岩土工程测试技术课件第九章

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声波波仪仪声波波仪仪是是声声波波测测试试的的主主要要仪仪器器设设备备，，它它的的主主要要部部件件是是发发射射机机和和接接收收机机，，目目前前我我国国已已研研制制了了多多种种声声波波探探测测仪仪，，90年代代电电脑脑化化、、数数字字化化超超声声波波检检测测仪仪器器问问世世，，它它的的组组成成如如图图9.5所示示，，图9.5非金金属属数数字字化化声声波波检检测测仪仪原原理理图图当今今声声波波检检测测仪仪均均已已数数字字化化，，现现以以数数字字化化声声波波检检测测仪仪的的发发射射接接收收、、数数据据采采集集及及信信号号处处理理过过程程说说明明声声波波检检测测的的测测试试原原理理。。1、声波的发射射声波的发射方方式有以下几几种：1）换换能能器器内内触触发发发发射射2）锤锤击击外外触触发发发发射射3）电电火火花花外外触触发发发发射射2、声声波波的的接接收收3、放放大大数数据据及及采采集集目前前国国产产性性能能好好的的声声波波检检测测仪仪，，在在将将波波形形显显示示在在屏屏幕幕上上的的同同时时，，可可将将接接收收信信号号的的首首波波波波幅幅及及首首波波的的到到达达时时间间自自动动加加以以判判读读，，同同时时显显示示其其数数值值。。对对接接收收到到的的波波形形、、波波幅幅、、声声时时等等可可随随时时存存入入电电脑脑硬硬盘盘，，做做下下一一步步的的分分析析处处理理。。上上述述声声波波信信息息可可在在专专用用的的数数据据与与信信息息处处理理软软件件的的支支持持下下，，对对被被测测介介质质做做出出评评价价。。9.1.3.3换能器的的布置方方式根据检测测对象和和目的的的不同，，声波的的检测方方法也不不同，主主要体现现在换能能器的布布置形式式上。换换能器的的布置形形式主要要有以下下几种（（如图9.6所示）：：1、透射法法2、跨孔测测试法3、反射法法4、平测法法9.2回弹法检检测结构构混凝土土的抗压压强度实际工程程中常用用的结构构混凝土土强度的的现场检检测方法法，可分分为非破破损法和和局部破破损法。。非破损损法是以以某些物物理量与与混凝土土立方体体试块强强度之间间的相关关关系为为基本依依据，在在不损坏坏结构的的前提下下，测试试混凝土土的这些些物理特特性，并并按其相相关关系系推算出出混凝土土的抗压压强度。。目前常常用的非非破损测测强技术术有回弹弹法、超超声法、、超声回回弹综合合法。用弹击时时能量的的变化反反映混凝凝土的弹弹性和塑塑性性质质，称为为回弹法法。具体体来说，，就是根根据混凝凝土的回回弹值、、碳化深深度与抗抗压强度度之间的的相关关关系来推推定其抗抗压强度度。回弹法的的优点比比较突出出：仪器器构造简简单、方方法易于于掌握、、检测效效率高、、费用较较低，因因而广泛泛用于工工程验收收的质量量检测。。总体来来说，回回弹法在在实际工工程中主主要应用用于以下下四个方方面：1）根据回回弹值推推定结构构混凝土土的抗压压强度；；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为回弹仪的的实物照片片。其工作作原理是：：将弹击杆杆1顶住混凝土土的表面，，轻压仪器器，使按钮钮6松开，弹击击杆缓缓伸伸出，并使使挂钩13挂上冲击锤锤14。使回弹仪仪对混凝土土表面缓慢慢均匀施压压，待冲击击锤脱钩，，冲击锤击击杆后，冲冲击锤即带带动指针向向后移动直直至达到一一定位置时时，指针块块的刻度线线即在刻度度尺5上显示某一一回弹值，，逐渐对回回弹仪减压压，使弹击击杆自外壳壳3内伸出，挂挂钩挂上冲冲击锤，待待下一次使使用。回弹仪必须须经过有关关检定部门门的检定，，获得检定定合格后在在检定有效效期（半年年）内使用用。图9.7.1HT225W全自动数字字回弹仪当回弹仪具具有下列情情况之一时时应送检定定单位检定定：1）新回弹仪仪使用前；；2）超过检定定有效期（（半年）；；3）累计弹击击次数超过过6000次；4）经常规定定保养后钢钢砧率定值值不合格；；5）遭受严重重撞击或其其他损害。。9.2.2回弹值的测测量回弹值是采采用回弹法法测定结构构混凝土强强度的基本本推算依据据，回弹值值测量的是是否准确，，将直接影影响到推算算结果。因因此，只有有在严格统统一条件下下、统一操操作的情况况下测试，，才会取得得满意的效效果。