。圖3-3 能量散發(fā)情況 第三節(jié) 超聲波路面探傷應用技術(shù)超聲波探傷概述

6、超聲波反射法測量原理測量原理圖圖3-4 超聲波反射法測量原理若超聲波在路面中行進的正常波速為 ，由于路面結(jié)構(gòu)中存在缺損時，例如結(jié)構(gòu)軟弱層或空洞等，聲波產(chǎn)生小反射和繞射，使時間減緩拉長，由于兩探頭距離L一定，因此，波速隨即變小。若用實驗得到軟弱時波速為 ，空洞時的波速 為等一組標準結(jié)構(gòu)缺陷波速值，即可得到缺陷波速與標準波速的比值，如下式所示： （3-11） 某一種缺陷波速（m/s） 結(jié)構(gòu)標準波速（m/s）這樣，檢測人員就可以根據(jù) 的大小，初步判斷出缺陷的性質(zhì)根據(jù)實踐，水泥混凝土結(jié)構(gòu)的空洞直徑由下式求出： （3-12）空洞的直徑（cm）聲波經(jīng)過的長度（m）td有空洞處超聲波傳播的時間（s）tc無空

7、洞處超聲波傳播的時間（s）超聲波表面波測量原理測量原理圖圖3-5 超聲波表面法測量原理圖表面裂縫與路面正交時的縫深計算裂縫深度計算式： （3-14）h裂縫深度（cm）d探頭對稱距離cm） 無裂縫時聲波經(jīng)過2d的時間（s） 有裂縫時聲波經(jīng)過2d的時間（s）圖3-6 表面裂縫與路面正交時的縫深求算圖在利用式（3-14）求算裂縫深度時，必須是裂縫與表面正交的情況，而且，選擇的標準表面應與該結(jié)構(gòu)的基本質(zhì)量狀況一致，才能確保測量精度，否則，會引起誤差 第四節(jié) 超聲波測定路面材料動態(tài)彈性模量與分析針對半剛性材料采用超聲波測定其動態(tài)彈性模量試驗測定把發(fā)射探頭和接受探頭接觸在試件表面，由發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，被接收探頭所接收，根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度來確定介質(zhì)的特性測試試件尺寸為1010cm的圓柱體，將探頭對稱地置于試件兩端的中心位置，用凡士林作耦合