瑞雷波在混凝土隧道无损检测中的应用★

高 苏 徐 丁 姚亚峰

(南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226007)

·结构·抗震·

瑞雷波在混凝土隧道无损检测中的应用★

高 苏 徐 丁 姚亚峰

(南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226007)

采用瑞雷波法对局部出现膨胀裂缝、多处钢筋外露及锈蚀等破坏的某隧道的混凝土边墙进行检测，并对检测结果进行数据分析，分析结果能获取从混凝土表面到深部基础的连续波速信息，由此根据混凝土的相速度沿测线和深度的变化研究混凝土的劣化情况，研究结果为该隧道的维护和加固提供依据。通过对实际的检测表明，该方法穿透深度大、受钢筋影响小，且快速直观。

瑞雷波法，混凝土，无损检测，频散分析

混凝土结构是建筑工程中最重要的结构，由于混凝土现场浇筑施工的特点，导致其质量较难控制，常出现孔洞、蜂窝等缺陷，因此混凝土结构的检验格外受到工程界的关注。混凝土质量检测最简单的方法就是目测法，通过对混凝土的表面情况或者锤击混凝土表面声音的特点，根据经验对混凝土的质量加以评价，但目测法主要凭借人的主观判定，难免有失准确性和客观性。回弹法[1]的基础是混凝土的抗压强度与其表面硬度之间相关性，由于该方法设备简单、检测费用低廉而且不破坏混凝土结构，因此广泛应用于工程现场，但是该方法获得的强度值只能代表混凝土表面2 cm～3 cm的抗压强度，且检测精度较低。钻芯法[2]能科学准确地判定混凝土的优劣，但是却破坏了混凝土结构的完整性，其检测费用也过于昂贵，因此不可能大范围的应用。随着科学技术的不断发展，国内外学者根据波、热等在混凝土中传播的特点，提出了众多无损检测方法[3-7]，如超声法、脉冲回波法、雷达法等，上述方法均能在不损伤混凝土结构的前提下，科学量化混凝土的缺陷，且能确定缺陷的位置、形状、大小和种类等，但是混凝土属于一种非均质的材料，因此上述无损检测方法也存在一定的局限性。

瑞雷波勘探技术[8-12]是20世纪末兴起来的一种新型原位勘探方法，主要用于近地表层的工程地质勘探，随着数据处理技术的完善，该方法的应用推广到地基处理效果验证、道路评价、地下空洞即掩埋物的探测和滑坡、堤防调查等领域。本文将瑞雷波技术应用到某混凝土质量，通过对瑞雷波的波形和频谱进行分析处理，并借助反演的波速和混凝土的强度，直观评价混凝土的质量。

1 瑞雷波法检测混凝土质量的基本原理

当激振力作用在混凝土表面上时，混凝土内部和表面由近及远将发生弹性波的传播现象。其中除常见的纵波和横波之外，还有一类只沿介质的表面传播的波，称为面波，如瑞雷波和勒夫波。对于瑞雷波，介质质点的振动轨迹为一椭圆(见图1)，携带的振动能量大约占总波动能量的60%以上，且衰减速度缓慢，这是因为瑞雷波仅存在于介质表面附近一定的范围内，其波面是一个以激发点为中心的圆柱面，单位面积上的能量强度反比于半径(传播距离)，而体波的波面是以激发点为中心的球面，单位面积上的能量强度反比于半径(传播距离)的平方。因此利用瑞雷波的传播特点，对混凝土进行质量评价。

面波只在混凝土的表面传播，但其传播速度却与混凝土的构造有着密切的关系。所谓只在介质的表面传播，这个“表面”是有一定的厚度的，而且与面波的波长有关。瑞雷波的振幅从介质表面沿深度方向快速衰减，垂直分量在半个波长内约集中了该波全部能量80%；而对于垂直分量，半个波长内约集中了该分量能量的95%；因此可认为瑞雷波的传播速度取决于从介质的表面到半个波长的深度内的介质[13-16]。

根据弹性波动力学，可以确定纵波速度VP、横波速度VS和瑞雷面波VR与弹性常数具有如下关系[9]：

(1)

(2)

(3)

