（岩土工程专业论文）混凝土浅层空洞及界面的声波反射探测模型试验研究.pdf

铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作 所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 论文作者签名 时膳杀孑 日期 哆年7 月 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解铁道科学研究院有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留学 位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可 以采用复印 缩印或其他手段保存学位论文 学校可根据有关规定 送交学位论文 对以上规定中的任何一项 本人表示同意 并愿意提供使用 作者签名 芦声 偿莩矿 导师签名日期 娜7 年7 月1 1 日 混凝土浅层空洞及界面的声波探测方法模型试 验研究 声波反射法探测缺陷作为无损检测的一种重要手段在岩土工程中已 获得广泛的应用 但将其应用于探测混凝土浅层缺陷 如内部界面及空 洞时 存在定性判识缺乏依据 定量分析精度不足的问题 原因在于对 实际混凝土中缺陷的多样化和对声波反射法自身的特点认识不足 使得 实际应用中往往很难取得理想的效果 本文通过模型试验 对这些典型缺陷界面声学特性进行分析 寻找 实际混凝土缺陷探测理论基础 论文在分析水中几种典型界面反射波的 时问距离曲线的基础上 对混凝土界面和空洞模型 分别采用自激自收 反射法 共源反射法 固定换能器间距反射法 透射直达波c t 法 表 层直达波c t 法进行了研究 采用了单通道 多通道的时域 频域图分 析法 c t 层析法 m a t l a b 超越方程等数学物理方法进行数据分析 得 出了采用特定的测试布置方法 合理的频率 声波反射法可用于混凝土 浅层空洞及界面探测的结论 同时给出了相应的适用条件 1 论文的研究意义 分析国内外有关混凝土结构缺陷的无损检测资料 特别是涉及冲击 反射法的原理和应用的资料并结合实际工程检测效果可以发现 声波在 混凝土中的衰减很大 利用多次反射来探测混凝土内部缺陷界面很难取 得理想的效果 在混凝土内部缺陷的检测中 由于混凝土内部缺陷的多 样性和复杂性 使得现有的检测方法的精确性不高 有很多问题值得迸 一步的探讨和总结 例如 激励源的选择 敲击点和传感器的位置 不 同缺陷在不同测试方法下的规律等 本文将以实验为基础 针对不同的 反射界面总结不同测试方法的规律 2 论文所完成的工作 2 1 龙泉湖水上实验 在成都龙泉湖上进行了水上实验 共采集波形24 00 多条 其中 主要模型试验有 1 换能器子波形态测试及换能器的制作 2 声波激发方法的研究 3 湖底探测 4 水中球体c t 成像 s 反射法探测水中球体 6 水中平板的探测 7 石块厚度的探测 2 2 混凝土模型试验 以水中声波试验为基础 选取并制作了两个混凝土界面模型 倾斜 界面模型和形空洞模型 1混凝土倾斜界面模型试验 针对倾斜界面制作了混凝土倾斜界面模型 在此模型试验中 用多 种方法测试了倾斜界面 分析比较了共源法探测模型界面倾角和固定偏 移距探测倾斜界面的倾角的特点 并用两种方法测试了倾斜界面的倾角 2 混凝土球形空洞模型试验 对混凝土球形空洞模型 分析了共源法探测球形界面的效果a 其中 包括发射不动移动接收和发射和接收同步移动两种方法 论文的研究思路及主要内容 反射法探测混凝土内部缺陷时 要将换能器置于测试表面上 这样 直达波的存在就是必然的 这种直达波有时是有用的 如可以用表面声 波监测裂纹 但在反射法探测混凝土内部缺陷时 这种波的存在会对缺 陷反射波的识别造成干扰 给测试带来麻烦 为此 本文将对如何区分 缺陷反射波与这种直达波展开讨论 以地震勘探的理论为基础 讨论一些典型界面的探测规律 并以水为 声波的传播介质进行一些界面的模型试验 讨论声波的基本传播特性以 及几种典型界面的声波反射特性 针对两种混凝土界面模型进行探测试 验 讨论不同探测方法的规律和探测效果 本文以地震勘探的一些成果为基础 通过大量水中模型试验测试 认识 了声波的一些基本特性 以水为声波传播介质 有针对性的对凡种界面 模型的时间距离曲线的进行了讨论 在水中模型试验的基础上进行了两 种混凝土界面的模型试验 针对这两种界面 讨论了几种不同的测试方 法 主要内容包括 1 由水中倾斜界面模型的探测可知 用共源法测法估算界面的倾角这 一方法是可行的 在x 由小到大增大的过程中 所计算出的倾角是有误 差的 在x 较小时倾角偏大 x 较大时倾角偏小 试验中之所以能得到 与真实值较接近的结果是因为正负误差正好相互抵消 从倾角误差来看 当x 在1 0 1 5 之间时 误差由正值变为负值 误差较小 2 用自激自收法探测湖底界面 能够探测到湖底界面 且效果较好 对弧形界面的探测 是有误差的 所探钡8 球体的半径r 或曲率p 越 大 直接排列反射波所得界面与真实值越接近 当探测界面为水平直线 时 理论误差减小为0 反之 误差越大 3 l 由水中模型试验可知 发射换能器与接收换能器间距对测试结果有 较大的影响 在发射与接收换能器间距逐渐变大的过程中 直达波是逐 渐变小的 换能器间距为1 0 c m 时直达波与反射波相比已很小了 在时 域内可以很清楚的将二者区分开 换能器间距大于2 0 c m 时 随着换能 器间距的变大 直达波的变化就 e 4 了 因此 测试时应适当增大发射 换能器与接收换能器间的距离 但间距达到一定程度后 再增大距离直 达波的变化就很小了 4 由混凝土倾斜界面模型试验可知 共源法探测界面倾角的良好测试 效果需要一定的测试条件来保证 首先测试中要使直达波振幅与反射波 振幅大小差别比较大 这就要求收 发换能器间距要大于1 5 c m 才行 而共源法探测界面倾角需要两个接收换能器分布在发射换能器两侧 这 样两个接收换能器的间距要大于3 0 c m 其次 测试时换能器应尽量远 离边界界面 以免边界界面反射影响测试效果 因此 共源法探测界面 倾角对探测对象的尺寸要求较高 尺寸小的探测效果不好 5 l 由混凝土倾斜冕面模型试验可知 固定偏移距法探测界面倾角所得 波形的时间差较小 上例中时间差只有1 5 us 这就容易使得测试过程中 的一些误差在最终的测试结果中被放大 为了减小误差 在保证测试效 果的前提下应减小换能器间距x 在测试条件允许的前提下增大换能器 偏移距d 因此固定偏移距法探测界面倾角对测试精度的要求是比较高 的 6 在混凝土倾斜界面模型试验中 对比共源法和固定偏移距法可知 共源法探测界面倾角计算过程简单 