基于SASW的水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究

傅魁利

(德州市李家岸灌區(qū)運(yùn)行維護(hù)中心，山東 德州 251500)

0 引 言

混凝土是水利工程建設(shè)中最常用的材料，水工混凝土的施工質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)的運(yùn)行功能具有重要影響。但是受各種因素影響，水工混凝土的施工質(zhì)量往往參差不齊，結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求成為參建各方關(guān)注的焦點(diǎn)，各方都迫切需要一種快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)手段來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的強(qiáng)度和施工質(zhì)量[1-3]。

取芯試驗(yàn)最能反映混凝土的施工質(zhì)量，但是取芯僅能代表被檢測(cè)點(diǎn)部位的質(zhì)量，同時(shí)取芯還受到各方面的限制，不僅花費(fèi)大量的人力物力，而且還可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的損傷，因此取芯試驗(yàn)逐漸被無(wú)損檢測(cè)所取代。其中回彈法檢測(cè)是目前比較常用的水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)手段，通過(guò)混凝土表面硬度來(lái)推測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但該方法只適用于均質(zhì)混凝土的質(zhì)量檢測(cè)，且測(cè)強(qiáng)齡期一般為4～1 000 d，而水工混凝土的服役年限一般都在幾十年甚至上百年，因此該方法并不能適用于混凝土質(zhì)量的長(zhǎng)期檢測(cè)。另外，超聲波法也是目前水利工程中的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，但是相關(guān)研究表明，超聲波波速與混凝土強(qiáng)度之間相關(guān)性并不高，因而限制了其在水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[4-7]。

針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)存在的缺陷，本文基于表面波頻譜法，對(duì)引水隧洞襯砌混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，探討該方法在水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的可行性和合理性，以期能為實(shí)現(xiàn)水工混凝土的快速準(zhǔn)確檢測(cè)提供方法借鑒。

1 SASW法工作原理

1.1 沖擊彈性波

在無(wú)損檢測(cè)工作中，最常用的為沖擊彈性波、電磁波、超聲波或者放射線等幾類，其中電磁波和沖擊波的激振能量更大，具有傳播距離遠(yuǎn)、傳播范圍廣、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)結(jié)果易于進(jìn)行頻譜分析等特點(diǎn)，在工程材料損傷檢測(cè)中應(yīng)用比較實(shí)用[8]。沖擊彈性波根據(jù)傳播方向與粒子振動(dòng)方向之間的相互關(guān)系，可將其劃分為P波(縱波、疏密波)、S波(橫波、剪切波)、R波(瑞利波)、L波(板波)以及其他波。在多種彈性波中，P波的傳播速度最快，主要依存于彈性模量E；S波和R波分別僅為P波波速的60%和55%，主要依存于剪切模量G；L波的波速隨頻率變化范圍較大，主要依存于彈性模量E和G。各類沖擊彈性波特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同種類沖擊彈性波特點(diǎn)對(duì)比

1.2 基本原理

表面波頻譜分析法(SASW法)最先由Nazarian和Stoke于20世紀(jì)80年代末提出，SASW法屬于地震波檢測(cè)法[7]，其原理是利用兩道傳感器接收到的沖擊錘激振產(chǎn)生的彈性波(R波)信號(hào)，對(duì)頻率進(jìn)行分析，再通過(guò)頻率信號(hào)的相位差循環(huán)來(lái)獲得檢測(cè)對(duì)象的R波頻散曲線，從而通過(guò)頻散曲線特征來(lái)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的現(xiàn)有狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。SASW法最先應(yīng)用于巖土工程或者路面的剪切波性能檢測(cè)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前在混凝土質(zhì)量檢測(cè)中也逐漸普及開(kāi)來(lái)。

