冲击映像法在农村调水工程混凝土立墙内裂缝检测的运用

2024-06-24 00:00:00徐龙晨
新农民 2024年15期

摘要:对调水工程建设来说,工程质量意义重大,若出现质量问题,后果难以想象。在农村调水工程中,应力混凝土立墙出现内裂缝问题,将严重影响工程结构的安全性和耐久性,需要立即对预应力混凝土立墙的裂缝成因进行严格科学的检测分析。本文运用冲击映像法对该立墙裂缝分布、损坏区域等进行高密度检测,同时对裂缝成因进行缜密分析,并结合取芯检验,印证裂缝检测结果与成因分析。在此基础上采取有效措施,设计、确定除险加固方案,有效解决工程现状,确保工程质量,充分发挥农村调水工程的运行效益。

关键词:农村调水工程;预应力混凝土立墙;成因分析;裂缝检测;防治措施

农村调水工程,是解决广大农村地区村民饮水、农田灌溉、生态需水等需求,跨省域、跨水域兴建的水利工程。对解决农村地区水资源匮乏,改善农民生活,促进乡村振兴等有着重要意义。由于预应力混凝土立墙结构物内部钢筋布设密度大,在不破坏结构物的情况下,本文采用冲击映像法以及相关仪器测量内部裂缝坏损位置及占比,并进行定位、检测,取得了较好的检测效果,可有效检测混凝土立墙结构物的内部裂缝,缩短了检测时间,为确定工程除险加固方案提供了重要数据与信息。

1 工程概况

该混凝土立墙是某调水水利设施的一部分,4座均长640 m的预应力混凝土立墙(双向)构成该工程主体。双向立墙共有16段,每段厚度达0.7 m,长度达40 m,高度为9.1 m,工程投资超过2亿。

2 大型预应力混凝土立墙的特点及应用

2.1 大型预应力混凝土立墙的特点

一般来说,大型预应力混凝土立墙具有以下特点:(1)抗裂性能好,通过施加预应力,可以有效地提高混凝土的抗裂能力,减少裂缝的产生;(2)强度高,预应力混凝土立墙的强度高于普通混凝土,能够承受更大的荷载;(3)刚度大,预应力混凝土立墙的刚度大,变形小,能够保证结构的稳定性和安全性;(4)施工方便,预应力混凝土立墙的施工工艺相对简单,易于操作,因此在当前建筑行业内应用越来越广泛。

2.2 大型预应力混凝土立墙的应用

在建筑工程中,大型预应力混凝土立墙被广泛应用于以下场合:(1)高层建筑。高层建筑的竖向荷载大,需要使用高强度、高刚度的建筑材料,预应力混凝土立墙是理想的选择。(2)桥梁工程。桥梁需要承受车辆等动荷载,同时还要承受风、雨等自然因素的影响,预应力混凝土立墙能够提供强大的支撑和防护。(3)隧道工程。隧道工程需要承受地下水、地质条件等多种因素的影响,预应力混凝土立墙具有较好的耐久性和稳定性。

3 立墙内裂缝检测

3.1 检测原理

检测原理主要是依据弹性波动理论。若将冲击力施加于介质表面时,弹性波将产生自介质内部,虽在介质表面呈现,但其分布情况却与介质内部的具体构造紧密关联[1]。可以将冲击力赋予介质的表面,在距离冲击点的某一点位,用专用仪器记录下接收到的弹性波。在保持上述点位和相同冲击力度,转移到新的检测位置,并接收记录的新的弹性波,用以对比。并通过比对不同的检测点位与相应的弹性波形,判断介质内部的结构变化,并由结构变化分析介质内部是否存在缺陷,诸如出现空洞或者裂缝等现象。

3.2 弹性波形检测仪器

波形检测仪器主要由冲击震源、检波器、电源、数据采集仪、笔记本电脑及电缆组成。其中,检波器的频率为100 Hz,冲击震源的钢锤质量250 g,电源采用12 V车用蓄电池,数据采集仪为24道的宽频带地震仪,笔记本电脑为野外专用型。

