岩土工程测试技术课件-第九章t图文丰富共40

9地下工程无损

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，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波测试的主要要仪器设备，，它的主要部部件是发射机机和接收机，，目前我国已已研制了多种种声波探测仪仪，90年代电脑化、、数字化超声声波检测仪器器问世，它的的组成如图9.5所示，图9.5非金属数字化化声波检测仪仪原理图当今声波检测测仪均已数字字化，现以数数字化声波检检测仪的发射射接收、数据据采集及信号号处理过程说说明声波检测测的测试原理理。1、声波的发射射声波的发射方方式有以下几几种：1）换能器内触触发发射2）锤击外触发发发射3）电火花外触触发发射2、声波的接收收3、放大数据及及采集目前国产性能能好的声波检检测仪，在将将波形显示在在屏幕上的同同时，可将接接收信号的首首波波幅及首首波的到达时时间自动加以以判读，同时时显示其数值值。对接收到到的波形、波波幅、声时等等可随时存入入电脑硬盘，，做下一步的的分析处理。。上述声波信信息可在专用用的数据与信信息处理软件件的支持下，，对被测介质质做出评价。。9.1.3.3换能器的布置置方式根据检测对象象和目的的不不同，声波的的检测方法也也不同，主要要体现在换能能器的布置形形式上。换能能器的布置形形式主要有以以下几种（如如图9.6所示）：1、透射法2、跨孔测试法法3、反射法4、平测测法9.2回弹法法检测测结构构混凝凝土的的抗压压强度度实际工工程中中常用用的结结构混混凝土土强度度的现现场检检测方方法，，可分分为非非破损损法和和局部部破损损法。。非破破损法法是以以某些些物理理量与与混凝凝土立立方体体试块块强度度之间间的相相关关关系为为基本本依据据，在在不损损坏结结构的的前提提下，，测试试混凝凝土的的这些些物理理特性性，并并按其其相关关关系系推算算出混混凝土土的抗抗压强强度。。目前前常用用的非非破损损测强强技术术有回回弹法法、超超声法法、超超声回回弹综综合法法。用弹击击时能能量的的变化化反映映混凝凝土的的弹性性和塑塑性性性质，，称为为回弹弹法。。具体体来说说，就就是根根据混混凝土土的回回弹值值、碳碳化深深度与与抗压压强度度之间间的相相关关关系来来推定定其抗抗压强强度。。回弹法法的优优点比比较突突出：：仪器器构造造简单单、方方法易易于掌掌握、、检测测效率率高、、费用用较低低，因因而广广泛用用于工工程验验收的的质量量检测测。总总体来来说，，回弹弹法在在实际际工程程中主主要应应用于于以下下四个个方面面：1）根据据回弹弹值推推定结结构混混凝土土的抗抗压强强度；；2）对比比混凝凝土质质量是是否达达到某某一特特定要要求，，如构构件的的拆模模、运运输、、吊装装等；；3）根据据回弹弹值检检验结结构混混凝土土质量量的均均匀性性；4）对结结构中中混凝凝土质质量有有疑问问的区区域予予以确确定，，以便便用其其他方方法进进一步步检测测。9.2.1回弹仪仪如图9.7所示为为回弹弹仪的的结构构原理理图，，图9.7.1为回弹弹仪的的实物物照片片。其其工作作原理理是：：将弹弹击杆杆1顶住混混凝土土的表表面，，轻压压仪器器，使使按钮钮6松开，，弹击击杆缓缓缓伸伸出，，并使使挂钩钩13挂上冲冲击锤锤14。使回回弹仪仪对混混凝土土表面面缓慢慢均匀匀施压压，待待冲击击锤脱脱钩，，冲击击锤击击杆后后，冲冲击锤锤即带带动指指针向向后移移动直直至达达到一一定位位置时时，指指针块块的刻刻度线线即在在刻度度尺5上显示示某一一回弹弹值，，逐渐渐对回回弹仪仪减压压，使使弹击击杆自自外壳壳3内伸出出，挂挂钩挂挂上冲冲击锤锤，待待下一一次使使用。。回弹仪仪必须须经过过有关关检定定部门门的检检定，，获得得检定定合格格后在在检定定有效效期（（半年年）内内使用用。