孫 巍，羅 強(qiáng)，易 翠

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

0 引言

近十年來，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，以掛籃法為主的現(xiàn)澆連續(xù)梁施工占據(jù)了鐵路現(xiàn)澆梁施工相當(dāng)大的比重。在掛籃法中，零號(hào)塊底板混凝土澆筑因鋼筋密集，結(jié)構(gòu)尺寸大使得澆筑質(zhì)量的控制成為了難點(diǎn)。傳統(tǒng)混凝土缺陷檢測之一的地質(zhì)雷達(dá)法因鋼筋屏蔽影響在零號(hào)塊底板混凝土檢測上寸步難行，超聲波法也因散射效應(yīng)明顯，衰減快很難穿透大體積混凝土。近年來，沖擊彈性波以激振頻率低、激振能量大且集中成為了混凝土大尺寸結(jié)構(gòu)缺陷檢測的有效方法。

彈性波層析掃描(CT)技術(shù)就是基于沖擊彈性波發(fā)展起來的一種新的無損檢測方法。該方法根據(jù)混凝土中彈性波傳播速度與混凝土密實(shí)程度的相關(guān)性，通過采集傳播時(shí)間獲得彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度，結(jié)合CT 技術(shù)進(jìn)行反演成像，以二維成像的方式反映混凝土檢測斷面中的內(nèi)部特征，從而達(dá)到質(zhì)量檢測的目的。

本文以作者參與的某在建高鐵線路零號(hào)塊底板混凝土澆筑質(zhì)量監(jiān)督抽檢為實(shí)例，對(duì)彈性波CT 的應(yīng)用效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，展示了彈性波CT 技術(shù)的高效、無損、高分辨率等特點(diǎn)。

1 工程概況

該條高鐵是“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“沿海通道”的重要組成部分，位于江蘇境內(nèi)，正線全長156.686km，共6 個(gè)施工標(biāo)段，跨公路、跨河的現(xiàn)澆連續(xù)梁數(shù)量眾多，現(xiàn)澆連續(xù)梁零號(hào)塊底板施工質(zhì)量引人關(guān)注。本人有幸參與了該線橋梁工程實(shí)體檢測監(jiān)督抽檢工作，利用彈性波CT 方法對(duì)零號(hào)塊底板混凝土澆筑質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場檢測。本文擬介紹彈性波CT 方法在該次零號(hào)塊底板混凝土澆筑質(zhì)量檢測的應(yīng)用和效果。

2 彈性波CT 的解析方法

沖擊彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的P 波是彈性波CT 技術(shù)主要測試媒介，每個(gè)激振點(diǎn)可以形成多條P 波射線，當(dāng)P 波射線遇到混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷時(shí)，P 波波速就會(huì)降低，通過提取P波首波的達(dá)到時(shí)刻，利用計(jì)算機(jī)層析技術(shù)反算測試區(qū)域的波速，即可檢測出結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。

由投影函數(shù)反演目標(biāo)函數(shù)最常見的近似方法是擬投影法(簡稱 BPT 法)，BPF 法的原理是依據(jù)“走時(shí)成像原理”將速度函數(shù)作為投影數(shù)據(jù)，利用同時(shí)迭代重建技術(shù)和約束最小二乘類算法等反演算法求解方程以計(jì)算速度的分布，即實(shí)現(xiàn)CT 斷層掃描成像。若測試斷面存在空洞、不密實(shí)等異常區(qū)域，則P 波傳播時(shí)間會(huì)增加，兩點(diǎn)距離不變反演的速度會(huì)降低。射線越多，CT 解析精度和分辨率越。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 零號(hào)塊抽檢概況