3.3 弹性波数据采集

将7条检测线设于待检的立墙上,位置由高向低定义为L6、L5、L4、L3、L2、L1、L0,立墙检测距离设置为下面在0.3~0.5 m,其余间距均保持1 m,高度零点设在八字墙顶部,7条测线L6~L0的对应高度依次为4.6 m、3.6 m、2.6 m、1.6 m、1.1 m、0.6 m、0.3 m。L6到L0的测线长度皆定40 m,各检测线上的检测点间距离定为0.2 m,因检测立墙为5段,需要检测面积1.42×104 m2=5(立墙数量)×2(面量)×

5(段量)×7.1 m(宽度)×4 m(长度),检测点达到54 600个。

检测点密度与震源偏移距离均设定为0.2 m。检测员双手攥紧检波器,再先后对准第1和第2检测点,把检波器呈90°压实于墙面,第3检测点接受200 g钢锤的重击,数据保存。之后,前移0.2 m,继续上次检测动作,并完成全部点位检测。

试验记录的弹性波形[2]分为两类,一类呈现为振幅较大,时长较长;二类显现为振幅较小,时长短。试验点位大振幅弹性波透出闷沉音,传出空鼓声状况;试验点位小振幅弹性波呈现清脆音,可判断为构建物内部结构紧致。

4 弹性波形数据分析

4.1 弹性波形数据分析步骤

分为三个步骤,第一步处理数据;第二步数值模拟;第三步解释产生的结果。

4.1.1 数据处理

旨在通过采用滤波、编辑、数学变换检测数据等方法与手段,将数据中的噪声予以抑(压)制,体现转换有价值息按特定。数据处理按流程分为:预处理数据、归一化数据、处理波形、分离波场,最后根据冲击响应强度进行计算。

4.1.2 数值模拟

待检结构物由内部结构建立数学物理模型[3],再检测参数与检测原理,构建检测法数学模型,并以数值求解给出波动方程,用以分析检测物内部的裂缝与响应强度之间的关系。并以数值模拟分析混凝土立墙内部结构不密致状况与空鼓占比。

4.2 数值模拟缺陷判断指标设定

由于弹性响应波形的分析结果来自数值模拟数值,还要依据钻孔来验证并微调判断标准.为了减少数值模拟边界效应,应设定以下指标,模型厚度定在0.7 m,长度定在20 m,并设定1条裂缝模型中间区域,裂缝具体深为0.1 m,长为2.0 m,宽为0.01 m。移动间距与激发偏移距均设定0.2 m,密致混凝土立墙纵波波速为5 km/s,输入波的中心频率为5 kHz,裂缝混凝土立墙的纵波波速为3 km/s,运用有限元法方程求解待检构建物冲击响应强度数值模拟。

经由冲击响应波形计算得到冲击响应强度P,在结构密致区域内P≤0.5;在裂缝区域内P≥2,双方数值差距超过4倍。根据上述理论数值结果,对照少量取芯结果,去除裂缝区域边界影响,确定弹性响应波形数值sv模拟缺陷判断标准:P≥1.74,结构呈空鼓;

P=1~1.74,结构判断不明确;P≤1,结构密致。

5 结果

5.1 数据分析结果

根据每一检测点位的冲击响应强度计算数值[4],绘制其强度分布图,这一强度分布局再根据已定的工程解释标准,转换为裂缝分布图。由上述检测结果形成的裂缝分布图可知,该立墙中部墙体内存有大片区域的裂缝或空鼓;有一小范围很小的不明判断区位于该立墙裂缝区边缘,因这一区域为裂缝尖灭区,部分裂缝形态呈闭合状,故其冲击响应波形呈不明显状。

图1为立墙内部结构密致状态统计图。由图可知,该立墙内部空鼓(裂缝)结构占14.9%,结构密致区域占72.9%,另有12.2%的部分结构难以判明区域。

5.2 取芯试验结果

以对立墙内部结构物的取芯实验,证实冲击响应波形试验结果正确与否。检测共计布置取芯点59个,其中在拟定的“结构密致区域”布置11个点,这11点取芯11个,取芯过程没有接触到裂缝;在拟定的“结构空鼓(裂缝)区域”布置46个点,取芯44个,2个碰到钢筋取芯失败;在拟确定的“结构不明确区域”布置2个点,取芯2个,证实此点位为裂缝区域。

