石　偉（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院）

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超聲單面平測(cè)法檢測(cè)混凝土裂縫深度的探討

石偉
（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院）

【摘要】單面平測(cè)法測(cè)試裂縫深度主要運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁、隧道、房屋建筑等實(shí)體，測(cè)試依據(jù)為《超聲檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21：2000），本文對(duì)規(guī)程（CECS 21：2000）中相關(guān)測(cè)試方法及主要參數(shù)進(jìn)行了闡述及解釋，并通過工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)用中存在的一些問題進(jìn)行探討分析。

【關(guān)鍵詞】混凝土裂縫；超聲波；裂縫深度值

1　概述

規(guī)程（CECS 21：2000）中介紹的檢測(cè)混凝土的非貫通裂縫的深度方法有單面平測(cè)法、雙面斜側(cè)法和鉆孔對(duì)側(cè)法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件可選取相應(yīng)方法對(duì)裂縫深度進(jìn)行測(cè)試；當(dāng)結(jié)構(gòu)的裂縫部位只有一個(gè)可測(cè)表面，估計(jì)深度又不大于500mm時(shí)，可采用單面評(píng)測(cè)法。

2　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的條件要求

⑴依據(jù)檢測(cè)要求和測(cè)試操作條件，確定缺陷測(cè)試的部位（簡(jiǎn)稱測(cè)位）。

⑵測(cè)位混凝土表面應(yīng)干燥、清潔、平整，必要時(shí)可用砂輪磨平或用高強(qiáng)度的快凝砂漿抹平，抹平砂漿必須與混凝土結(jié)合良好。

⑶換能器應(yīng)通過耦合劑與混凝土測(cè)試表面保持緊密結(jié)合，耦合層內(nèi)不得夾雜泥砂或空氣。

⑷檢測(cè)時(shí)應(yīng)避免超聲傳播露筋與附近鋼筋軸線平行，如無法避免，應(yīng)使兩個(gè)換能器連線與該鋼筋的最短距離不小于超聲測(cè)距的1/6。

⑸當(dāng)采用厚度震動(dòng)式換能器平測(cè)時(shí)，宜用鋼卷尺測(cè)量T、R兩換能器的內(nèi)邊緣距離。

3　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程

測(cè)試過程分為不跨縫測(cè)量和跨縫測(cè)量?jī)蓚€(gè)步驟，兩次測(cè)量區(qū)域?yàn)橥粚?shí)體的不同區(qū)域，詳解如下：

⑴不跨縫測(cè)量

本步驟可稱基準(zhǔn)測(cè)量，其目的是為了取得超聲脈沖在該混凝土實(shí)體中不受裂縫影響情況下的聲速值（v）和某一測(cè)試標(biāo)距對(duì)應(yīng)的聲波傳遞距離真實(shí)值（li）。操作時(shí)將發(fā)射和接收換能器放置在裂縫附近的同一側(cè)，測(cè)試標(biāo)距以兩換能器內(nèi)邊緣間距（l‘）等于100、150、200、250mm……分別讀取聲時(shí)（ti），并作記錄。

圖1　平測(cè)法裂縫深度測(cè)試跨縫測(cè)量布點(diǎn)示意圖（單位：mm）

⑵跨縫測(cè)量

本步驟目的是測(cè)得跨縫時(shí)某一測(cè)試標(biāo)距的超聲波傳遞聲時(shí)值（t0i），操作時(shí)將發(fā)射和接收換能器分別放置在以測(cè)位裂縫走向?yàn)槠矫鎸?duì)稱軸的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)，測(cè)試標(biāo)距以兩換能器內(nèi)邊緣間距（l‘）等于100、150、200、 250mm……，如圖1所示，分別讀取聲時(shí)（t0i），并作記錄。

4　結(jié)果計(jì)算

⑴不跨縫測(cè)試中聲速值（v）、某一標(biāo)距的聲波真實(shí)傳播距離（li）的計(jì)算

根據(jù)不跨縫測(cè)量結(jié)果，繪制“時(shí)-距”坐標(biāo)圖（CECS 21：2000圖2）或用線性回歸分析的方法，求出聲時(shí)與測(cè)距之間的回歸直線方程：

