岩土工程测试技术课件第九章

图9.7.1 HT225W全自动数字回弹仪
当回弹仪具有下列情况之一时应送检定单位检定： 1）新回弹仪使用前； 2）超过检定有效期（半年）； 3）累计弹击次数超过6000次； 4）经常规定保养后钢砧率定值不合格； 5）遭受严重撞击或其他损害。
9.2.2回弹值的测量
回弹值是采用回弹法测定结构混凝土强度的基 本推算依据，回弹值测量的是否准确，将直接影 响到推算结果。因此，只有在严格统一条件下、 统一操作的情况下测试，才会取得满意的效果。
9.1.3.2声波仪
声波仪是声波测试的主要仪器设备，它的主要部 件是发射机和接收机，目前我国已研制了多种声波探 测仪，90年代电脑化、数字化超声波检测仪器问世， 它的组成如图9.5所示，
图9.5 非金属数字化声波检测仪原理图
当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的 发射接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的测 试原理。
和缩裂等），将会产生反射和透射，这是因为波动方 程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。我们 通过下图可知反射和透射的特点。
通过斯奈尔定律（亦称反射与投射定律）可知：
在桩基质量检测时，满足一个特殊的边界条件，即桩 顶锤击时，平面波垂直入射，当弹性波从桩顶向下不 传播时，碰到弹性性质突然变化的界面时，不产生波 的转换，仅有反射波和透射波的存在，而不存在反射 横波和透射横波，即 故得反射系数为： 反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上 后被反射回去能量的大小，说明界面上能量的分配问 题。反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差。波 阻抗越大，反射系数越大，反射波的振幅也越大；反 之，反射波的振幅就小，当上下介质的波阻抗相等时， 则不产生反射。
图9.2 增压式换能器的构造 1—螺栓；2—连接件；3—连接套筒；4—后法兰盘；5—接线柱；6—电极引线； 7—压电陶瓷片；8—增压管；9—玻璃钢；10—前法兰盘
图9.3 试件纵向用换能器 1—外壳；2—陶瓷片；3—螺栓；4—电缆；5—电缆屏蔽层；6—垫片；7—螺栓
图9.4 试件横向用换能器 1—电缆；2—螺栓；3—垫片；4—螺栓电缆；5—上盖；6—陶瓷片；7—底壳
9 地下工程无损 检测技术与声发射技术
9.1地下工程无损检测技术基本理论简介 无损检测技术是检测声学中的比较典型的应用它具 有简单、快速、易行等特点，是检测工程质量的有 效方法。声波是波动中机械波的一种形式，波动是 物质运动的一种形式，振动是产生波动的根源。声 波的频率在十余赫到万余赫的范围内，可以引起听 觉，称为可闻声波；更低频率的机械波称为次声波； 更高频率的机械波称为超声波。声波是弹性波的一 种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波在岩 土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。
9.1.1波动方程
弹性介质内某一点运动时，可以得出拉密运动方 程，如果不考虑重力一类体积力的作用，该方程可以 表示为：
固体介质在一般情况下除了产生体积变形外，还将产 生切变形，因此，将激起纵波和横波。它们以不同的 速度在介质中传播。此外，在固体自由表面下的介质 中还会出现表面波。因此，由拉密运动方程出发，可 以导出纵波与横波的波动方程，下面讨论这两种波的 传播速度。
9.1.3声波探测仪器设备和使用
岩体声波探测就是声波发射、传播及接收显示， 其相应的仪器有发射、接收换能器和声波仪。换能器 的作用就是使其他形式的能量转换成声波的能量和使 声波的能量转换成其他易于检测的能量。电能的运用 最为方便，目前应用最广泛的便是电能和超声能量相 互转换的电声换能器。 9.1.3.1声波换能器 换能器是声电能量的转换器件，俗称“探头”， 发射换能器是将声波仪发射机输出的具有一定功率的 电信号转换成声信号，发射到岩体中，发射声波利用 的是逆压电效应。接收声波利用的是正压电效应。由 于实测中对换能器和频率频带、工作方式的要求不同， 因此做成了具有不同结构和不同振动方式的压电换能 器。如增压式换能器的构造如图9.2所示，具有轻便和 灵敏度高等特点。图9.3和图9.4是用于岩石试件测试 的小型换能器。