SASW法的基本操作步驟為：①采集檢測(cè)數(shù)據(jù)；②建立兩道傳感器R波數(shù)字信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)；③利用頻率域快速傅里葉變換，得到兩道信號(hào)的互功率譜；④將兩道互功率譜相位沿頻率軸展開(kāi)，得到兩道信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)相位譜；⑤利用相位譜計(jì)算得到不同頻率下的相位差；⑥通過(guò)相位差和兩道信號(hào)的傳播時(shí)差，計(jì)算得到波速和波長(zhǎng)，從而繪制出最終的頻散曲線。SASW法原理見(jiàn)圖1。

圖1 SASW法工作原理示意

1.3 適用性

SASW法屬于兩道信號(hào)互相關(guān)的一維頻率域的表面波檢測(cè)方法，適用于相對(duì)均質(zhì)、分層特性不明顯的混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，兩道傳感器間距宜選擇被檢測(cè)對(duì)象厚度的1～1.5倍，在此間距下最有利于層間結(jié)合狀態(tài)的判斷；接觸時(shí)間越短，檢測(cè)得到的相位譜循環(huán)越好。因此，當(dāng)檢測(cè)對(duì)象的厚度較小時(shí)，宜首選小錘對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行快速敲擊，從而獲得良好的相位譜循環(huán)。

2 案例應(yīng)用

2.1 工程概況

某引水隧洞二標(biāo)段總長(zhǎng)3.75 km，設(shè)計(jì)引水流量為20 m3/s，隧洞主要以Ⅲ～Ⅴ類圍巖為主，隧洞襯砌設(shè)計(jì)均采用C25鋼筋混凝土，其中Ⅲ類圍巖的襯砌厚度為30 cm，Ⅳ類圍巖的襯砌厚度為35 cm，Ⅴ類圍巖的襯砌厚度為40 cm。通過(guò)初期地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧洞襯砌質(zhì)量存在如下問(wèn)題：頂拱附近脫空、鋼筋間距不符合設(shè)計(jì)規(guī)范、部分位置配筋缺失、部分洞段混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。為了了解目前隧洞襯砌的質(zhì)量現(xiàn)狀，對(duì)隧洞當(dāng)前安全狀況進(jìn)行精確評(píng)估，及時(shí)采取合理有效的補(bǔ)救加固措施，利用SASW法對(duì)隧道襯砌混凝土展開(kāi)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。

2.2 檢測(cè)點(diǎn)布置

隨機(jī)選取6個(gè)檢測(cè)斷面，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖各兩個(gè)，每個(gè)檢測(cè)斷面共檢測(cè)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別位于頂拱中央、頂拱左右兩側(cè)以及左右兩側(cè)墻各一個(gè)，見(jiàn)圖2。在檢測(cè)過(guò)程中，兩道傳感器的間距為40～60 cm，具體視現(xiàn)場(chǎng)情況而定。

圖2 檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

2.3 現(xiàn)場(chǎng)取芯

在利用SASW法對(duì)襯砌混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)之前，需要建立R波速度與混凝土強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系。具體過(guò)程為：隨機(jī)對(duì)襯砌混凝土進(jìn)行鉆孔取芯，取芯長(zhǎng)度185～270 cm，利用沖擊回波法測(cè)試混凝土試件的一維P波速度(Vp1=2×L×f，其中L為試件長(zhǎng)度，m；f為卓越頻率，Hz)，通過(guò)一維P波速度可換算成三維P波速度(Vp1=Vp3×0.949)，然后再由三維P波速度推導(dǎo)得到R波波速(Vp3=1.79×VR)，測(cè)完波速后，將試件加工，對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，最終得到R波波速與襯砌混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。

試驗(yàn)得到的混凝土強(qiáng)度隨R波波速的變化曲線見(jiàn)圖3。從圖3中可以看到，隨著R波波速的增大，襯砌混凝土的強(qiáng)度呈逐漸遞增的相關(guān)內(nèi)容關(guān)系，且R波波速與單軸抗壓強(qiáng)度之間呈較好的指數(shù)型函數(shù)關(guān)系。因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)，可得：