圖2　平測(cè)“時(shí)-距”圖

li=a+bti

每測(cè)點(diǎn)超聲波實(shí)際傳播距離li為：

式1中：

li——第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離（mm）；

l‘——第i點(diǎn)的R、T換能器內(nèi)邊緣間距（mm）；

a——“時(shí)-距”圖中軸的截距或回歸直線方程的常數(shù)項(xiàng)，a=a1+a2（mm）。

不跨縫平測(cè)的混凝土聲速值為：

或v=b（Km/s）

式2中

l＇n、l＇1——第n點(diǎn)和第1點(diǎn)間的測(cè)距（mm）；

tn、t1——第n點(diǎn)和第1點(diǎn)讀取的聲時(shí)（μs）；

b——回歸系數(shù)

⑵裂縫深度計(jì)算

計(jì)算模型圖如（CECS 21：2000圖3）所示，用li值代替l‘值，得到平測(cè)法測(cè)試裂縫深度近似計(jì)算公式：

圖3　繞過裂縫示意圖

式3、4中

li——不跨縫平測(cè)時(shí)第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離（mm）；

語言學(xué)家D.A.Wilkins 在Linguistics in Language Teaching（1972）一書中論述了詞匯教學(xué)在交際中的重要性：“Without vocabulary, nothing can be conveyed.”[1]針對(duì)目前詞匯教學(xué)效果不甚理想的情況，為了促進(jìn)教師多渠道詞匯教學(xué)，把枯燥的詞匯教學(xué)與生活情境相融合、與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，讓詞匯教學(xué)充滿趣味性、真實(shí)性、形象性和直觀性，改變學(xué)生死記硬背單詞的無奈現(xiàn)狀、增強(qiáng)記憶效果，本文從詞匯教學(xué)的有效性方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單研究。

hci——第i點(diǎn)計(jì)算的裂縫深度值（mm）；

t0

i——第i點(diǎn)跨縫平測(cè)的聲時(shí)值（s）；

mhc——各點(diǎn)計(jì)算深度的平均值（mm）；

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)

5　計(jì)算結(jié)果的判定

⑴跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，可用該測(cè)距及相鄰的2個(gè)測(cè)距的測(cè)量值按（式3）計(jì)算值hci，取此3點(diǎn)的平均值作為該裂縫的深度值（hc）；

說明：激發(fā)彈性波（超聲波、聲波）信號(hào)在混凝土中傳播，穿過裂縫端點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生衍射，其衍射角度與裂縫深度有一定幾何關(guān)系。當(dāng)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)沿裂縫對(duì)稱布置，從近到遠(yuǎn)逐步移動(dòng)，當(dāng)激振點(diǎn)與裂縫距離與裂縫深度相近時(shí)，接收信號(hào)的初始相位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，稱為平面裂縫深度測(cè)試的相位反轉(zhuǎn)法，也是目前最為準(zhǔn)確的超聲波裂縫深度測(cè)試方法。

⑵跨縫測(cè)量中如難于發(fā)現(xiàn)首波反相，則以不同測(cè)距按（式3）、（式4）計(jì)算（hci）及其平均值（mhc）。將各點(diǎn)測(cè)距l(xiāng)‘與mhc相比較，凡測(cè)距小于mhc和大于3mhc，應(yīng)剔除改組數(shù)據(jù)，然后取余下hci的平均值，作為該裂縫的深度值（hc）。