方程的解是解析解 不会出现求解 误差 但该方法要求界面尺寸较大才能得到良好的测试效果 在界面尺 寸较小的情况下不易获得多个测点的数据 固定偏移距法进行一个测点 的测试所要求的换能器间距是共源法的一半 可以以较小的换能器偏移 距获得多个测点的数据 但该种测法的计算需解一个超越方程 计算复 杂 对系数的输入要求也较高 以上两种测试方法各有优缺点 应根据 实际条件来选择 或两种测试方法结合起来进行测试 以减小测试误差 7 在共源法探测混凝土球形界面模型试验中 当发射不动而移动接收 时 球形界面在反射波形上有反应 但水平界面 倾斜界恧和球形界面 反射波的拟合曲线都近似为向上凹的二次曲线 从曲线的形状上不好分 辨反射界面的种类 因此 共源法探测球形界面时 对界面有反映 但 不易区分反射界面的形状 8 在共源法探测混凝土球形界面模型试验中 收发同步移动时 当换 能器经过球形界面上方 球形界面在测试结果中有反映 直达波长度有 明显的变化 直达波长度呈先减小后增大的变化规律 因此 这种收发 同步移动的测试方法可以作为区别球形界面与其它界面的一种测试方 法 4 本文结论 论文在分析水中几种典型界面反射波的时间距离曲线的基础上 对 混凝土界面和空洞模型 分别采用自激自收反射法 共源反射法 固定 换能器间距反射法 透射直达波c t 法 表层直达波c t 法进行了研究 采用了单通道 多通道的时域 频域图分析法 c t 层析法 m a t l a b 超 越方程等数学物理方法进行数据分析 得出了声波反射法 含表层直达 波c t 法 可用于探测混凝土浅层空洞及界面的结论 其适用条件及规 律总结如下 1 l 试验中 用声波多次反射来测定反射面深度的方法很难实现 2 l 在没有纵波波速和频率足够高的情况下 可以用表层直达波波速代 替混凝土内部纵波波速 3 采用声波反射法进行混凝土浅层界面及空洞的探测是可行的 多通 道波形排列法更能形象 直观地从整体上反映反射界面的存在及其大致 形状 4 1 用自激自收反射法探测倾斜或有弧度的界面时 用波形排列法对单 通道波形处理得到的界面是有误差的 且倾斜或弧度越大 误差也越大 5 接收与发射换能器间距对测试结果有较大的影响 对本模型而言 建议接收与发射换能器间距在水中应大于1 0 c m 而在混凝土中则要大 于1 5 c m 6 共源声波反射法和固定换能器间距声波反射法探测界面倾角是可行 的 固定换能器间距声波反射法应在保证测试效果的前提下减小换能器 间距 增大测点间距 7 对一定深度的空洞 采用合适的频率 表层直达波c t 探测空洞 是可能的 但对测试和读数精度的要求很高 s t u d yo na c o u s t i c a ir e f i e c t i n gm o d e id e t e c t i n g s h al io wc a v ea n din t e r f a c einc o n c r e t e a c o u s t i c a lr e f l e c t i n gm e t h o d a san o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n h a sb e e nw i d e l yu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g b u tw h e na p p l i e d t o d e t e c t i n gs h a l l o w l a c u n a si nc o n c r e t e s u c ha si n t e r i o r i n t e r f a c ea n dc a v e i tl a c k sf o u n d a t i o no fq u a l i t a t i v ej u d g e m e n t a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y z e dp r e c i s i o n b e c a u s et h ed i v e r s i f i c a t i o n o fl a c u n a si nc o n c r e t ea n dt h ep r o p e r t yo fa c o u s t i c a lr e f l e c t i n g m e t h o di sn o tu n d e r s t o o dc o m p l e t e l y i d e a lp u r p o s ei sh a r d l y a c h i e v e da c t u a ll y i nt h i sp a p e r a c t u a lt h e o r yo fd e t e c t i n gl a c u n a si nc o n c r e t e a r es e a r c h e db ys t u d y i n gm o d e l sa n da n a l y z i n ga c o u s t i c a lp r o p e r t y o ft h e s er e p r e s e n t a t i v el a c u n ai n t e r f a c e s o nt h eg r o u n do f a n a l y z i n gr e f l e c t i n gw a v et i m e d i s t a n c e c u r v e so fs e v e r a l r e p r e s e n t a t i r ei n t e r f a c e s i n t e r f a c e sa n dc a v e si nc o n c r e t ea r e e n d u e dw i t hs e l f e x c i t a t e da n ds e l f r e c e i v e dm e t h o d s h a r e d e x c i t a t i o nm e t h o d f i x e ds e n s o r s p a c e r e f l e c t i o nm e t h o d p e n e t r a t e dd i r e c tw a v ec t m e t h o d s h a ll o ww a v ec tm e t h o d t h e nd a t a a r ea n a l y z e db ym a t h e m