图9.7.1HT225W全自自动动数数字字回回弹弹仪仪当回回弹弹仪仪具具有有下下列列情情况况之之一一时时应应送送检检定定单单位位检检定定：：1）新新回回弹弹仪仪使使用用前前；；2）超超过过检检定定有有效效期期（（半半年年））；；3）累累计计弹弹击击次次数数超超过过6000次；；4）经经常常规规定定保保养养后后钢钢砧砧率率定定值值不不合合格格；；5）遭遭受受严严重重撞撞击击或或其其他他损损害害。。9.2.2回弹弹值值的的测测量量回弹弹值值是是采采用用回回弹弹法法测测定定结结构构混混凝凝土土强强度度的的基基本本推推算算依依据据，，回回弹弹值值测测量量的的是是否否准准确确，，将将直直接接影影响响到到推推算算结结果果。。因因此此，，只只有有在在严严格格统统一一条条件件下下、、统统一一操操作作的的情情况况下下测测试试，，才才会会取取得得满满意意的的效效果果。。1）测测试试现现场场的的准准备备测区区表表面面应应为为原原状状混混凝凝土土面面，，并并应应清清洁洁、、平平整整、、干干燥燥、、无无冰冰冻冻，，不不应应有有疏疏松松层层、、浮浮浆浆、、油油垢垢以以及及蜂蜂窝窝麻麻面面等等，，必必要要时时可可用用砂砂轮轮打打磨磨清清除除表表面面上上的的杂杂物物和和不不平平整整处处，，打打磨磨后后的的表表面面不不应应有有残残留留的的粉粉末末或或碎碎屑屑。。结结构构或或构构件件的的试试样样、、测测区区均均应应标标有有清清晰晰的的编编号号，，测测区区在在试试样样上上的的位位置置和和外外观观质质量量情情况况均均应应有有详详细细的的描描述述。。2）回回弹弹值值的的测测读读检测测时时，，除除按按回回弹弹仪仪的的一一般般操操作作规规程程操操作作外外，，尤尤其其要要注注意意：：应应使使回回弹弹仪仪的的轴轴向向始始终终垂垂直直于于测测试试表表面面，，缓缓慢慢均均匀匀施施压压，，待待弹弹击击杆杆反反弹弹后后测测读读回回弹弹值值。。每每一一测测区区弹弹击击16点（（当当测测区区有有两两个个侧侧面面时时，，则则每每一一侧侧面面弹弹击击8点）），，测测点点应应避避开开外外露露的的石石子子和和气气孔孔，，同同一一测测点点只只允允许许弹弹击击一一次次。。3）回弹值值的数据据处理分别从测测区16个测点读读取的回回弹值中中剔除3个最大值值和3个最小值值，然后后将余下下的回弹弹值按下下式计算算测区平平均回弹弹值—测区平均均回弹值值，精确确到0.1；—第个测点点的回弹弹值。当回弹仪仪与浇注注侧面处处于其他他非水平平方向检检测时，，应对测测区平均均回弹值值进行角角度修正正；当测测试面不不是混凝凝土的浇浇注侧面面时，应应对测区区平均回回弹值进进行浇注注面修正正；当测测试时，，回弹仪仪既非呈呈水平方方向，测测区又非非混凝土土的浇注注侧面时时，应先先对测区区平均回回弹值进进行角度度修正，，然后再再进行浇浇注面修修正。回回弹值的的修正见见（回弹弹法评定定混凝土土抗压强强度技术术规程））。从许许多实际际工程的的检测经经验来看看，回弹弹法经过过角度或或浇注面面修正以以后，其其测试误误差有所所增大，，因此，，进行回回弹法测测试时，，应尽可可能在构构件的浇浇注侧面面进行检检测。9.2.3碳化深度度值的测测量通过测试试混凝土土碳化对对回弹值值的影响响试验证证明，当当混凝土土强度相相同时，，龄期越越长，回回弹值越越大。这这主要是是由于混混凝土表表面在空空气中的的二氧化化碳和水水分子的的作用下下，表面面的氢氧氧化碳转转换成碳碳酸钙硬硬壳，即即所谓的的碳化。。碳化层层的厚度度随龄期期的增长长而增大大，回弹弹值则随随碳化深深度d的增大而而增大，，直至d大于5~6mm后，回弹弹值R随d的增长逐逐渐趋于于平缓。。因此，，碳化是是必须修修正的一一个重要要因素。。所以，，回弹测测试完毕毕以后，，要测量量碳化深深度值，，测量不不应少于于3次，求出出平均碳碳化深度度测测读读精确至至0.5mm。