6　應(yīng)用過程中存在問題的探討

⑴規(guī)程計(jì)算過程考慮的誤差影響因素

存在兩個(gè)誤差值的影響量，如圖4所示，平測(cè)法時(shí)每個(gè)標(biāo)距所測(cè)（ti）所對(duì)應(yīng)的真實(shí)傳播距離（li）均應(yīng)比圖中L1標(biāo)距要大，因?yàn)槁暡▊鬟f形態(tài)肯定是如圖L2、L3所示一般的弧線，到底這條弧線長(zhǎng)度比標(biāo)距大多少，不能確定，同種測(cè)試介質(zhì)認(rèn)為它是一個(gè)常數(shù)，把這個(gè)影響量的量值計(jì)為a1；其次換能器發(fā)射面和接收面有一定的寬度，目前我們使用的換能器測(cè)試面寬度為37.5mm，我們不能確定聲波發(fā)射和接收的截止位置，可能是圖4中L2和L4之間的某一位置，不能確定是不是L3所在位置，這對(duì)傳播真實(shí)距離（li）有影響，對(duì)于測(cè)試標(biāo)距L1，這個(gè)量肯定是增量，其量值有多大，也不能確定，但是我們認(rèn)為同一對(duì)換能器在同種測(cè)試介質(zhì)情況下，這個(gè)量是一個(gè)常數(shù)，同時(shí)把它計(jì)為a2。規(guī)程計(jì)算通過回歸分析的方法，最大限度地消除了這兩個(gè)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

圖4　無裂縫聲波傳遞示意圖

⑵實(shí)操過程的誤差影響因素

T、R換能器測(cè)距過小或遠(yuǎn)大于裂縫深度，聲時(shí)測(cè)試誤差較大，t0i、ti對(duì)計(jì)算裂縫深度影響較大，所以對(duì)兩個(gè)換能器的測(cè)距作了限制。

⑶式3近似計(jì)算中l(wèi)i代替l‘對(duì)真實(shí)結(jié)果的影響

如何才能更精確地計(jì)算裂縫深度真實(shí)值，用實(shí)例來說明，表1為一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

表1　某結(jié)構(gòu)混凝土裂縫平測(cè)法深度測(cè)試記錄

表2　某結(jié)構(gòu)混凝土裂縫平測(cè)法深度測(cè)試各次測(cè)試結(jié)果（mm）

其平均深度mhc=78.62，按要求需剔除測(cè)試標(biāo)距為250mm、300mm兩組數(shù)據(jù)，取余下數(shù)據(jù)的平均值，最終裂縫深度判定值為72.08mm。

圖5　

計(jì)算模型中，用li直接代替l‘進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試標(biāo)距為100mm時(shí)，這個(gè)計(jì)算長(zhǎng)度增加了8.4%，標(biāo)距為150mm時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度增加了5.6%，依次類推，在允許范圍內(nèi)測(cè)試標(biāo)距越大，裂縫深度計(jì)算準(zhǔn)確率越高。按照上述分析，在滿足規(guī)程聲時(shí)測(cè)試誤差要求的前提下，測(cè)距最接近3mhc的那一次測(cè)試的結(jié)果更接近裂縫深度真實(shí)值。

⑷如何減小測(cè)試過程中鋼筋的影響

規(guī)程說明中提到：通過理論計(jì)算，當(dāng)T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離大于測(cè)距的1/6時(shí)，可避免鋼筋影響。

當(dāng)聲波跨縫在混凝土中傳播到達(dá)接收器的距離比聲波通過鋼筋傳播到達(dá)接收器的傳播距離短，前者信號(hào)先到達(dá)接收器，才能避免鋼筋對(duì)測(cè)試的影響。所以鋼筋的影響與裂縫深度相關(guān)，規(guī)程沒有列出計(jì)算過程也為對(duì)這項(xiàng)計(jì)算進(jìn)行說明，所以較深裂縫測(cè)試時(shí)鋼筋影響應(yīng)考慮裂縫深度這一計(jì)算因素。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，當(dāng)T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離大于1.5hc時(shí)，才可避免上述影響。也就是說，測(cè)試時(shí)T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離要同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，結(jié)果才較準(zhǔn)確。

那么操作計(jì)算時(shí)，則增加了以下步驟：

首先是測(cè)試時(shí)必須用鋼筋掃描儀，測(cè)出測(cè)線兩側(cè)平行于測(cè)線的鋼筋位置，盡量讓測(cè)線布設(shè)在兩排鋼筋的中心，并記錄下鋼筋到測(cè)線的最小距離D；其次是在結(jié)果判定的第二種方法中，從最大測(cè)距數(shù)據(jù)組開始，循環(huán)計(jì)算mhc，依次比較1.5mhc和D的大小關(guān)系，不滿足1.5mhc＜D的數(shù)據(jù)應(yīng)該剔除。