按監(jiān)督站要求，在每個(gè)施工標(biāo)段選取一個(gè)齡期超過56d 的零號(hào)塊進(jìn)行底板混凝土澆筑質(zhì)量的無損檢測。首先，施工單位提供零號(hào)塊澆筑臺(tái)賬，監(jiān)督站按遠(yuǎn)離高壓線，方便檢測工作開展的原則選取一個(gè)符合齡期要求的零號(hào)塊。其次，檢測單位根據(jù)零號(hào)塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按檢測方案對(duì)配合人員進(jìn)行檢測準(zhǔn)備工作交底。因?yàn)閺臄嗝孢x擇到測點(diǎn)布置再到數(shù)據(jù)采集和解析，整個(gè)過程基本一致，故本文以具有典型性特征的某標(biāo)段動(dòng)車走行線特大橋跨滬陜高速連續(xù)梁72#墩零號(hào)塊為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.2 斷面選擇及測點(diǎn)布置

動(dòng)車走行線特大橋跨滬陜高速連續(xù)梁72#墩零號(hào)塊混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C55，澆筑時(shí)間是2019 年05 月22 日，零號(hào)塊底板厚度為1.56m，兩個(gè)平行鼓包距離為8.4m，鼓包順橋方向長度（兩斜面倒角之間距離）為3.3m。該底板為鋼筋密集型大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)零號(hào)塊結(jié)構(gòu)受力情況及彈性波CT 檢測特點(diǎn)，在零號(hào)塊混凝土底板厚度范圍內(nèi)選取三個(gè)斷面為檢測面，從下往上分別為1-1 斷面，2-2 斷面，3-3 斷面，其中1-1 斷面距離底板外側(cè)10cm，每個(gè)斷面間距10cm。每個(gè)檢測面與底板在橋梁縱向形成兩條測線，其中實(shí)際檢測長度3.2m，測線上共設(shè)置9 個(gè)彈性波波速檢測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為40cm。CT 掃描檢測方向從大里程到小里程，左側(cè)為激震位置，右側(cè)為接收位置。測點(diǎn)布置見表1，斷面布置示意圖見圖1。

表1 測點(diǎn)布置一覽表

圖1 零號(hào)塊底板斷面布置示意圖

3.3 測試技術(shù)及方法

本次檢測所采用的設(shè)備是由四川升拓檢測技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)生產(chǎn)的“SCE-MATS-S 型混凝土多功能無損檢測儀”。該設(shè)備設(shè)有2 個(gè)接收通道，最大采集頻率500kHz，最大采集點(diǎn)數(shù)20000 個(gè)，分辨率為16Bit，浮點(diǎn)插值補(bǔ)償至24 位，最小采樣間隔2μs。該設(shè)備具有比較均衡的性能，能夠充分滿足沖擊彈性波的各種測試要求。

圖2 是測點(diǎn)布置及射線掃描示意圖，激振點(diǎn)設(shè)置在下面的水平方向?qū)嵕€上，從左向右依次是F1～F9，接收點(diǎn)設(shè)置在上面的水平方向?qū)嵕€上，從左向右依次是J1～J9。實(shí)際檢測時(shí)，接收點(diǎn)不動(dòng)，激振點(diǎn)移動(dòng)方式采集數(shù)據(jù)。即首先把接收探頭放到J1點(diǎn)不動(dòng)，激振錘在F1～F9 點(diǎn)上依次激振，形成第一組9 條射線。再把接收探頭依次放到J2～J9 位置，接收探頭每放一個(gè)位置，激振錘在F1～F9 點(diǎn)上依次激振一遍。這樣在該檢測斷面上共形成81 條射線，每條射線產(chǎn)生2 個(gè)波形（時(shí)域波形圖見圖3），共產(chǎn)生162 個(gè)波形。

圖2 彈性波CT 射線掃描示意圖

圖3 彈性波CT 射線時(shí)域波形圖

3.4 數(shù)據(jù)解析

由圖3 可以看出，每條射線產(chǎn)生兩個(gè)原始波形，CH0 為激振信號(hào)通道，CH1 位接收信號(hào)通道，信號(hào)起跳點(diǎn)明顯，沒有雜波和串信情況，在波形圖上容易拾取首波時(shí)刻。根據(jù)波形圖拾取的射線首波時(shí)刻反演該段波速，在該檢測斷面最終形成波速等值線圖。下面就該零號(hào)塊所選取的三個(gè)斷面波速等值線圖進(jìn)行具體說明。