1）测试现场场的准备测区表面应应为原状混混凝土面，，并应清洁洁、平整、、干燥、无无冰冻，不不应有疏松松层、浮浆浆、油垢以以及蜂窝麻麻面等，必必要时可用用砂轮打磨磨清除表面面上的杂物物和不平整整处，打磨磨后的表面面不应有残残留的粉末末或碎屑。。结构或构构件的试样样、测区均均应标有清清晰的编号号，测区在在试样上的的位置和外外观质量情情况均应有有详细的描描述。2）回弹值的的测读检测时，除除按回弹仪仪的一般操操作规程操操作外，尤尤其要注意意：应使回回弹仪的轴轴向始终垂垂直于测试试表面，缓缓慢均匀施施压，待弹弹击杆反弹弹后测读回回弹值。每每一测区弹弹击16点（当测区区有两个侧侧面时，则则每一侧面面弹击8点），测点点应避开外外露的石子子和气孔，，同一测点点只允许弹弹击一次。。3）回弹值的的数据处理理分别从测区区16个测点读取取的回弹值值中剔除3个最大值和和3个最小值，，然后将余余下的回弹弹值按下式式计算测区区平均回弹弹值—测区平均回回弹值，精精确到0.1；—第个测点的的回弹值。。当回弹仪与与浇注侧面面处于其他他非水平方方向检测时时，应对测测区平均回回弹值进行行角度修正正；当测试试面不是混混凝土的浇浇注侧面时时，应对测测区平均回回弹值进行行浇注面修修正；当测测试时，回回弹仪既非非呈水平方方向，测区区又非混凝凝土的浇注注侧面时，，应先对测测区平均回回弹值进行行角度修正正，然后再再进行浇注注面修正。。回弹值的的修正见（（回弹法评评定混凝土土抗压强度度技术规程程）。从许许多实际工工程的检测测经验来看看，回弹法法经过角度度或浇注面面修正以后后，其测试试误差有所所增大，因因此，进行行回弹法测测试时，应应尽可能在在构件的浇浇注侧面进进行检测。。9.2.3碳化深度值值的测量通过测试混混凝土碳化化对回弹值值的影响试试验证明，，当混凝土土强度相同同时，龄期期越长，回回弹值越大大。这主要要是由于混混凝土表面面在空气中中的二氧化化碳和水分分子的作用用下，表面面的氢氧化化碳转换成成碳酸钙硬硬壳，即所所谓的碳化化。碳化层层的厚度随随龄期的增增长而增大大，回弹值值则随碳化化深度d的增大而增增大，直至至d大于5~6mm后，回弹值值R随d的增长逐渐渐趋于平缓缓。因此，，碳化是必必须修正的的一个重要要因素。所所以，回弹弹测试完毕毕以后，要要测量碳化化深度值，，测量不应应少于3次，求出平平均碳化深深度测测读精精确至0.5mm。测区平均碳碳化深度值值计算公式式如下：9.2.4结构或构件件混凝土强强度的推定定由测区平均均回弹值及及平均碳碳化深度查查（回回弹法评定定混凝土抗抗压强度技技术规程））（JGJ/T23~2001)，可得出出各测区区混凝土土的抗压压强度。。具体要要求如下下：1)按下式求求出构件件或结构构混凝土土的平均均强度当测区数数不少于于10个时，应应计算强强度标准准差，标标准差按按下式计计算：2）结构或或构件混混凝土强强度推定定值应应按下下列公式式确定：：(1)当单个构构件检测测时，以以最小值值作为该该构件混混凝土强强度的推推定数值值，即(2）当结构构或构件件测区数数不少于于10个或按批批量检测测时，应应按下列列公式计计算：（3）按批量量检测的的构件，，当该批批构件混混凝土强强度标准准差出现现下列情情况之一一时，则则该批构构件应全全部按单单个构件件逐个检检测：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：薄板板中中的的纵纵波波声声速速：：细长长杆杆中中的的纵纵波波声声速速：：由以以上上各各式式可可知知，，超超声声波波在在混混凝凝土土中中传传播播时时，，其其纵纵波波声声速速的的平平方方与与混混凝凝土土的的弹弹性性模模量量成成正正比比，，与与混混凝凝土土的的密密度度成成反反比比。。当当结结构构混混凝凝土土中中有有空空洞洞或或裂裂缝缝存存在在时时，，便便破破坏坏了了混混凝凝土土的的整整体体性性，，声声波波只只能能绕绕过过空空洞洞或或裂裂缝缝传传播播到到接接收收换换能能器器，，使使接接收收的的声声波波振振幅幅减减小小、、传传播播的的路路程程增增大大、、测测得得的的声声时时偏偏长长、、其其相相应应的的声声速速降降低低。。据据此此特特征征可可以以判判断断混混凝凝土土的的强强度度和和质质量量状状况况。。