薄板中的纵波声速： 细长杆中的纵波声速：
由以上各式可知，超声波在混凝土中传播时，其 纵波声速的平方与混凝土的弹性模量成正比，与混凝 土的密度成反比。当结构混凝土中有空洞或裂缝存在 时，便破坏了混凝土的整体性，声波只能绕过空洞或 裂缝传播到接收换能器，使接收的声波振幅减小、传 播的路程增大、测得的声时偏长、其相应的声速降低。 据此特征可以判断混凝土的强度和质量状况。 因此，在实际检测中，超声声速是通过混凝土弹 性模量与力学强度的内在联系，与混凝土抗压强度建 立相关关系，借以推定混凝土强度的。目前，国内外 通常采用统计方法建立专用曲线或数学表达式。在我 国， 相关曲线基本上采用两种非线性的数学 表达式：
3）回弹值的数据处理 分别从测区16个测点读取的回弹值中剔除3个 最大值和3个最小值，然后将余下的回弹值按下式 计算测区平均回弹值
—测区平均回弹值，精确到0.1； —第个测点的回弹值。
当回弹仪与浇注侧面处于其他非水平方向检测 时，应对测区平均回弹值进行角度修正；当测试面 不是混凝土的浇注侧面时，应对测区平均回弹值进 行浇注面修正；当测试时，回弹仪既非呈水平方向， 测区又非混凝土的浇注侧面时，应先对测区平均回 弹值进行角度修正，然后再进行浇注面修正。回弹 值的修正见（回弹法评定混凝土抗压强度技术规 程）。从许多实际工程的检测经验来看，回弹法经 过角度或浇注面修正以后，其测试误差有所增大， 因此，进行回弹法测试时，应尽可能在构件的浇注 侧面进行检测。
1）测试现场的准备 测区表面应为原状混凝土面，并应清洁、平整、干燥、 无冰冻，不应有疏松层、浮浆、油垢以及蜂窝麻面等， 必要时可用砂轮打磨清除表面上的杂物和不平整处， 打磨后的表面不应有残留的粉末或碎屑。结构或构件 的试样、测区均应标有清晰的编号，测区在试样上的 位置和外观质量情况均应有详细的描述。 2）回弹值的测读 检测时，除按回弹仪的一般操作规程操作外，尤其要 注意：应使回弹仪的轴向始终垂直于测试表面，缓慢 均匀施压，待弹击杆反弹后测读回弹值。每一测区弹 击16点（当测区有两个侧面时，则每一侧面弹击8 点），测点应避开外露的石子和气孔，同一测点只允 许弹击一次。
〉
不小于25MPa时：
9.3超声波检测结构混凝土的抗压强度
超声波检测混凝土强度的基本依据是超声波传 播速度与混凝土的弹性性质的密切关系。工程上，通 常采用建立试件的超声声速与混凝土抗压强度相关的 统计测强曲线，来检测和评估混凝土的力学性质。 9.3.1超声波检测仪 超声声速与弹性介质的弹性模量之间的数学关系 式为：无限弹性介质中传播的纵波声速：
9.1.3.3换能器的布置方式
根据检测对象和目的的不同，声波的检测方 法也不同，主要体现在换能器的布置形式上。换 能器的布置形式主要有以下几种（如图9.6所示）： 1、透射法 2、跨孔测试法 3、反射法 4、平测法
9.2回弹法检测结构混凝土的抗压强度
实际工程中常用的结构混凝土强度的现场检测 方法，可分为非破损法和局部破损法。非破损法是 以某些物理量与混凝土立方体试块强度之间的相关 关系为基本依据，在不损坏结构的前提下，测试混 凝土的这些物理特性，并按其相关关系推算出混凝 土的抗压强度。目前常用的非破损测强技术有回弹 法、超声法、超声回弹综合法。 用弹击时能量的变化反映混凝土的弹性和塑性 性质，称为回弹法。具体来说，就是根据混凝土的 回弹值、碳化深度与抗压强度之间的相关关系来推 定其抗压强度。
9.2.1回弹仪
如图9.7所示为回弹仪的结构原理图，图9.7.1 为回弹仪的实物照片。其工作原理是：将弹击杆1 顶住混凝土的表面，轻压仪器，使按钮6松开，弹 击杆缓缓伸出，并使挂钩13挂上冲击锤14。使回弹 仪对混凝土表面缓慢均匀施压，待冲击锤脱钩，冲 击锤击杆后，冲击锤即带动指针向后移动直至达到 一定位置时，指针块的刻度线即在刻度尺5上显示 某一回弹值，逐渐对回弹仪减压，使弹击杆自外壳 3内伸出，挂钩挂上冲击锤，待下一次使用。 回弹仪必须经过有关检定部门的检定，获得检 定合格后在检定有效期（半年）内使用。
1、声波的发射 声波的发射方式有以下几种： 1）换能器内触发发射 2）锤击外触发发射 3）电火花外触发发射 2、声波的接收 3、放大数据及采集 目前国产性能好的声波检测仪，在将波形显 示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及 首波的到达时间自动加以判读，同时显示其数值。 对接收到的波形、波幅、声时等可随时存入电脑 硬盘，做下一步的分析处理。上述声波信息可在 专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介 质做出评价。
