混凝土淺層空洞及界面的聲波反射探測模型試驗(yàn)研究.pdf

1、聲波反射法探測缺陷作為無損檢測的一種重要手段在巖土工程中已獲得廣泛的應(yīng)用。反射法探測混凝土內(nèi)部缺陷時(shí)，要將換能器置于測試表面上，這樣直達(dá)波的存在就是必然的。這種直達(dá)波有時(shí)是有用的，如可以用表面聲波監(jiān)測裂紋，但在反射法探測混凝土內(nèi)部缺陷時(shí)，這種波的存在會(huì)對缺陷反射波的識別造成干擾，給測試帶來麻煩。為此，本文將對如何區(qū)分缺陷反射波與這種直達(dá)波展開討論。 以地震勘探的理論為基礎(chǔ)，討論一些典型界面的探測規(guī)律，并以水為聲波的傳播介質(zhì)進(jìn)行一

2、些界面的模型試驗(yàn)，討論聲波的基本傳播特性以及幾種典型界面的聲波反射特性。針對兩種混凝土界面模型進(jìn)行探測試驗(yàn)，討論不同探測方法的規(guī)律和探測效果。 本文以地震勘探的一些成果為基礎(chǔ)，通過大量水中模型試驗(yàn)測試，認(rèn)識了聲波的一些基本特性。以水為聲波傳播介質(zhì)，有針對性的對幾種界面模型的時(shí)間距離曲線的進(jìn)行了討論。在水中模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種混凝土界面的模型試驗(yàn)，針對這兩種界面，討論了幾種不同的測試方法，主要內(nèi)容包括： 1)由水中傾

3、斜界面模型的探測可知，用共源法測法估算界面的傾角這一方法是可行的。在x由小到大增大的過程中，所計(jì)算出的傾角是有誤差的；在x較小時(shí)傾角偏大，x較大時(shí)傾角偏小。試驗(yàn)中之所以能得到與真實(shí)值較接近的結(jié)果是因?yàn)檎?fù)誤差J下好相互抵消。從傾角誤差來看，當(dāng)x在10～15之間時(shí)，誤差由正值變?yōu)樨?fù)值，誤差較小。 2)用自激自收法探測湖底界面，能夠探測到湖底界面，且效果較好。對弧形界面的探測，是有誤差的。所探測球體的半徑R(或曲率p)越大，直接排列

4、反射波所得界面與真實(shí)值越接近，當(dāng)探測界面為水平直線時(shí)，理論誤差減小為0。反之，誤差越大。 3)由水中模型試驗(yàn)可知，發(fā)射換能器與接收換能器間距對測試結(jié)果有較大的影響。在發(fā)射與接收換能器間距逐漸變大的過程中，直達(dá)波是逐漸變小的。換能器間距為10cm時(shí)直達(dá)波與反射波相比已很小了，在時(shí)域內(nèi)可以很清楚的將二者區(qū)分開。換能器間距大于20cm時(shí)，隨著換能器間距的變大，直達(dá)波的變化就很小了。因此，測試時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大發(fā)射換能器與接收換能器間的距離，

5、但間距達(dá)到一定程度后，再增大距離直達(dá)波的變化就很小了。 4)由混凝土傾斜界面模型試驗(yàn)可知，共源法探測界面傾角的良好測試效果需要一定的測試條件來保證。首先測試中要使直達(dá)波振幅與反射波振幅大小差別比較大，這就要求收、發(fā)換能器間距要大于15cm才行，而共源法探測界面傾角需要兩個(gè)接收換能器分布在發(fā)射換能器兩側(cè)，這樣兩個(gè)接收換能器的間距要大于30cm。其次，測試時(shí)換能器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邊界界面，以免邊界界面反射影響測試效果。因此，共源法探測界面