⑸非理想狀態(tài)裂縫如何測(cè)試

《超聲檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21：2000）中平測(cè)法裂縫的裂縫測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求較高，偏理想化。我們實(shí)際檢測(cè)中，經(jīng)常遇到結(jié)構(gòu)混凝土面裂縫分布密集或裂縫極為不規(guī)則的情況，根本無法進(jìn)行步驟1的不跨縫基準(zhǔn)測(cè)量或者跨縫測(cè)量時(shí)，取不到3個(gè)及3個(gè)以上的測(cè)試標(biāo)距，如圖6中某高速公路大橋的簡(jiǎn)支梁。

圖6　某高速大橋的簡(jiǎn)支梁裂縫照片

如圖腹板縱向裂縫，多且密集。要測(cè)試該梁裂縫深度，有兩點(diǎn)不符合規(guī)程要求，首先是不跨縫測(cè)量測(cè)線只能取在裂縫之間且平行于裂縫，這樣勢(shì)必就與內(nèi)部鋼筋平行，其次是跨縫測(cè)量測(cè)距取不到3個(gè)，無法用回歸分析計(jì)算。為了了解裂縫基本情況，現(xiàn)場(chǎng)跨縫測(cè)量只取了2次標(biāo)距測(cè)量，依據(jù)圖（CECS 21：2000圖3）直接用l‘參與計(jì)算推定其裂縫深度，公式如下：

上式中l(wèi)‘認(rèn)為是T、R換能器的中心距，而不是規(guī)程中圖示的邊緣距離。這個(gè)結(jié)果僅具有參考價(jià)值。

⑹裂縫內(nèi)部發(fā)展方向不垂直于混凝土表面的裂縫深度推定

如圖7所示裂縫，如果在混凝土表面按照規(guī)程平測(cè)法測(cè)試其深度，計(jì)算深度與實(shí)際深度存在偏差，在無法探明裂縫內(nèi)部走向的情況下，目前所有裂縫深度測(cè)試，計(jì)算均默認(rèn)為其內(nèi)部發(fā)展方向垂直于混凝土表面。

圖7　裂縫內(nèi)部發(fā)展方向不垂直混凝土表面示意圖

圖7所示，以裂縫在混凝土表面中心為原點(diǎn)，T、R換能器的連線為X軸，建立平面坐標(biāo)系，對(duì)于某一計(jì)算結(jié)果，跨縫實(shí)際聲波傳遞為紅色線條AC、CD，而計(jì)算則是按照藍(lán)色線條AB、BD，存在其兩者聲波跨縫實(shí)際傳播距離相等即AC+CD=AB+BD，在C點(diǎn)不確定位置的情況下，視其為一個(gè)邊量，在X-Y坐標(biāo)系內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，那么其軌跡為一橢圓，橢圓方程為：

上式中

hc——結(jié)果計(jì)算中第二種判定方法得出的裂縫計(jì)算深度。

x——裂縫端點(diǎn)與混凝土表面裂縫中心的X軸偏移量，可在混凝土表面用鋼卷尺量出；

y——裂縫內(nèi)部走向不與混凝土表面垂直時(shí)，裂縫的深度推定值。

可根據(jù)上式來估算內(nèi)部走向不明確的裂縫真實(shí)范圍，具有一定的參考意義。

7　結(jié)語

由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件的限制，單面平測(cè)法檢測(cè)混凝土裂縫是目前應(yīng)用最廣的一種測(cè)試方法，規(guī)程中測(cè)試條件較理想化，測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值存在一定誤差，我們需要在測(cè)試過程中盡量使檢測(cè)條件最優(yōu)，減少誤差，并相應(yīng)的結(jié)合其他無損或有損檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比修正，為科學(xué)合理地加固處治提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)支持?！?/p>

【參考文獻(xiàn)】

［1］CECS 21∶2000，超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］某高速公路某大橋梁板裂縫檢測(cè)［R］.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，2013.