超声波角、平测及声速计算方法

PAGEPAGE54超声波角、平测及声速计算方法张治泰（陕西省建筑科学研究设计院，西安710082）一、概述采用超声波检测混凝土质量，一般是根据构件或结构的几何形状、所处环境、尺寸大小以及所能提供的测试表面等条件，选用不同的测试方法。一般常用的检测方法有以下几种：1.对测法。当混凝土被测部位能提供一对相互平行的测试表面时，可采用对测法检测。即将一对厚度振动式换能器（发射简称F换能器，接收简称S换能器），分别耦合于被测构件同一测区两个相互平行的表面逐点进行测试，F、S换能器的轴线始终位于同一直线上。例如检测一般混凝土柱、梁等构件。2.角测法。当混凝土被测部位只能提供两个相邻表面时，虽然无法进行对测，但可以采用丁角方法检测。即将一对F、S换能器分别耦合于被测构件的两个相邻表面进行逐点测试，两个换能器的轴线形成90°夹角。例如检测旁边存在墙体、管道等障碍物的混凝土柱子。3.平测法。当混凝土被测部位只能提供一个测试表面时，可采用平测法检测。将一对F、S换能器置于被测结构同一个表面，以一定测试距离进行逐点检测。比如检测路面、飞机跑道、隧道壁等结构。其中角测或斜测法以及平测法在超声波检测混凝土缺陷中经常用到，我们在《陕西省综合法检测混凝土强度技术规程》DBJ―24―7―88中提出了超声波斜测（含角测）和平测方法，在《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS02：88中尚未规定这两种测试方法。根据工程检测的需要，在CECS02规程修订稿中增加了角测和平测内容。二、超声波角测及其声速计算1.测试方法。超声波角测法的测点布置如图2―1所示。为使超声波能充分反映构件内部混凝土质量，同时还要避开钢筋的影响，布置超声测点时应使换能器尽量离开构件边缘远一些，同时为了简化测试操作工序，减少测距l和声速v的计算工作量，宜将同一测区三个测点布置成统一的尺寸l1、l2（如图2―1(b)）。通过计算分析表明，换能器中心点与构件边缘的距离只要不小于200mm，混凝土声速小到3.50～3.80km/s均不会受到钢筋的影响。在工程检测中经常遇到的构件，可供测试的两个表面不一样宽，所以布置测点时不要求l1与l2相等，但二者相差不宜大于2倍。l1、l2的测量精度应控制在±1%之内。2.超声测距和混凝土声速计算。丁角测试的测距l可采用F、S换能器中心点与构件边缘的距离l1、l2的平方和再开方求得，即l应按（2―1）式计算：(mm)（2―1）l2FS1l1F1S2F2S3SF3l2l1(a)超声测点布置平面图（b）超声测点布置立面图图2-1超声波角测示意第i点混凝土的声速vi应按（2―2）式计算，精确至0.01km/s。（2―2）式中li――第i点角测的计算测距（mm）ti―――第i点角测的声时测读值（s）t0――声时初读数（s）。根据使用的超声波仪器和所配置的换能器及其连接电缆实测确定。如果同一测区三个测点的l1、l2不相同，则应首先按（2―2）式分别计算三个测点的声速值，再按（2―3）式计算测区混凝土的声速，精确至0.01km/s。（2―3）式中vc――测区混凝土声速（km/s）v1、v2、v3――分别为该测区第1、2、3点的混凝土声速（km/s）当同一测区三个测点的l1、l2相同时，则只计算一个测距值，测区混凝土的声速可按（2―4）式计算，精确至0.01km/s。（2―4）式中vc――测区混凝土声速(km/s);l――超声角测的计算测距(mm);tm――该测区三个测点的声时平均值(s);l1、l2――分别为F、S换能器中心至构件边缘的距离(mm)。大量对比试验表明，丁角测试按（2―4）式计算的声速值与对测声速值没有明显差异，不需作任何修正。三.超声波平测及其声速计算在实际工程检测中有时遇到被测结构或构件只能提供一个测试表面（如道路、机场跑道、现浇楼板、隧道壁、挡土墙等），显然无法用对测和角测的方法进行测试。为了使《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》适应各种类型构件的测试需要，这次修订增加了平测方法。1.测试方法。超声平测法的测点布置如图3―1所示。