6、傾角對探測對象的尺寸要求較高，尺寸小的探測效果不好。 5)由混凝土傾斜界面模型試驗(yàn)可知，固定偏移距法探測界面傾角所得波形的時(shí)間差較小，上例中時(shí)間差只有15 μ s，這就容易使得測試過程中的一些誤差在最終的測試結(jié)果中被放大。為了減小誤差，在保證測試效果的前提下應(yīng)減小換能器間距x，在測試條件允許的前提下增大換能器偏移距d。因此固定偏移距法探測界面傾角對測試精度的要求是比較高的。 6)在混凝土傾斜界面模型試驗(yàn)中，對比共源法和固

7、定偏移距法可知，共源法探測界面傾角計(jì)算過程簡單，方程的解是解析解，不會(huì)出現(xiàn)求解誤差；但該方法要求界面尺寸較大才能得到良好的測試效果，在界面尺寸較小的情況下不易獲得多個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)：固定偏移距法進(jìn)行一個(gè)測點(diǎn)的測試所要求的換能器間距是共源法的一半，可以以較小的換能器偏移距獲得多個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)；但該種測法的計(jì)算需解一個(gè)超越方程，計(jì)算復(fù)雜，對系數(shù)的輸入要求也較高。以上兩種測試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件來選擇，或兩種測試方法結(jié)合起來進(jìn)行測試，以減

8、小測試誤差。 7)在共源法探測混凝土球形界面模型試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)射不動(dòng)而移動(dòng)接收時(shí)，球形界面在反射波形上有反應(yīng)。但水平界面、傾斜界面和球形界面反射波的擬合曲線都近似為向上凹的二次曲線，從曲線的形狀上不好分辨反射界面的種類。因此，共源法探測球形界面時(shí)，對界面有反映，但不易區(qū)分反射界面的形狀。 8)在共源法探測混凝土球形界面模型試驗(yàn)中，收發(fā)同步移動(dòng)時(shí)，當(dāng)換能器經(jīng)過球形界面上方，球形界面在測試結(jié)果中有反映，直達(dá)波長度有明顯的變化，

9、直達(dá)波長度呈先減小后增大的變化規(guī)律，因此，這種收發(fā)同步移動(dòng)的測試方法可以作為區(qū)別球形界面與其它界面的一種測試方法。 論文在分析水中幾種典型界面反射波的時(shí)間距離曲線的基礎(chǔ)上，對混凝土界面和空洞模型，分別采用自激自收反射法、共源反射法、固定換能器間距反射法、透射直達(dá)波CT法、表層直達(dá)波CT法進(jìn)行了研究，采用了單通道、多通道的時(shí)域、頻域圖分析法、CT層析法、Matlab超越方程等數(shù)學(xué)物理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出了聲波反射法(含表層直達(dá)波

10、CT法)可用于探測混凝土淺層空洞及界面的結(jié)論，其適用條件及規(guī)律總結(jié)如下： 1)試驗(yàn)中，用聲波多次反射來測定反射面深度的方法很難實(shí)現(xiàn)。 2)在沒有縱波波速和頻率足夠高的情況下，可以用表層直達(dá)波波速代替混凝土內(nèi)部縱波波速。 3)采用聲波反射法進(jìn)行混凝土淺層界面及空洞的探測是可行的，多通道波形排列法更能形象、直觀地從整體上反映反射界面的存在及其大致形狀。 4)用自激自收反射法探測傾斜或有弧度的界面時(shí)，用波形排列

11、法對單通道波形處理得到的界面是有誤差的，且傾斜或弧度越大，誤差也越大。 5)接收與發(fā)射換能器間距對測試結(jié)果有較大的影響。對本模型而言，建議接收與發(fā)射換能器間距在水中應(yīng)大于10cm，而在混凝土中則要大于15cm。 6)共源聲波反射法和固定換能器間距聲波反射法探測界面傾角是可行的。固定換能器間距聲波反射法應(yīng)在保證測試效果的前提下減小換能器間距，增大測點(diǎn)間距。 7) 對一定深度的空洞，采用合適的頻率，表層直達(dá)波CT探測