其中，E为介质的弹性模量；v为泊松比；ρ为密度。

从式(3)可以看出，当介质材料一定时，瑞雷波与横波在传播速率上呈正比关系。因此可直接采用瑞雷波的传播速率对混凝土的质量进行评价。瑞雷波波长λ与瑞雷波传播速率VR和其频率f有如下关系：

(4)

根据式(4)，当VR一定时，f越高，λ越短，即该波长的瑞雷波仅能穿透的介质表层；反之，f越低，λ越长，则该波长的瑞雷波几乎能穿透整个介质层。

因此，在采用瑞雷波法检测混凝土质量时，首先应对采集到的瑞雷波信号进行频谱分析，得到每一测点处的瑞雷波的频谱特性，再通过正演分析[17]，并利用速度谱法对每一个频率成分的信号进行速度扫描，以获得一个最佳速度—频率曲线，该曲线即是该试验段从表层到检测深度连续的瑞雷波的速度信息，从中提取出反映不同厚度处混凝土的瑞雷波的传播速度，将每一测点的上述信息沿测线展开，瑞雷波速度沿测线等值线剖面图。根据式(3)将瑞雷波速率VR转化为横波的波速VS，通过钻心实验，获得实际的混凝土抗压强度，并借助最小二乘法拟合建立VS与混凝土抗压强度的关系，从而可得到相应混凝土的二维抗压强度等值分布剖面图。

2 工程实例

某隧道的混凝土边墙，采用的材料为C20混凝土，边墙厚0.40 m～0.50 m，其中部分区段在其运行期间也时有修补。现经现场勘查发现，隧洞衬砌混凝土局部出现膨胀裂缝，多处钢筋外露及锈蚀等破坏现象明显，而且渗水现象严重。因为，采用瑞雷波法检测该隧道的混凝土质量，为该隧道的维护和加固提供依据，以维持其正常工作。

2.1 检测方案

本次检测工作采用的是湘潭天鸿电子科学所研制的DSG-IA宽带声波探测仪。为了方便测量，每次布置12个检波点，每个测点间隔0.2 m，即每次检测长度2.2 m，如图2所示。震源采用人工激励的方式产生，为了避免损坏隧道表面混凝土，激发前铺一块约10 cm×10 cm的钢板，使用小锤(约500 g)用力敲击钢板作为震源。该次实验选取离隧道底面1.0 m处混凝土劣化严重的区域布置一道瑞雷波检测测线，该测线长度为100 m，共布置42组瑞雷波实验。

2.2 数据处理

数据处理流程如图3所示。对每个采集的原始波形降噪滤波处理后再频散分析，由于存在多值性，所以经过该流程的处理，即可得到用于评价混凝土质量的速度等值剖面图和反演的混凝土抗压强度等值剖面图。

2.3 结果分析

按照图3的处理流程对所有的数据进行处理，首先得到该区段的瑞雷波速度等值线剖面图，如图4所示。从图中可以看出，表层混凝土(0.0 m～-0.2 m)的瑞雷波速较低，小于2 400 m/s，且其中10 m～20 m附近的混凝土速率最低，在1 400 m/s～2 200 m/s之间。

由于实验中没有通过实验确定混凝土的强度与横波波速的关系，采用文献[11]的纵波与混凝土强度的指数关系，并根据式(1)～式(3)，确定瑞雷波速与混凝土强度的关系：

fc=AeBVs

(5)

其中，A与B均为实验参数，文献[18]通过实验测得参数为A=0.130 383和B=0.001 378 07。

对该式进行反演，获得混凝土抗压强度等值线剖面图，如图5所示。

从图5可以直观的看出，在表层至厚度为-0.2 m处的混凝土的强度低于10 MPa的主要分在10 m～30 m之间和80 m附近，其余的抗压强度均在10 MPa～20 MPa之间；在厚度-0.2～-0.5之间，混凝土强度在20 MPa以上的主要区段为：40 m～70 m和90 m～100 m，其他的区域的混凝土强度尽管有20 MPa以上的小区域存在，但被大范围强度低于20 MPa的混凝土包围，因此混凝土强度劣化严重，应该进行必要的加固措施。

