超聲波CT技術在某大橋樁基檢測中的應用
圖表見文章底部
目前檢測樁基內部結構的方法較多,如利用動能、光、聲、電、熱、磁和放射法等技術。比較常見的方法有低應變動力測試、探地雷達測試、鉆芯法、超聲波透射法等。各種方法都有其優、缺點。
(1)低應變動力測試速度快、成本低。但該方法在測試大樁徑或超長樁時,其數據不準確,且樁的淺層缺陷容易屏蔽深層缺陷。
(2)探地雷達測試精度較高,成果較為直觀。但該方法測試易受外界電磁信號干擾,且在遇到金屬界面和富水區域時,其信號容易被屏蔽,且成本較高。
(3)鉆芯法是檢測樁基內部結構應用最古老,技術最成熟,最直觀的方法。但該方法檢測速度慢、成本高,對樁基會造成一定的物理破壞,只能進行少量抽測?,F在,超聲波透射法已經能夠成熟地應用于樁基檢測領域。在工程中,較為重要的大直徑樁基,多會預埋聲測管進行超聲波透射法檢測。但超聲波透射法所得波速為剖面間介質平均縱波速度,因而它雖然能測得缺陷,但其分辨率并不高?,F用超聲波透射法結合CT層析成像技術,能夠得出剖面間介質實際縱波速度。因而,該技術具有高準確率和高分辨率的特點,并且能直觀地展示檢測成果,其應用意義較大。這種用超聲波透射法結合CT層析成像技術的方法,即為超聲波CT技術。
1 方法技術與原理
1.1 超聲波透射原理
(1)超聲波是一種頻率超過20 kHz的機械波。它在介質中傳播時,遇到不同介質,將發生波的反射、折射、繞射、衰減等現象。相應地,傳播時的振幅、波形、頻率也會發生變化。若在一個有限的、均質的,且各向同性的介質中傳播時,超聲波的傳播速度與介質的某些性質則有如下關系:變化,分析判斷介質的內部結構。用超聲法來檢測樁基的內部結構,主要是基于混凝土的強度,其強度越高,超聲波的波速就越快。因此,當超聲波在樁基中傳播遇到軟弱層、缺陷或不密實區域時,產生繞射或直接穿過低速介質時,其聲時值偏大,波幅和頻率降低。根據此特點,即可判定出樁基的內部情況。
1.2 CT層析成像技術
CT層析成像技術是近年發展起來的一門應用交叉學科,涉及數學、物理、計算機、工程與材料等許多學科,有著廣泛的應用價值。采用層析成像技術,可以在不損傷“檢測對象”內部結構的情況下,根據從“檢測對象”用檢測設備獲得的投影數據,通過射線追蹤和反演的迭代運算,求得測試區域的波速場,并生成二維、三維圖像,以呈現出測試對象內部的幾何形態和物理特性。層析成像檢測技術具有信息量豐富,準確可靠,手段多樣化,費用相對較低、速度較快的特點,缺陷評估更直觀。超聲波CT技術其基本原理是:超聲波透射數據采集進行一發多收的扇形法數據采集,具有Ⅳ個發射點,每個發射點都有 個接收數據,形成孔間射線網絡(其發射、接收如圖1所示)。將孔間剖面劃分成N X M個網格,這樣便有了足夠的CT層析成像數據。成像主要計算步驟為:
(1)網格劃分,建立初始波速模型 。
(2)計算理論走時與實際觀測值的殘差△£。
(3)建立并求解大型稀疏超定或亞定方程:A△ V = At式中A為N X M 階Jacobi矩陣;AV為 維曼度(速度的倒數)修正列向量;At為Ⅳ維走時觀測值與理論計算值之差。
(4)在計算出△ 后,對初始波速模型進行修正,重新代人上述步驟(2)~步驟(4)步,直至實測走時與理論走時之差小于預先給定的一個正數,即可成像輸出最終結果。從而可直觀地了解介質的波速分布,借以解決介質內部質量問題。
2 超聲波CT測試
2.1 儀器設備
