陳鑫，劉文慧，黃濤，柳葉，田子昊

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀研究

在國民經(jīng)濟(jì)保持迅猛發(fā)展勢(shì)頭的今天，基礎(chǔ)建設(shè)取得了長足發(fā)展，特別是以鋼筋混凝土材料為主而建造的大型工程項(xiàng)目更是呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)。造型簡潔美觀、功能完善的現(xiàn)代建筑為改善居民生活品質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，不過隨著使用時(shí)間的增長，受各類因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)或多或少地出現(xiàn)不容忽視的缺陷，比如裂縫，若裂縫比較多或者繼續(xù)發(fā)展，則會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大威脅，不利于保證居民居住安全，所以需要重視并強(qiáng)化對(duì)此類裂縫的定期、規(guī)范、嚴(yán)格檢測(cè)，及時(shí)全面地了解裂縫發(fā)展情況，準(zhǔn)確搜集各類重要參數(shù)，由此合理精準(zhǔn)地評(píng)估裂縫危害性，為人們及時(shí)采取針對(duì)性補(bǔ)救方法和手段提供可靠依據(jù)。一直以來，人們主要采用有損檢測(cè)法，此方法造價(jià)高，并且在檢測(cè)過程中難免會(huì)對(duì)建筑體產(chǎn)生一定傷害。

在各相關(guān)技術(shù)持續(xù)發(fā)展且不斷優(yōu)化的今天，人們不斷推出費(fèi)用投入少、操作便捷且對(duì)建筑體傷害較小的新型裂縫檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲波法，其優(yōu)勢(shì)明顯，集中表現(xiàn)為指向精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、傳播能量高、操作靈活等。不過由于它無法檢測(cè)深層裂縫，所以它只能對(duì)鋼筋含量較少或者無鋼筋的混凝土進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)前，瑞利面波法憑借著檢測(cè)成本小、檢測(cè)設(shè)備便于攜帶和操作、檢測(cè)效率高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)勢(shì)而備受人們青睞，現(xiàn)已在工程建設(shè)中得到大力推廣和積極應(yīng)用。

1.1 國外現(xiàn)狀研究

1887年，Rayleigh經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)了這種波，同時(shí)對(duì)其在彈性半空間介質(zhì)中所呈現(xiàn)出來的傳播特征進(jìn)行了明確，因此，把這種表面波通稱為瑞利波。國外于20世紀(jì)50年代由Jones首次將瑞利波法用于土木工程中。1950年Thomson、1953年Haskell[1]在進(jìn)行廣泛而深入地研究之后提出了多層介質(zhì)中瑞利面波具有頻散特性的論點(diǎn)，1961年John.E Jones[2]發(fā)表了《Rayleigh Waves in a Porous，Elastic，Saturated Soil》一文，他在 Biot理論的指導(dǎo)下展開了全面系統(tǒng)地研究，證實(shí)了瑞利型波切實(shí)存在。1964年，David.G Harkrider[3]發(fā)表了著名論文《Surface WaVes in multilayered elastic media》，正式拉開了多層介質(zhì)中瑞利面波特性的研究序幕。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀研究

我國針對(duì)瑞利面波而展開的研究不僅才剛剛起步，并且明顯滯后于西方研究。1992年，夏唐代[4]等學(xué)者在汲取前人研究成果的基礎(chǔ)上通過大家比較熟悉的解析法以及當(dāng)時(shí)應(yīng)用比較普遍的有限單元法對(duì)流體—固體介質(zhì)中瑞利面波頻散特性和位移變化特征展開了全面細(xì)致地分析，由此推導(dǎo)出了其頻散特征計(jì)算表達(dá)式，同時(shí)提出了位移變化求解公式。1996年，夏唐代[5]等學(xué)者將目光聚焦于各向異性成層地基中的瑞利面波，對(duì)其所呈現(xiàn)出來的頻散特性展開了深入系統(tǒng)地探討。1998年，陳龍珠[6]等學(xué)者在飽和土彈性波動(dòng)方程的研究基礎(chǔ)上經(jīng)過深入研究提出了飽和地基中波的頻率特征表達(dá)公式，同時(shí)深入全面地探討了瑞利面波傳播特性和振動(dòng)頻率等相關(guān)因素之間的關(guān)系。2001年，凡友華[7]等學(xué)者依托柱坐標(biāo)這一新方法推導(dǎo)出了層狀介質(zhì)中軸對(duì)稱柱面瑞利面波的頻散函數(shù)。

2 裂縫的成因

2.1 溫度變化產(chǎn)生裂縫

混凝土熱脹冷縮，所以在進(jìn)行澆注時(shí)，會(huì)釋放出較多的熱量，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度和表面溫度勢(shì)必存在一定差異，一般來講，一旦其內(nèi)部溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，即會(huì)出現(xiàn)溫差裂縫。另外，大風(fēng)、降雨等天氣亦會(huì)使得混凝土的內(nèi)表溫度存在差異，由此引起裂縫。

2.2 不均勻沉降產(chǎn)生裂縫

由于地基受到建筑物荷載的不均勻性以及地層的不均勻性，所以其沉降無法保持完全一致，繼而產(chǎn)生裂縫。

2.3 混凝土的收縮引起裂縫

人們通常將此裂縫細(xì)分為下述三類：

塑性收縮：水泥漿膠體固化為水泥石后會(huì)導(dǎo)致混凝土體積不同程度地變小，由此使其內(nèi)部產(chǎn)生裂縫；

炭化收縮：混凝土在使用之后會(huì)通過一系列化學(xué)和物理反應(yīng)生成碳酸鈣，致其體積變小，從而產(chǎn)生裂縫；

縮水收縮：混凝土固化后，在進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)未被充分消耗的水分會(huì)隨著日照強(qiáng)度的逐步增大而被蒸發(fā)干凈，使得分布于空隙內(nèi)的水產(chǎn)生張力，致其體積變小，從而產(chǎn)生裂縫。