3 结语

瑞雷波法能够给出混凝土频率—相速度剖面和深度—相速度剖面，并能获取从混凝土表面到深部基础的连续波速信息，由此根据混凝土的相速度沿测线和深度的变化分析混凝土的劣化情况。其次，根据混凝土强度与横波速度的对应关系，可以直接从深度—相速度剖面反演混凝土的深度—强度剖面，从而掌握混凝土强度沿厚度的变化，通过该混凝土强度的等值分布可以更直观地反映混凝土的质量。瑞雷波检测方法是一种较好的无损检测方法，可为隧洞衬砌补强、加固建立科学依据。

[1] JGJ/T 23—2011,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

[2] 吴新璇，王安坤，邱 平.钻芯法在混凝土工程质量检测中的应用[J].施工技术,1985(3):9-13.

[3] 封世东，田晓璞.无损检测技术在混凝土质量控制中的研究[J].科技信息，2008(13):107.

[4] 黄建新.冲击—回波法在混凝土结构无损检测中的应用[D].南京：河海大学硕士学位论文，2006.

[5] 王 林，王 勇.地质雷达在长坞岭隧道施工中的综合应用[J].公路隧道，2008(1)：39-42.

[6] 施 昱.大体积混凝土结构缺陷无损检测方法研究[D].南京:河海大学硕士学位论文，2004.

[7] SL 326—2005,水利行业标准——水利水电工程物探规程[S].

[8] 陈旭杭，伍明辉，胡淑兰.瞬态瑞雷波在地层勘探中的应用[J].华东交通大学学报,2007,24(1):44-46.

[9] 李 晶.面波在地震波场中的特性研究及其应用[D].成都:成都理工大学，2006.

[10] 位 树，段晓沛，苑红凯.瞬态瑞雷波法在强夯加固地基检测中的应用[J].北方交通，2016(3):14-16.

[11] 吴 晔.瞬态瑞雷波法和地质雷达法路基结构检测对比[J].铁道建筑，2016(3):47-49.

[12] 潘 凯，谢春庆，罗 鹏,等.基于瞬态瑞雷波法的岩溶山区粗巨粒土填方地基检测研究[J].西部探矿工程，2016(2):52-54.

[13] 张慧静.瑞雷面波法在水泥路面厚度无损检测中的应用研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2013.

[14] 张大洲，练小聪，杨 威，等.基于多模式分离的S变换瑞雷波频散曲线提取[J].中南大学学报，2015(8):72-75.

[15] 李林峰.瑞雷波法在路基填筑压实度质量检测中的应用研究[J].公路交通技术，2013(15):94-96.

[16] 乔艳红.瑞雷波在混凝土无损检测中的应用研究[D].北京：中国地质大学(北京)硕士学位论文，2008.

[17] 乔艳红.瑞雷波在混凝土无损检测中的应用研究[D].北京:中国地质大学(北京),2010.

[18] 林宗湶.混凝土波速与强度关系之实验研究[D].台中:逢甲大学,2004.

Application of Rayleigh wave surface method in concrete tunnel’s nondestructive examination★

Gao Su Xu Ding Yao Yafeng

(CollegeofConstructionEngineeringofNantongVocationalUniversity,Nantong226007,China)

The Rayleigh wave method with partial expansion cracks, concrete reinforced leakage and corrosion damage of a tunnel side wall were detected, data analysis of test results, analysis results can give a concrete frequency phase velocity depth profiles and the phase velocity profile, and can obtain from the concrete surface to deep based continuous wave velocity information. Thus, according to the concrete of the phase velocity along the measuring line and the depth of the changes analysis of concrete deterioration of the situation. The analysis results provide the basis for the maintenance of the tunnel and the reinforcement. The actual test shows that the method has a high penetration depth and small influence on the steel bar, and it is fast and intuitive.

Rayleigh surface method, concrete, nondestructive, dispersion

1009-6825(2017)21-0025-03

2017-05-13★：江苏省省建设厅科技计划项目(2015ZD78)

高 苏(1979- )，女，讲师； 徐 丁(1977- )，男，讲师； 姚亚峰(1978- )，男，讲师

TU317

A