混凝土淺層空洞及界面的聲波反射探測(cè)模型試驗(yàn)研究.pdf

1、聲波反射法探測(cè)缺陷作為無(wú)損檢測(cè)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(cè)混凝土內(nèi)部缺陷時(shí)，要將換能器置于測(cè)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(cè)裂紋，但在反射法探測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷時(shí)，這種波的存在會(huì)對(duì)缺陷反射波的識(shí)別造成干擾，給測(cè)試帶來(lái)麻煩。為此，本文將對(duì)如何區(qū)分缺陷反射波與這種直達(dá)波展開(kāi)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(cè)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(duì)兩種混凝土界面模型進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)，討論不同探測(cè)方法的規(guī)律和探測(cè)效果。 本文以地震勘探的一些成果為基礎(chǔ)，通過(guò)大量水中模型試驗(yàn)測(cè)試，認(rèn)識(shí)了聲波的一些基本特性。以水為聲波傳播介質(zhì)，有針對(duì)性的對(duì)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(duì)這兩種界面，討論了幾種不同的測(cè)試方法，主要內(nèi)容包括： 1)由水中傾

3、斜界面模型的探測(cè)可知，用共源法測(cè)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(guò)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(lái)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(cè)湖底界面，能夠探測(cè)到湖底界面，且效果較好。對(duì)弧形界面的探測(cè)，是有誤差的。所探測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)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(guò)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(kāi)。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(cè)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(cè)界面傾角的良好測(cè)試效果需要一定的測(cè)試條件來(lái)保證。首先測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試效果。因此，共源法探測(cè)界面

6、傾角對(duì)探測(cè)對(duì)象的尺寸要求較高，尺寸小的探測(cè)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(cè)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(cè)試過(guò)程中的一些誤差在最終的測(cè)試結(jié)果中被放大。為了減小誤差，在保證測(cè)試效果的前提下應(yīng)減小換能器間距x，在測(cè)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(cè)界面傾角對(duì)測(cè)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(duì)比共源法和固

7、定偏移距法可知，共源法探測(cè)界面傾角計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)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(cè)試效果，在界面尺寸較小的情況下不易獲得多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)：固定偏移距法進(jìn)行一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)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(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；但該種測(cè)法的計(jì)算需解一個(gè)超越方程，計(jì)算復(fù)雜，對(duì)系數(shù)的輸入要求也較高。以上兩種測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件來(lái)選擇，或兩種測(cè)試方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，以減

8、小測(cè)試誤差。 7)在共源法探測(cè)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(cè)球形界面時(shí)，對(duì)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(cè)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(guò)球形界面上方，球形界面在測(cè)試結(jié)果中有反映，直達(dá)波長(zhǎng)度有明顯的變化，

9、直達(dá)波長(zhǎng)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(cè)試方法可以作為區(qū)別球形界面與其它界面的一種測(cè)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(duì)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(cè)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(lái)測(cè)定反射面深度的方法很難實(shí)現(xiàn)。 2)在沒(méi)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(cè)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(cè)傾斜或有弧度的界面時(shí)，用波形排列

11、法對(duì)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(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響。對(duì)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(cè)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(cè)試效果的前提下減小換能器間距，增大測(cè)點(diǎn)間距。 7) 對(duì)一定深度的空洞，采用合適的頻率，表層直達(dá)波CT探測(cè)