a t i c a lp h y s i c sm e t h o d so fs i n g l ec h a n n e la n d m u l t i c e n t e rt i m e d o m a i nf r e q u e n c yd o m a i nm a p ea n a l y s i s c t c h r o m a t o g r a p h y m a t l a bt r a n s c e n d e n t a le q u a t i o n e t c ac o n c l u s i o n i sd r a w nt h a ts h a l l o wc a v e sa n di n t e r f a c e si nc o n c r e t ec a nb e d e t e c t e db ya c o u s t i c a l r e f l e c t i n gm e t h o dw i t hs p e c i a lt e s t i n g c o l l o c a t i o na n dr a t i o n a l f r e q u e n c e a n dr e l e v a n ta p p l i c a b l e q u a l i f i c a t i o n sa r eg i v e na tt h es a m et i m e 1 r e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ff h ep a p e r a f t e ri n v e s t i g a t i o no nn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nd a t a o f c o n c r e t es t r u c t u r a ld e t e c t e s p e c i a l l yt h ed a t ao f ft h e o r ya n d a p p l i e a t i o no fi m p a c t r e f l e c ta n dc o m b i n a t i o nw i t hr e s u l t so f a c t u a le n g i n e e r i n gt e x t u l t r a s o n i cw a v ea t t e n u a t i o ni nc o n c r e t e i ss e r i o u s i d e a lr e s u l t sa r eh a r d l ya c h i e v e d w h e ni n s p e c t i n g d e t e c t si nc o n c r e t eb ym a k i n gu s eo fr e p e t i t i o u sr e f l e c t i o n d u e t od i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t yo fc o n c r e t ed e t e c t s t h ea c c u r a c yo f e x i s t i n gi n s p e c t i o nm e t h o d 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i e ts m a l lw h e n t h ed i s t a n c ei si o c ma n dc l e a ri nt i m e r e g i o n t h ed i r e c t w a v e c h a n g e1 i t t l ew h e nt h ed i s t a n c ei sm o r et h a n2 0 c m t h e r e f o r t h e d i s t a n c es h o u l db ei n c r e a s ei na c t u a lt e s t t h ed i r e c t w a v ec h a n g e l i t t l ew h e nt h ed i s t a n c ei sl a r g e rt h a naf i x e dd i s t a n c e 4 i n s p e c t i o no fc o n c r e t es l o p em o d e ls u g g e s t st h a t s l o p e o b l i q u i t yc a r lb ei n s p e c t e db ys h a r e s o u r c ew a yo n l yw h e ns o m et e s t c o n d i t i o n sa r ep r o v i d e d f i r s t t h ed i f f e r e n c eo fd i r e c t w a v ea n d r e f l e c t e dw a v es h o u l db el a r g e rw h i c hr e q u i r e sal a r g e rd i s t a n c e m o r et h a n1 5 c m m e a n w h i l e i n s p e c t i o no fo b l i q u i t ya l s or e q u i r e s t h et w or e c e i v e ds e n s o r sm u s tb e s y m m e t r i c a la b o u te x c i t a t e d s e n s o ra n ds h ed i s t a n c eo fw h i c hm u s tb el a r g e rt h a n3 0 c m s e c o n d t h es e n s o r ss h o u ldb ef a rf r o m b o u n d a r ie s f o rf e a rt h a tt e s t r e s u l t sw e r ee f f e c t e d b y r e f l e c t e dw a v eo fb o u n d a r i e s c o n s e q u e n t l y i n s p e c t i