圖3 R波波速VR與強(qiáng)度S的關(guān)系曲線

S=1.179×e0.001 7VR

(1)

式中：S為混凝土強(qiáng)度，MPa，VR為R波波速，m/s。

通過(guò)式(1)可以得出，當(dāng)SASW法所測(cè)的R波波速大于1 800 m/s后，襯砌混凝土強(qiáng)度就能達(dá)到C25的強(qiáng)度要求，因此將1 800 m/s確定為SASW法在該隧洞襯砌混凝土中評(píng)定質(zhì)量是否合格的閾值。另外，頻散曲線也是判別混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。頻散曲線如果變化連續(xù)、平緩，說(shuō)明混凝土與基巖結(jié)合良好，無(wú)脫空現(xiàn)象；如果出現(xiàn)明顯間斷，就說(shuō)明混凝土存在脫空現(xiàn)象，同時(shí)通過(guò)頻散曲線還可初步判斷混凝土襯砌厚度。

2.4 SASW法檢測(cè)結(jié)果

對(duì)6個(gè)檢測(cè)斷面30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的R波波速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可知，對(duì)于襯砌混凝土強(qiáng)度，VR值均高于1 800 m/s，均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25的要求；襯砌混凝土與圍巖結(jié)合方面，Ⅲ類-1左邊墻，Ⅳ類-1頂拱、頂拱右，Ⅳ類-2頂拱、頂拱右，以及Ⅴ類-1頂拱、頂拱左、頂拱右，Ⅴ類-2頂拱、頂拱左、頂拱右、右邊墻存在與基巖脫空現(xiàn)象，這說(shuō)明該洞段特別是頂拱處襯砌混凝土與圍巖脫空現(xiàn)象普遍存在，這與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果基本相符，因而需要在后期采取注漿加固措施；襯砌厚度方面，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的襯砌混凝土厚度基本滿足設(shè)計(jì)要求，但Ⅴ類圍巖襯砌厚度有4處低于40 cm，表明在本洞段，Ⅴ類圍巖的襯砌混凝土是質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)最為集中的位置，在之后的加固處理中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行整治。

表2 SASW法檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定結(jié)果

3 討 論

從上文分析可知，雖然SASW法檢測(cè)速度比不上地質(zhì)雷達(dá)，但檢測(cè)過(guò)程中也不會(huì)遇到地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中電磁波受鋼筋“趨膚效應(yīng)”影響所導(dǎo)致的測(cè)量誤差，因此SASW法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水工混凝土質(zhì)量的精準(zhǔn)檢測(cè)。另外，SASW法不僅可以實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)，而且還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)襯砌與圍巖接觸情況的判斷，這是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)法所無(wú)法比擬的。因此，將SASW法應(yīng)用到水工建筑物的質(zhì)量檢測(cè)中更加科學(xué)合理[8]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)SASW法的檢測(cè)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并將其應(yīng)用到水工襯砌混凝土的質(zhì)量檢測(cè)中，結(jié)論如下：

1) SASW法適用于相對(duì)均質(zhì)、分層特性不明顯的混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)，兩道傳感器的距離宜為監(jiān)測(cè)混凝土厚度的1～1.5倍，當(dāng)混凝土厚度較小時(shí)，宜采用小錘對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行快速敲擊以獲得最佳的相位譜循環(huán)。

2) 將SASW法應(yīng)用到新疆某引水隧洞襯砌混凝土的質(zhì)量檢測(cè)中，檢測(cè)結(jié)果表明，該洞段襯砌混凝土強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求，但脫空現(xiàn)象普遍存在，Ⅴ類圍巖的襯砌厚度多處不滿足設(shè)計(jì)要求厚度。

3) SASW法檢測(cè)精度高，檢測(cè)速度稍比地質(zhì)雷達(dá)慢，但可同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、襯砌與圍巖接觸情況的檢測(cè)。