6 立墙内部结构裂缝成因分析

6.1 立墙内部裂缝成因分析

造成劈裂成因有多种:可能材料方面,诸如水泥品种,骨料质量,外加剂等因素;也可能是施工工艺方面,诸如模板安装不规范、钢筋绑扎不牢固、混凝土浇筑不密实等因素[5];还有可能是结构设计方面,存在支撑体系布置不当、荷载分布不均等因素;也不排除环境影响方面,存在温度变化、湿度变化,或者化学腐蚀等因素。但经过一一排查,问题可能出现在温度变化方面。因为,该内墙墙体已养护较长时间,关键性能保持较好。过冬前没有出现不良现状,越冬后裂缝呈现。在检测波纹管时发现管内存有大量积水,采取钻孔措施排水时水流呈射状,故此判断因波纹管灌浆不充实,在严冬时节,立墙内部的积水结冰膨胀产生了裂缝。同时,鉴于波纹管的塑性材质,耐低温不易冻坏,进入春季,冰化为水,仍存于管中,没有减少。

6.2 数值验证

为了验证上述推断,建立立墙内部结构三维超模型,由数值计算,分析墙体内部的应力分布在波纹管内的贮水冻胀作用下所致的破坏状态,逐一比对实际检测结果,取一5 m长墙体作为有限元计算模型.计算模型包括波纹管、墙体、锚头及灌浆体、预应力锚索及钢筋等预应力体系构件,结合实体单元建模,合计形成135 360个六面体实体单元。

运用非线性有限元结合带预设缝单元的方法进行数值模拟,以精准计算模拟内墙结构产生裂缝、裂缝延伸、形成贯通产生破坏的全过程,并据此计算结果推测立墙内结构物裂缝空鼓的演化过程。施加裂缝单元抗剪强度、抗拉强度,在墙内结构缝面应力达不到缝面强度时,此时缝的状态是黏接,缝的传力机制呈临界状态,与无裂缝是一致的;当缝表面的应力大于破坏强度后,缝面呈现被拉坏、剪坏状态。

6.3 数值模拟分析结果

模拟结果显示,在多孔隙同时被冻胀时,冻胀≥0.06%,结构物两端裂缝开裂;当冻胀≥0.28%,结构物两端裂缝贯通,中部裂缝延伸;冻胀≥0.4%,结构物两端与中间裂缝贯穿,内部裂缝串连成片,汇成区域空鼓裂缝。由此推断,立墙内部结构劈裂的主因,是冬季波纹管内积水经冻胀体积膨大。

7 结论

针对某农村调水工程的双向混凝土立墙内部出现劈裂,运用冲击映像法检测原理,进行数据采集与检测,据此结合带预设缝单元有限元模拟结果,分析立墙构建物裂缝成因,结论如下:

(1)经钻芯取样验证结果表明,冲击映像法检测技术有明显优势:不受混凝土钢筋网与波纹管复杂构造与厚度的影响,在检测预应力混凝土构筑物内部结构密致度缺陷等方面,易操作,精确率高,出结果快,分辨率明晰,检测结果可靠。

(2)其缺点是需结合数值模拟计算,并借助少量取芯标定结果的基础上予以检评,后续需要制定由冲击响应强度判断内部缺陷的标准。

(3)裂缝成因表明,波纹管注浆密度不达标,波纹管内积水遇冬季低温冻胀是立墙内部结构劈裂的主因。

该工程的施工者与管理者,应强化安全意识,严控波纹管注浆质量,杜绝管水积水发生,有必要对防波纹进行二次灌浆作业。

参考文献

[1] 胡庆国,朱建伟.地震映像法在水运工程地质勘察中的应用[J].中国水运(下半月),2019,19(11):267-268.

[2] 万里,韩晓健,汪博,等.冲击回波法识别混凝土缺陷试验研究[J].混凝土,2012(2):8-10.

[3] 龚卫锋,冯少孔.冲击映像法在混凝土无损检测中的应用方法研究[J].水利与建筑工程学报,2018,16(2):205-209.

[4] 冯少孔,黄涛,李海枫.大型预应力混凝土立墙内裂缝检测与成因浅析[J].上海交通大学学报,2015,49(7):977-982.

[5] 童广伟,林大明,刘康和,等.地震映像法和瑞雷波法在某隧洞塌腔勘察中的应用[J].勘察科学技术,2021(4):54-56+64.