2.4 鋼筋銹蝕引起裂縫

如果鋼筋發(fā)生銹蝕反應(yīng)，由此而生成的銹蝕物即會(huì)致其體積變大，形成膨脹應(yīng)力，繼而引起裂縫。

2.5 凍脹引起裂縫

如果外部環(huán)境溫度小于0℃，含水量較高的混凝土即會(huì)產(chǎn)生冰凍情況，體積膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，從而形成裂縫。

3 裂縫的分類

（1）基于形成時(shí)間的順序，人們一般將裂縫細(xì)分為三種即早期、中期、后期裂縫；

（2）基于發(fā)展情況，人們一般將裂縫細(xì)分為兩種：一種是終止裂縫，另一種則是自行愈合裂縫；

（3）基于具體受力位置，人們一般將裂縫細(xì)分為梁板、墻體以及路面等多種不同裂縫；

（4）基于成因，人們一般將裂縫細(xì)分為三種即沉降、溫度、塑性裂縫等；

（5）基于呈現(xiàn)形狀，人們一般將裂縫細(xì)分為斜裂縫、水平裂縫、垂直裂縫等；

（6）基于形成頻率，人們一般將裂縫細(xì)分為兩種：一種是偶然裂縫，另一種則是通病裂縫；

（7）基于裂縫寬度和危害程度這兩個(gè)指標(biāo)，人們一般將裂縫細(xì)分為輕度、普通以及嚴(yán)重裂縫。

4 瑞利波的頻散特性

瑞利面波在大自然中的存在形式主要有兩種：一種是存在于介質(zhì)的自由表面，另一種則是存在于介質(zhì)表面呈明顯疏松狀的覆蓋層中。此波的傳播速度因介質(zhì)不同而存在較大差異，具體來講，在同性介質(zhì)中進(jìn)行傳播的過程中，此波的相速度完全等同于群速度，但是在層狀介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，兩種速度勢(shì)必存在一定差異，并且相速度會(huì)受到激勵(lì)源變化的影響，而這即為瑞利波的頻散現(xiàn)象。

5 瑞利面波法

5.1 內(nèi)容

1887年，著名學(xué)者瑞利（Rayleigh）在汲取前人研究成果的基礎(chǔ)上經(jīng)過潛心研究預(yù)測(cè)了一種沿豎向指數(shù)衰減分布的面波。在此之后，大量實(shí)踐證明了該面波的確存在于現(xiàn)實(shí)之中，業(yè)內(nèi)人士直接將其命名為瑞利面波。另外，人們發(fā)現(xiàn)在自由表面半空間上，此面波不會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，換言之，其相速度的變化特性不會(huì)受到頻率的影響，如果此波分布在相對(duì)較為復(fù)雜的環(huán)境中，則會(huì)產(chǎn)生頻散情況。瑞利面波的這個(gè)特性被人們發(fā)現(xiàn)后，通過地表采集和讀取瑞利面波信號(hào)，極大擴(kuò)展了其在地下結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

在均勻彈性半空間介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，可通過下述公式描述瑞利面波特性：

式中R表示瑞利波的相速度，已確定了縱、橫波速度之比，即：

式（4）向人們清晰直觀地反映了瑞利波速度VR對(duì)橫波速度VS所產(chǎn)生的主要影響，K為校正系數(shù)，由泊松比σ決定。圖1表示了P波、S波和R波與泊松比σ的關(guān)系：

圖1 P波、S波和R波與泊松比σ的關(guān)系

根據(jù)以上分析能夠了解到，面波于彈性分布較為均勻的半空間進(jìn)行傳播的過程中，其傳播速度比較小，遠(yuǎn)不如縱波、橫波速度。進(jìn)一步我們得知瑞利面波的波速特點(diǎn)：

（1）相同介質(zhì)中，波速：縱波>橫波>瑞利面波；

（2）VR不會(huì)受頻率變化的影響，而這即表明了均勻介質(zhì)中瑞利面波不會(huì)出現(xiàn)頻散情況；

（3）VR與VS的關(guān)系近線性，且若σ較大，VR≈VS。針對(duì)土質(zhì)地基來講，可將瑞利面波波速VR近似視為橫波波速VS。

5.2 特性

（1）瑞利波在分層介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，其相速度極易受到頻率的影響，能夠隨其變化而發(fā)生相應(yīng)改變；

（2）瑞利波的傳播速度會(huì)受到橫波速度的影響，一般來講，它會(huì)以一種比橫波速度略低的速度進(jìn)行傳播；

（3）瑞利波的勘探深度與能量往往分布在大致相同的波長區(qū)間之中；其穿透深度會(huì)因波長不同而呈現(xiàn)出較大差異；

（4）瑞利波質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)過程中呈現(xiàn)出明顯的橢圓極化振動(dòng)特征。

6 結(jié)語

本文對(duì)瑞利面波檢測(cè)混凝土裂縫的作用機(jī)制進(jìn)行了基本論述，該方法在各國土木工程方面應(yīng)用也更加廣泛，它不僅費(fèi)用低、應(yīng)用面廣，而且施工方式簡單，對(duì)于裂縫的分辨度高。采用此方法時(shí)，技術(shù)人員可直接通過分析頻散曲線的方式科學(xué)合理地推導(dǎo)出混凝土裂縫介質(zhì)，以此為依據(jù)及時(shí)采取嚴(yán)謹(jǐn)有效的手段或者方法進(jìn)行處理，不僅有助于規(guī)避檢測(cè)過程中出現(xiàn)安全事故，還能夠消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)安全高效施工。