测区平均均碳化深深度值计计算公式式如下：：9.2.4结构或构构件混凝凝土强度度的推定定由测区平平均回弹弹值及及平均均碳化深深度查查（（回弹法法评定混混凝土抗抗压强度度技术规规程）（（JGJ/T23~2001)，可得出各测测区混凝土的的抗压强度。。具体要求如如下：1)按下式求出构构件或结构混混凝土的平均均强度当测区数不少少于10个时，应计算算强度标准差差，标准差按按下式计算：：2）结构或构件件混凝土强度度推定值应应按按下列公式确确定：(1)当单个构件检检测时，以最最小值作为该该构件混凝土土强度的推定定数值，即(2）当结构或构构件测区数不不少于10个或按批量检检测时，应按按下列公式计计算：（3）按批量检测测的构件，当当该批构件混混凝土强度标标准差出现下下列情况之一一时，则该批批构件应全部部按单个构件件逐个检测：：A、当该批构件件混凝土强度度平均值标准差〉B、当该批构件件混凝土强度度平均值不不小小于25MPa时：标准差〉9.3超声波检测结结构混凝土的的抗压强度超声波检测混混凝土强度的的基本依据是是超声波传播播速度与混凝凝土的弹性性性质的密切关关系。工程上上，通常采用用建立试件的的超声声速与与混凝土抗压压强度相关的的统计测强曲曲线，来检测测和评估混凝凝土的力学性性质。9.3.1超声波检测仪仪超声声速与弹弹性介质的弹弹性模量之间间的数学关系系式为：无限限弹性介质中中传播的纵波波声速：薄板中的纵波波声速：细长杆中的纵纵波声速：由以上各式可可知，超声波波在混凝土中中传播时，其其纵波声速的的平方与混凝凝土的弹性模模量成正比，，与混凝土的的密度成反比比。当结构混混凝土中有空空洞或裂缝存存在时，便破破坏了混凝土土的整体性，，声波只能绕绕过空洞或裂裂缝传播到接接收换能器，，使接收的声声波振幅减小小、传播的路路程增大、测测得的声时偏偏长、其相应应的声速降低低。据此特征征可以判断混混凝土的强度度和质量状况况。因此，在实际际检测中，超超声声速是通通过混凝土弹弹性模量与力力学强度的内内在联系，与与混凝土抗压压强度建立相相关关系，借借以推定混凝凝土强度的。。目前，国内内外通常采用用统计方法建建立专用曲线线或数学表达达式。在我国国，相相关曲线基基本上采用两两种非线性的的数学表达式式：和式中，A,B为经验系数。。由以上经验验公式可见，，采用超声声声速参数便是是突出了超声声弹性波特性性与混凝土弹弹性模量及强强度的相关性性。超声波检测系系统包括超声声波检测仪和和换能器及耦耦合剂，常用用耦合剂为黄黄油及浆糊，，如图9.9所示，图9.9.1为数字超声探探伤仪实物照照片。在进行行超声波测试试前，应对工工程的设计与与施工进行详详细的了解，，包括构件的的尺寸、配筋筋、混凝土材材料的组成、、施工方法和和混凝土的龄龄期等相关信信息。测试应应选择在配筋筋少、表面干干燥、平整等等具有代表性性的部位上，，将发射与接接收换能器所所对应的测点点画在构件相相互平行（对对应）的两个个可测表面，，构件相对面面布置测点应应力求方位对对等，使每对对测点的测距距最短。如果果一对测点在在任一测面上上布在蜂窝、、麻面或模板板漏浆缝上，，可适当相应应改变该对测测点位置，使使各对测点表表面平整，声声耦合良好，，编号并涂耦耦合剂，即可可进行测试。。图9.9超声波检测系系统图9.9.1CTS-2000型数字超声探探伤仪9.3.2超声传播时间间（声时值））的测量超声检测的现现场准备及测测区布置与回回弹法相同，，为了使构件件混凝土测试试条件和方法法尽可能与率率定曲线时的的条件、方法法一致，在每每个测区相对对的两侧面应应布置三对超超声波测点。。对测时，要要求两换能器器的中心同置置于一条轴线线上，在换能能器与混凝土土侧面之间涂涂耦合剂，目目的是为了保保证两者之间间具有可靠的的声耦合。测测试前，应将将检测仪预热热10min，并调节首首波幅度至至30~40mm后测读声时时值作为初初读数。实实测中。应应将换能器器置于测点点并压紧，，将接收信信号中的初初读数扣除除后，即为为各测点的的实际声时时值。