探地雷达和超声波相结合的爆破损伤实验研究*

徐莉丽 蒲传金 肖正学 苏有文

(1.西南科技大学环境与资源学院;2.非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室;3.西南科技大学土木工程与建筑学院)

在边坡和隧道等爆破工程中，爆破对边坡保留岩体和隧道围岩的损伤破坏将影响相关工程的稳定性。长期以来，评价岩体爆破损伤的方法有声波法［1-3］、钻孔岩芯SEM微观分析法及钻孔岩芯强度测试法［3］、爆破振动速度PPV法［4］等。声波法虽然可定量评价爆破损伤，却无法对损伤进行定位;钻孔取芯施工难度较大;爆破振动速度PPV法是一种间接评价方法，也无法进行损伤定位。近年来，探地雷达作为一种无损检测方法，正广泛应用于工程结构缺陷评价，可实现缺陷定位。鉴于此，本研究将声波定量评价和探地雷达定位评价相结合用于爆破损伤评价［5］，取得了良好的实验效果。

1 实验方案与测试设备

1.1 混凝土模型参数与爆破参数

浇筑了5个混凝土模型，如图1所示。强度等级为C20，室外养护28 d。模型规格分别为1 430 mm×1 400 mm×600 mm，1 470 mm×1 420 mm×600 mm，1 700 mm×1 410 mm×600 mm，1 660 mm×1 410 mm×600 mm，1 710 mm×1 450 mm×600 mm。

图1 混凝土模型

爆破参数:预制3排炮孔，孔距150 mm，排距200 mm。孔径分别为30，20，20，30，30 mm。炮孔深度分别为390，380，380，360，380 mm。药包直径均为20 mm，单孔装药量10 g，药包长度均为40 mm。径向空气柱长度分别为60，0，0，10，30 mm。

1.2 检测设备及检测方法

从最后排炮孔中心开始，每间隔200 mm设置1个、共设置3个检测剖面，检测剖面序号分别为1、2、3。爆破前后分别对每条检测剖面进行探地雷达和声速检测。

1.2.1 探地雷达及检测方法

探地雷达发收天线是宽频带的偶极子天线。检测深度均＜500 mm，时窗设置为10 ns，采样点数为512个，光栅间隔为0.001 m，光栅间隔数为1。检测方式为齿轮模式，选用1 600 MHz天线进行高分辨检测。本次检测使用反射法，就是发射天线(T)和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。进行探地雷达检测时，当发射天线与测量天线同步沿测线移动时，就可以得到探地雷达剖面图像。横坐标为天线移动的距离，纵坐标为雷达脉冲从发射天线经损伤区界面发射回到接收天线的双程走时。这种图像能准确地反映正对测线下方爆破损伤的大小及位置。如图2所示。

1.2.2 声波检测仪器及检测方法

图2 爆破损伤探地雷达检测原理

图3 爆破损伤声波检测原理

本试验采用RSM－SY5型智能声波检测仪。爆破损伤声波检测原理如图3所示。每个检测剖面在穿过药包中心的水平线与检测剖面的交点处设置1个声波检测点，换能器用黄油耦合，测试中每次改变测点时都重新涂黄油，以保证换能器与试件的耦合效果;并尽量在各点测试时保持用力均匀，以便保证每次检测时换能器与试件之间有较好的能量传递效果。实验时，声波发射换能器向混凝土试件内发射高频弹性脉冲波，并由接收换能器接收经混凝土试件的弹性波，记录下弹性波经发射换能器发出到接收换能器接收时所花费的时间及弹性波在特定路程中所需的走时数据。分析声波在混凝土试件中的传播速度、振幅和频率等声学参数，并确定混凝土试件在爆破后内部的结构损伤特征。

2 探地雷达检测剖面图及分析

爆破损伤探地雷达检测的部分剖面图如图4所示。剖面图上的损伤区域面积见表1。

图4 爆破前后雷达检测剖面图

表1 爆破后雷达图像裂缝面积及爆破前后声波速度

爆破前所有混凝土模型雷达剖面图上显示出同相轴基本连续的特征，表明混凝土密实程度较好。与爆破前相比(从图4可知)，爆破后所有混凝土模型1、2、3号雷达剖面图显示出同相轴错段的细长条形态，表明爆破形成损伤，且损伤范围大于0.6 m。表1给出了爆破后每个雷达检测剖面图上爆破损伤区域面积，分析可知，耦合装药爆破损伤大于不耦合装药，但并不是距爆源越近，爆破损伤越大。同时，实际损伤位置与药包并不在同一水平线上，这表明混凝土爆破损伤主要是混凝土初始损伤(缺陷)的发展、长大的结果。爆破前探地雷达并没有检测出这些位置存在初始损伤，可能是由于这些位置初始损伤较小或探地雷达分辨率较低无法检测出的缘故。

3 模型声波速度及分析

爆破前后，在混凝土3个检测剖面进行声波速度测试。爆破前后部分声波速度波形曲线如图5所示，声波速度测试结果见表1。

根据表1中各条测线爆破前后声波速度，绘制爆前爆后声波速度与炮孔中心距离的关系曲线如图6所示。根据表1和图6可知:

(1)3条测线爆破前声波速度并不相等，而是存在一定起伏度的，说明混凝土存在初始损伤，这与探地雷达检测结果一致。

(2)爆破后声波速度随着与爆源距离的增加而增加，但其增加的趋势与爆破前声波速度的变化趋势一致。

(3)5个模型3个检测剖面总平均声速降低率分别为1.87%、5.17%、3.67%、1.19%、1.67%。耦合装药爆破的总平均声速降低率为不耦合装药爆破的3.1～4.4倍。

4 检测结果对比分析

混凝土模型爆破损伤探地雷达剖面图损伤面积、声速降低量及爆破前后声速降低率见表1。根据表1可知，混凝土模型爆后探地雷达剖面图损伤面积与爆破前后声速降低量呈现良好的对应关系，根据损伤面积和声速降低量将爆破损伤划分为5个等级，见表2。

5 结语

(1)探地雷达用于混凝土爆破损伤检测是可行的。

(2)混凝土爆破损伤主要出现在混凝土初始损伤(缺陷)的位置，即混凝土爆破损伤主要是初始损伤“长大”的结果。

(3)混凝土爆破损伤探地雷达剖面图损伤面积与爆破前后声波速度降低量呈现较好的对应关系。

(4)将探地雷达爆破损伤定位与声速爆破损伤定量评价相结合是可行的。但为提高检测精确性，应选用分辨率较高的探地雷达，同时应建立探地雷达爆破损伤的分析标准。

图5 爆破前后声波波形曲线

图6 爆前爆后声波速度与炮孔中心距离的关系曲线

表2 爆破前后声波降低范围及雷达图像裂缝面积对应关系

［1］ 张国华，陈礼彪，夏 祥，等.大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(8):1610-1619.

［2］ 闫长斌，徐国元，杨 飞.爆破动载荷作用下围岩累积损伤效应声波测试研究［J］.岩土工程学报，2007，29(1):88-93.

［3］ 蒲传金，张志呈，郭学彬，等.边坡开挖光面爆破对岩体损伤的影响分析［J］.矿业研究与开发，2005，25(5):68-70.

［4］ 熊海华，卢文波，李小联，等.龙滩水电站右岸导流洞开挖中爆破损伤范围研究［J］.岩土力学，2004，25(3):432-436.

［5］ 徐莉丽.探地雷达与超声波结合的混凝土质量判定与分析方法［D］.绵阳:西南科技大学，2011.