3.4.1 1-1 斷面

圖4 1-1 斷面波速等值線圖

1-1斷面平均波速為4.45km/s，最高波速為5.04km/s，最低波速為3.96km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實(shí)，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s區(qū)域占比為69.8%，其他存在近30%的區(qū)域在此波分布范圍以外，說明此斷面混凝土均勻性一般。從最高波速來看，波速超過了5km/s，說明骨料這次特別集中，反映出混凝土均勻性一般。從最低波速看，波速低于4km/s，與平均波速相比，波速差超過10%，可以認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榈筒ㄋ佼惓^(qū)域。從等值線圖可以看到，該低波速區(qū)集中在X方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.4m）的區(qū)域內(nèi)，同時(shí)我們也注意到以這塊低波速區(qū)為基礎(chǔ)，波速低于4.15km/s的藍(lán)色區(qū)域基本貫穿8.4m的兩個(gè)測試鼓包。這個(gè)現(xiàn)象引起了我們的興趣，經(jīng)與施工方確認(rèn)，該區(qū)域?yàn)闄M向預(yù)應(yīng)力孔道位置。預(yù)應(yīng)力孔道注漿料強(qiáng)度為M50，零號(hào)塊混凝土強(qiáng)度為C55，可以看出兩種材料的絕對(duì)強(qiáng)度、密實(shí)性以及齡期對(duì)彈性波波速存在一定程度的影響。

3.4.2 2-2 斷面

圖5 2-2 斷面波速等值線圖

2-2斷面平均波速為4.47km/s，最高波速為4.98km/s，最低波速為4.16km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實(shí)，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s區(qū)域占比為76.4%，其他存在近25%的區(qū)域在此波分布范圍以外，說明此斷面混凝土均勻性一般。最低波速為4.16km/s，可以看出該斷面無孔洞或蜂窩狀區(qū)域存在，也不存在不密實(shí)區(qū)域。

3.4.3 3-3 斷面

圖6 3-3 斷面波速等值線圖

3-3 斷面平均波速為4.47km/s，最高波速為4.75km/s，最低波速為4.03km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實(shí)，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s 區(qū)域占比為88.3%，說明此斷面混凝土均勻性較好。最低波速為4.03km/s，可以看出該斷面不會(huì)存在明顯的孔洞或蜂窩狀區(qū)域，最低波速區(qū)域位于X 方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.68m）。

3.4.4 綜述

綜合對(duì)比上述三個(gè)斷面等值線圖，在X 方向（1～1.3m），Y方向（0～1.4m）形成的區(qū)域范圍內(nèi)均存在波速較低情況，說明在該零號(hào)塊底板30cm 的測試高度范圍存在一個(gè)具有一定延伸長度的低速體。這個(gè)低速體位于彈性波CT 檢測的激振面，我們?cè)俅位氐綑z測現(xiàn)場，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了錘擊，從聲音上很難發(fā)現(xiàn)與其他區(qū)域混凝土的差異。與施工方溝通，得知該位置因橫向預(yù)應(yīng)力施工，進(jìn)行過局部鑿除，后已補(bǔ)強(qiáng)。這才讓我們豁然開朗！由此可以看出彈性波CT 技術(shù)在探查混凝土差異的有效性。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)澆連續(xù)梁零號(hào)塊底板混凝土的彈性波CT 探測，不僅可以從二維平面反映各CT 測試斷面不同介質(zhì)或結(jié)構(gòu)差異的存在，也可以從三維立體反映零號(hào)塊整體局部區(qū)域的澆筑質(zhì)量狀況。相信彈性波CT 技術(shù)的高效、無損、高分辨率特點(diǎn)將會(huì)成為探查大體積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土內(nèi)部質(zhì)量的重要手段。