(a)平面图(b)立面图图3―1超声波平测示意图F－发射换能器；S－接收换能器；G－钢筋轴线因为板型结构或构件的表面内分布有钢筋网片，为了避开钢筋的影响，布置平测超声测点时，应使发射（F）和接收（S）换能器的连线与测点附近钢筋轴线保持一定夹角，一般控制在40°～50°，同时为了减少声速计算工作量，布置超声测点时可使同一测区三个测点的测距保持相等（可采用一根300～400mm长的木条作支撑，以控制每一测点F、S换能器间距的一致性）。大量实践证明，平测时测距过小或过大，超声接收信号的首波起始点难以辨认，测读的声时误差较大。一般将F、S换能器中对中距离保持在300～400mm时，首波起始点较好辨认，便于进行声时测量。但平测法必定只能反映浅层混凝土的质量，对于厚度较大的板式结构（如混凝土承台、筏板等）不宜用平测法，可沿结构表面每间隔一定距离钻一个φ40～φ50mm的超声测试孔，用径向振动式换能器进行声速测量。2.混凝土声速计算。平测时某测点的声速应按（3―1）式计算，精确至0.01km/s。（3―1）式中vi――第i点平测声速值（km/s）;li――第i点F、S换能器中心之间的距离（mm）;t0――声时初读数（s）。测区混凝土声速应按（3―2）式计算，精确至0.01km/s。（3―2）式中vc――测区混凝土声速（km/s）v1、v2、v3――分别为该测区第1、2、3测点的平测声速（km/s）k――平测声速修正系数。当同一测区三个测点的测距相同时，测区混凝土声速可按（3―3）式计算，精确至0.01km/s。（3―3）式中l――F、S换能器中心之间的距离（mm）tm――该测区3个测点的声时平均值（s）k――平测声速修正系数。t0――声时初读数（s）。根据一些模拟试验和工程检测中所做的平测与对测的对比结果表明，平测声速(vP)与对测声速(vd)之间存在差异，但这些差异并非固定值，因为平测的声速受到测试表面混凝土质量好坏的影响较大。所以当测试部位混凝土质量表里一致，表面光洁、平整且未受任何损伤时，平测与对测声速的差异不大，一般vd/vp=1.00～1.03；如果混凝土测试表面粗糙、疏松或存在微裂缝，则vp与vd之间的差异较大，一般vd/vp=1.04～1.15。在实际工程检测中，如有条件在同一测试部位(如剪力墙门洞附近)做平测和对测比较，可求出实际修正系数，按实测修正系数k对平测声速进行修正。当无条件做对比测试时，可选取有代表性的部位，依次改变发射和接收换能器之间的距离（如200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200mm）进行平测,逐点读取相应声时值，然后以测距li与对应声时ti求回归方程l=a+bt,其中回归系数b相当于对测时的混凝土声速vd，然后以vd与各测点声速的平均值vm进行比较，求出该状态下的平测声速修正系数k。下面用几个平测的实例，来说明混凝土测试表面的质量状态，对平测声速修正系数k的影响情况，结果见表3-1。表3-1几个试件的平测分析结果编号测距(mm)200250300350400450500平均声速h-1声时(s)54.663.472.285.097.8109.8113.8声速(km/s)3.663.944.164.124.094.104.394.07回归方程L=350+4.68tr=0.9947k=4.68/4.07=1.151t-1声时(s)54.671.882.697.8114.6120.6126.0声速(km/s)3.663.483.633.583.493.733.973.65回归方程L=350+3.97tr=0.9872k=3.97/3.65=1.088f-3声时(s)73.891.4105.8127.4129.8139.4157.0声速(km/s)2.712.742.842.753.083.233.182.93回归方程L=-107.6+3.68tr=0.9862k=3.68/2.93=1.257k-2声时(s)48.264.680.687.498.6111.4125.0声速(km/s)4.153.873.724.004.064.044.003.98回归方程L=350+4.06tr=0.9954k=4.06/3.98=1.020由表3-1看出，试件h-1