作者使用中國科學院武漢巖土力學研究所生產的RSMSY5數字智能聲波檢測儀,主要包括超聲波的發生、傳遞、信號自動采集、放大、聲時測量、數據存盤、自動計算波速和實時圖形顯示等功能,采用40 kHz的單發單收柱狀徑向換能器(該頻率換發能器檢測混凝土介質具有較好的效果)。
2.2 數據處理軟件
CT層析成像使用軟件為WYS2005工程物探信息系統。該軟件系統功能較為完善,可以對超聲波透射資料進行處理與管理。該軟件對超聲波透射數據進行二維、三維反演處理,所得結果能較好地反映工程實際情況。
2.3 測試過程
被檢測介質一般為由多種材料組成的非均質介質,會存在如孔隙、水、空氣等,所以超聲波在介質中傳播會有較大衰減。采用低頻換能器和加大發射信號功率,均能增大檢測距離。在實際應用中,應根據需要適當選擇。換能器應與介質有良好的聲耦合。如在混凝土二平行面檢測,則需對測點位置進打磨和表面除塵處理,以保證其表面平整度,明確超聲波的傳播路徑,常用黃油、凡士林等材料作為耦合劑。如在平行孔中檢測,則需在檢測孔中注滿清水,以保證換能器與被檢測介質耦合良好(超聲波透射法測試示意圖見下頁圖2)?!?14.4 m段進行介紹)。通過現場測試得到聲時與聲速值,通過數據對比,聲速異常段波速值見表1。
2.4 CT層析成像根據超聲波透射所采集到的數據,應用WYS 2005層析成像,可以得到成果圖(見下頁圖3、圖4)(選取2剖面 3剖面、3剖面~4剖面)。
2.5 超聲波CT測試成果分析從檢測數據表1可知,該被檢測樁在1剖面~3剖面、2剖面~3剖面、3剖面~4剖面的14.0 m~ 14.4 m段,波速值明顯偏低。從測試成果圖3、圖4可知,2剖面~3剖面在測深14.0 m~14.4 m、測距1 100 m~1 920 mm段(近三號聲測管段),3剖面~4剖面在測深14.0 m~14.4 m、測距0 mill~500 mill段(近三號聲測管段),為色譜異常區域。從以上分析可知,該樁在14.0 m~14.4 m段,近三號聲測管混凝土離析(橫截面見下頁圖5),該段混凝土強度比正常段低約20% 。以上測試結果與后期該樁基取芯驗證結果一致。
3 結論
超聲波CT技術在實際應用中,效率高,成本較低。從以上的實例可以看出,其測試結果具有高分辨率、高確率的特點。因此,該方法在檢測樁基內部結構方面有很好的實際應用價值,該方法在基礎建設中,定能發揮重要的作用。
參考文獻:
[1] 劉金偉.超聲波速評價新、老混凝土粘結質量的試驗研究[J].汕頭大學學報,2002,1(,1):2.
[2] 周明華.對混凝土非破損檢測方法的應用述評[J].施工技術,2002,1(4):34.
[3] 徐國孝.高強混凝土強度非破損檢測現狀[J].浙江建筑,2002,1(3):53.
[4] 楊威,李浩軍.混凝土強度測試新方法研究與試驗[J].工程力學,2001,1(3):101.
[5] 吳世法.近代成像技術與圖像處理[M].北京:國防工業出版社,1997.
[6] 陳凡,徐天平.樁基質量檢測技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.
[7] 陳凡,盧鐵鷹.建筑工程質量檢測工作指南[M].北京:中國計量出版社,2006.
[8] 中國機械工程學會無損檢測分會編.超聲波檢測[M].北京:機械工業出版社,2004.
[9] 張冶森,邱平.超聲波在混凝土質量檢測中的應用[M].北京:化學工業出版社,2006.
[10]董清華.混凝土超聲波、聲波檢測的某些進展[J].混凝土,2o05,1(11):24.
建筑資質代辦咨詢熱線:13198516101