因此此，，在在实实际际检检测测中中，，超超声声声声速速是是通通过过混混凝凝土土弹弹性性模模量量与与力力学学强强度度的的内内在在联联系系，，与与混混凝凝土土抗抗压压强强度度建建立立相相关关关关系系，，借借以以推推定定混混凝凝土土强强度度的的。。目目前前，，国国内内外外通通常常采采用用统统计计方方法法建建立立专专用用曲曲线线或或数数学学表表达达式式。。在在我我国国，，相相关关曲曲线线基基本本上上采采用用两两种种非非线线性性的的数数学学表表达达式式：：和式中中，，A,B为经经验验系系数数。。由由以以上上经经验验公公式式可可见见，，采采用用超超声声声声速速参参数数便便是是突突出出了了超超声声弹弹性性波波特特性性与与混混凝凝土土弹弹性性模模量量及及强强度度的的相相关关性性。。超声波波检测测系统统包括括超声声波检检测仪仪和换换能器器及耦耦合剂剂，常常用耦耦合剂剂为黄黄油及及浆糊糊，如如图9.9所示，，图9.9.1为数字字超声声探伤伤仪实实物照照片。。在进进行超超声波波测试试前，，应对对工程程的设设计与与施工工进行行详细细的了了解，，包括括构件件的尺尺寸、、配筋筋、混混凝土土材料料的组组成、、施工工方法法和混混凝土土的龄龄期等等相关关信息息。测测试应应选择择在配配筋少少、表表面干干燥、、平整整等具具有代代表性性的部部位上上，将将发射射与接接收换换能器器所对对应的的测点点画在在构件件相互互平行行（对对应））的两两个可可测表表面，，构件件相对对面布布置测测点应应力求求方位位对等等，使使每对对测点点的测测距最最短。。如果果一对对测点点在任任一测测面上上布在在蜂窝窝、麻麻面或或模板板漏浆浆缝上上，可可适当当相应应改变变该对对测点点位置置，使使各对对测点点表面面平整整，声声耦合合良好好，编编号并并涂耦耦合剂剂，即即可进进行测测试。。图9.9超声波波检测测系统统图9.9.1CTS-2000型数字字超声声探伤伤仪9.3.2超声传传播时时间（（声时时值））的测测量超声检测的的现场准备备及测区布布置与回弹弹法相同，，为了使构构件混凝土土测试条件件和方法尽尽可能与率率定曲线时时的条件、、方法一致致，在每个个测区相对对的两侧面面应布置三三对超声波波测点。对对测时，要要求两换能能器的中心心同置于一一条轴线上上，在换能能器与混凝凝土侧面之之间涂耦合合剂，目的的是为了保保证两者之之间具有可可靠的声耦耦合。测试试前，应将将检测仪预预热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分别为卵卵石混凝凝土和碎碎石混凝凝土的标标定定曲线，，可以供供实际检检测中参参考采用用。图9.10卵石混凝凝土的标标定曲线线图图9.11碎石混凝凝土的标标定曲线线9.4超声回弹弹综合法法检测混混凝土强强度简介介上述我们们介绍了了回弹法法和超声声法检测测混凝土土强度，，它们都都是以材材料的应应力、应应变行为为与强度度的关系系为依据据。回弹弹法反映映了材料料的弹性性性质，，同时在在一定程程度上也也反映了了材料的的塑性性性质，回回弹检测测反映的的主要为为构件的的表面或或浅层（（约3cm）的强度度状况，，回弹值值受构件件表面影影响较大大。超声声检测由由于它穿穿过材料料，因而而反映材材料内部部构造的的密实性性、均匀匀性及强强度的信信息，但但声波速速度值受受骨料类类径、砂砂浆等影影响较大大。因此此，超声声与回弹弹值的综综合，自自然能较较准确地地反映混混凝土的的强度，，对于反反映材料料强度更更为全面面和真实实，同时时具有相相当的量量测精度度。与单单一方法法相比，，超声回回弹综合合法的优优点是精精度高、、适用范范围广、、对混凝凝土工程程无任何何破坏，，因此，，在我国国混凝土土工程中中已被广广泛使用用。该方方法的具具体内容容可参见见有关规规范。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。声发射信号号是分析声声发射性质质和状态的的基本依据据，通常用用压电传感感器在试件件表面接收收并记录这这些信号，，输入仪器器进行各种种分析和处处理。处理理和分析声声发射信号号的特性参参数有计数数和计数率率、能量和和能量率、、以及频谱谱和波形、、多信号时时差等。9.5.2声发射检测测仪器的组组成与类型型声发射检测测常用仪器器如图9.12所示，图9.12.1为实物照片片。9.12仪器由信号号接收、信信号处理和和信号、、显显示三部分分组成。一般要求