o no fs l o p er e q u i r e sad e m a n d e dd i s t a n c ea n d t h er e s u l to fw h i c hi si m p r e c i s ew h e nt h ed i s t a n c ei sn o te n o u g h l a r g e 5 i n s p e c ti o no fc o n c r e t es l o p em o d e ls u g g e s t st h a tt h et i m eo f f i x e de x c u r s i o nw a yi n s p e c t i n go b l i q u i t yi fs m a l l t h ee x a m p l e d t i m ei so n l y1 5us w h i c hm a g n i f i e st h ee r r o ri nf i n a lr e s u l t s t om i n i s ht h ee r r o r t h exs h o u l db e a r ee n o u g hg o o d f i x e de x c u r s i o nw a y p r e c i s i o n d e c r e a s e dw h e nt e s tr e s u lt s r e q u i r e sad e m a n d e dt e s t i n g 6 i n i n s p e c t i o n o fc o n c r e t es l o p e m o d e l c o n t r a s tt h e f i x e d s o u r c ew a ya n df i x e de x c u r s i o nw a y w ek n o wt h a tt h e c a l c u l a t e dp r o c e s si sr e l a t i v e l ys i m p l ea n dt h es o l u t i o nt ot h e e q u a t i o ni sp a r s e d t h e r ei sn oe r r o rt os o l v ee q u a t i o n b u tt h i s t e s tw a yr e q u i r e sad e m a n d e dd i s t a n c e m u l t i t e s t e dp o i n t si s d i f f i c u l tt og e tw h e nt h ed i s t a n c ei ss m a l l t h ed i s t a n c eo ff i x e d e x c u r s i o nw a yi so n l yh a l fo ft h ef i x e d s o u r c ew a y m u l t i t e s t e d p o i n t sc a nb eg o tw h e nt h ed i s t a n c ei ss m a l l b u tt h a td e m a n d s o l v i n ga t r a n s c e n d e n t a le q u a t i o na n dac o m p l e xc a l c u l a t e dp r o c e s s a n dae x a c t i n p u t t h ea b o v e t e s tw a y so w nd is a d v a n t a g ea n d a d v a n t a g ea n ds h o u i db ec h o o s ea c c o r d i n gt oa c t u a lc o n d i t 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r e c tw a v e v a r yo b v i o u s l y t h el e n g t hb e c o m es m a l l e rf i r s t t h e nl a r g e r t h e r e f o r t h eh a l1s u r f a c ec a nb ed i s t i n g u i s h e df r o mo t h e r s u r f a c e sb yt h ew a yt h a ts e n s o ra n de x c i t a t e ds e n s o ra r em o v e d s y n c h r o n o u s l y 3 c o n c l u s i o no ft h ep o p e r i nt h i sp a p e r a c t u a lt h e o r y a r es e a r c h e db ys t u d y i n gm o d e l s o fd e t e c ti n gl a c u n a si nc o n c r e t e a n da n a l y z i n ga c o u s t i c a lp r o p e r t y o ft h e s er e p r e s e n t a ti v el a c u n ai n t e r f a c e s o nt h e g r o u n d o f a n a l y z i n gr e f l e c t i n gw a v et i m e d i s t a n c ec u r v e so fs e v e r a l r e p r e s e n t a t i v ei n t e r f a c e s i n t e r f a c e sa n dc a v e si nc o n c r e t ea r e e n d u e dw i t hs e l f e x c i t a t e da n ds e l f r e c e i v e d m e t h o d s h a r e d e x c i t a t i o n m e t h o d f i x e ds e n s o r 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论文在分析水中几种典型界面反射波的时间距离 曲线的基础上