9.3.3测区声速值值的计算取各测区3个声时值的的平均值作作为测区声声时值，，由由构件的超超声测试厚厚度即可求求得测区声声速值9.3.4混凝土强度度评定根据各测区区超声声速速检测值，，按率定的的回归方程程计算或查查取核核定曲线，，可得对应应测区的混混凝土强度度值，进而而推定结构构或构件的的混凝土强强度。图9.10和9.11分别为卵石石混凝土和和碎石混凝凝土的标标定曲曲线，可以以供实际检检测中参考考采用。图9.10卵石混凝土土的标定曲曲线图图9.11碎石混凝土土的标定曲曲线9.4超声回弹综综合法检测测混凝土强强度简介上述我们介介绍了回弹弹法和超声声法检测混混凝土强度度，它们都都是以材料料的应力、、应变行为为与强度的的关系为依依据。回弹弹法反映了了材料的弹弹性性质，，同时在一一定程度上上也反映了了材料的塑塑性性质，，回弹检测测反映的主主要为构件件的表面或或浅层（约约3cm）的强度状状况，回弹弹值受构件件表面影响响较大。超超声检测由由于它穿过过材料，因因而反映材材料内部构构造的密实实性、均匀匀性及强度度的信息，，但声波速速度值受骨骨料类径、、砂浆等影影响较大。。因此，超超声与回弹弹值的综合合，自然能能较准确地地反映混凝凝土的强度度，对于反反映材料强强度更为全全面和真实实，同时具具有相当的的量测精度度。与单一一方法相比比，超声回回弹综合法法的优点是是精度高、、适用范围围广、对混混凝土工程程无任何破破坏，因此此，在我国国混凝土工工程中已被被广泛使用用。该方法法的具体内内容可参见见有关规范范。9.11.1ZBL-R620型混凝土钢钢筋探伤伤仪9.5声发射技术术及其应用用简介研究表明，，承受荷载载的固体往往往有热发发射现象、、表面电子子发射现象象和声发射射现象。从从能量的转转换角度来来看，当固固体受荷载载以后，就就如同一个个能量转换换器，将应应变能转换换成热能、、电能、声声能发射出出去。这些些能量是固固体因受外外力而引发发的固有现现象，因此此，这些能能量的特征征和量值的的大小就自自然代表着着固体材料料内的某些些属性。当结构或材材料受外荷荷载或内力力作用产生生变形或断断裂、或材材料内部缺缺陷及潜在在缺陷在外外部条件下下改变状态态时，以弹弹性波的形形式释放出出应变能的的现象称为为声发射。。9.5.1声发射检测测基本原理理声发射的发发生要具备备以下两个个条件：1、材料要受受外荷载作作用；2、材料内部部结构或缺缺陷要发生生变化。对对于材料的的微观变形形和开裂以以及裂纹的的发生和发发展，就可可以利用声声发射来提提供它们的的动态信息息。声发射射源往往是是材料灾难难性破坏的的发源地，，由于声发发射现象一一般在材料料破坏之前前就会出现现，因此只只要及时捕捕捉这些声声发射信息息，根据其其特征及其其发射强度度，不仅可可以推知声声发射源的的目前状态态，还可以以知道它形形成的历史史，并预报报其发展的的趋势。声发射信信号是分分析声发发射性质质和状态态的基本本依据，，通常用用压电传传感器在在试件表表面接收收并记录录这些信信号，输输入仪器器进行各各种分析析和处理理。处理理和分析析声发射射信号的的特性参参数有计计数和计计数率、、能量和和能量率率、以及及频谱和和波形、、多信号号时差等等。9.5.2声发射检检测仪器器的组成成与类型型声发射检检测常用用仪器如如图9.12所示，图图9.12.1为实物照照片。9.12仪器由信信号接收收、信号号处理和和信号、、显显示示三部分分组成。。一般要求求声发射射检测仪仪器应具具有以下下特征：：1）具有高高响应速速度、高高灵敏度度、高增增益、高高动态范范围及对对强信号号阻塞的的恢复能能力；2）具有较较宽的频频响范围围，有较较大的频频率检测测窗口选选择余地地；3）具有抗抗干扰和和排除噪噪声的多多种功能能；4）根据检检测的目目的不同同，还要要求检测测仪器具具有快速速、完善善的分析析处理功功能和不不同的显