关于“超声波角测、平测和声速计算方法”验证工作（之二）

朱跃武，袁广州，王 伟，袁志远

（1.中国建筑科学研究院深圳分院，广东 深圳 518057；2.深圳市福田建设工程质量检测中心，广东 深圳 518057）

0 引 言

CECS 02∶2005《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》附录 B 规定了超声波角测、平测和声速的计算方法，本次规程修编工作计划要求对该项条款进行验证。为验证规程提出的平测修正系数的有效性，制作 4 组阶梯试件，并将不同阶梯试件交由不同单位、不同时间预制完成。现场阶梯试件和超声平测、角测测试示意图如图1 和图2所示。所测试的 4 组阶梯试件的对测、角测、平测声时与测距数据如表1所示。

图1 超声波角测示意（单位：mm）

图2 超声波平测示意

分析不同测试方法的声时和对测声时与测距的关系，均按附录 B 的技术要求进行计算分析，对采集超声声时和对应的测距，用 SPSS 软件进行统计计算和绘制散点图。分析过程及方法见下文所述。

表1 对测、角测、平测声时与测距数据

续表1

1 对测声时与测距的变量处理

在 4 个阶梯试件上的对侧位置共采集 35 组超声波声时和对应的不同长度的测距，将声时作为自变量，测距作为应变量，变量处理摘要如表2所示。将测距和声时进行回归分析，得到其直线方程的斜率和截距（常数）以及相关系数及（R2）和回归方程显著性检验系数（F）值，结果见模型汇总和参数估计值如表3所示，声时与测距的散点图如图3所示。

从模型汇总的参数和散点图可以发现，4 个阶梯试件，35 组测试数据，对测测试时的相关系数R2约等于 1，相关资料介绍在α=0.05时，F1-α（2，32）=4.17，而F的计算值为 6496.1，即回归方程显著相关，从图3 对测声时与测距的散点图数据分布情况可以看出，数据基本坐落在曲线两侧，平均相对误差很小。

表2 变量处理摘要

表3 模型汇总和参数估计值（因变量：对测测距）

图3 对测声时与测距的散点图

2 角测声时与测距变量处理

角测不同于对测，受到阶梯试件尺寸的影响，与对测对应的测距需要按照公式进行换算，确定测点的位置，4 组试件共计采集 29 组数据，变量处理摘要如表4所示，将测距和声时进行回归分析，得到其直线方程斜率和截距（常数）以及相关系数、R2和回归方程显著性检验（F）值，结果见模型汇总和参数估计值，如表5所示，角测声时与测距的散点图如图4所示。

表4 变量处理摘要

从模型汇总表的参数和散点图可以发现，4 个阶梯试件，29 组测试数据，角测测试时的相关系数R2＝0.98，计算的F值为 1202.97，大于查表F1-α（2，26）=4.24，其中 29 组数据仅有 6 组落在回归曲线上，其它均分布在曲线两侧，与对测相比，其平均相对误差要大。

表5 模型汇总和参数估计值

图4 角测声时与测距的散点图

3 平测声时与测距的变量处理

超声波平测方法最初是超声测试中用于对混凝土裂缝深度的检测，应用到强度检测也是 CECS 02∶2005《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》在 2005年修订时被列入附录 B 中。通过 13年的应用，其效果如何反响不一，为此在 4 个阶梯试件上均按照与对测同一测距的工况进行平测测试，共采集 42 组测试数据如表6所示，分别计算R2和F值（见表7），并绘制散点图（见图5）。

从模型汇总表的参数和散点图可以发现，4 个阶梯试件，42 组测试数据，平测测试时的相关系数R2=0.93，计算的F值为 453.09，大于查表F1-α（2，39）=4.10，其中 42 组数据仅有 4 组落在回归曲线上，其它均分布在曲线两侧，与对测和角测相比，方程的相关性和显著性较差，其平均相对误差也比较大。

表6 变量处理摘要

表7 模型汇总和参数估计值（因变量：平测测距）

图5 平测声时与测距的散点图

4 回弹与超声波对换算强度的影响

通过对课题组提供的 16801 组回弹和超声波数据进行统计分析，以混凝土抗压强度为目标，预测变量的重要性，其结果如图6 和图7所示。

图6 预测变量的重要性及目标强度

图7 超声和回弹对混凝土强度的重要性

分析结果表明声速对目标强度的重要性为 14 %；而回弹值对目标强度的重要性为 86 %。

对于超声回弹综合法测强曲线，混凝土推定强度对超声波的依赖度相比回弹的依赖度要低，因此，超声波声速对目标强度属于最不重要的变量。

5 试验结论

1）通过对 4 组不同时间、不同公司浇捣的混凝土阶梯试件进行对测、角测和平测数据的分析结果，其直线方程的参数以及对测与角测和对测与平测方程斜率比值如表8所示。

表8 数据的分析结果

2）分别求出对测声速平均值和角测及平测声速平均值，对测与角测和对测与平测平均声速的比值如表9所示。

表9 对侧与角测和对侧与平测平均声速的比值

结果与原规程附录 B 给定的vo/vL或H=1.04～1.15的数值不完全相符，建议进行适当调整。

3）按照表8 的回归曲线，在固定一定声距的前提下，反算对测、平测和角测声时t，本例的测距为200 mm，结果如表10所示。

表10 反算对测、平测和角测声时结果

通过反算声时值，发现对测与角测声时数据相对接近，而与平测相差较大。

4）试验结果表明，对测的声时和测距的数据集中分布在回归曲线上，表明相对误差小，而角测相比对测，测点分布相对分散，而平测的测点分布相对对测而言更加分散。3 种测试方法的平均相对误差如表11所示。

表11 三种测试方法的平均相对误差

5）综上所述，考虑超声波对换算强度的重要性仅为 14 %，超声声速微小变化，对换算强度的影响不大，建议保留原规程规定的角测、平测方法，考虑到平测、角测相对误差较大，规程中应优先推荐对测检测方法。