1、纵波：质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵 波。
设：
则拉密运动方程可写成：
上式为无限弹性介质中纵波的波动方程， 即为纵波 的传播速度。 2、横波：质点振动方向与波的传播方向垂直时称为 横波。则拉密运动方程可写成：
上式为无限弹性介质中横波的波动方程， 即为横波 的传播速度。
3、表面波：沿介质表面和交界面传播，振幅随深度增 加而迅速衰减的波称为表面波注意表面波与纵波和横波 传播介质区别：面波在层状介质中传播，而纵波和横波 在均匀介质中传播。面波在介质中的传播速度为：
应按下列公式确
(1)当单个构件检测时，以最小值作为该构件混凝土强 度的推定数值，即 (2）当结构或构件测区数不少于10个或按批量检测时， 应按下列公式计算： （3）按批量检测的构件，当该批构件混凝土强度标准 差出现下列情况之一时，则该批构件应全部按单个构件 逐个检测： A、当该批构件混凝土强度平均值 〉 标准差 B、当该批构件混凝土强度平均值 标准差
9.2.4结构或构件混凝土强度的推定
由测区平均回弹值 及平均碳化深度 查（回 弹法评定混凝土抗压强度技术规程） （JGJ/T23~2001)，可得出各测区混凝土的抗压强 度。具体要求如计算强度标准差，标准差 按下式计算：
2）结构或构件混凝土强度推定值 定：
4、波速度比较： 纵波和横波：
由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种 类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波 在介质中的传播速度也不同。这样，我们用人工 （爆破、锤击）发生弹性波，并设法用接收仪表 测定其波速，利用各种波的的速度差异，可以帮 助在记录中识别各种波，同时还可以用来判别岩 体的特性及状态（如坚硬或松软、裂隙与完整） 以及混凝土桩基的完整性和承载力等，这就是工 程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。 9.1.2波的反射与透射 从前面讨论可知，固体中有两种弹性波传播。 当任何一种波入射到两种介质的分界面上时（如 岩体中的节理、裂隙和断层等；岩石与混凝土的 界面；基桩的桩底、桩身的夹泥层、断裂、扩颈
回弹法的优点比较突出：仪器构造简单、方法易于掌 握、检测效率高、费用较低，因而广泛用于工程验收 的质量检测。总体来说，回弹法在实际工程中主要应 用于以下四个方面： 1）根据回弹值推定结构混凝土的抗压强度； 2）对比混凝土质量是否达到某一特定要求，如构件 的拆模、运输、吊装等； 3）根据回弹值检验结构混凝土质量的均匀性； 4）对结构中混凝土质量有疑问的区域予以确定，以 便用其他方法进一步检测。
9.2.3碳化深度值的测量
通过测试混凝土碳化对回弹值的影响试验证 明，当混凝土强度相同时，龄期越长，回弹值越 大。这主要是由于混凝土表面在空气中的二氧化 碳和水分子的作用下，表面的氢氧化碳转换成碳 酸钙硬壳，即所谓的碳化。碳化层的厚度随龄期 的增长而增大，回弹值则随碳化深度d的增大而增 大，直至d大于5~6mm后，回弹值R随d的增长逐 渐趋于平缓。因此，碳化是必须修正的一个重要 因素。所以，回弹测试完毕以后，要测量碳化深 度值，测量不应少于3次，求出平均碳化深度 测读精确至0.5mm。 测区平均碳化深度值计算公式如下：
和
式中，A,B为经验系数。由以上经验公式可见， 采用超声声速参数便是突出了超声弹性波特性与混 凝土弹性模量及强度的相关性。 超声波检测系统包括超声波检测仪和换能器及 耦合剂，常用耦合剂为黄油及浆糊，如图9.9所示， 图9.9.1为数字超声探伤仪实物照片。在进行超声波 测试前，应对工程的设计与施工进行详细的了解， 包括构件的尺寸、配筋、混凝土材料的组成、施工 方法和混凝土的龄期等相关信息。测试应选择在配 筋少、表面干燥、平整等具有代表性的部位上，将 发射与接收换能器所对应的测点画在构件相互平行 （对应）的两个可测表面，构件相对面布置测点应 力求方位对等，使每对测点的测距最短。如果一对 测点在任一测面上布在蜂窝、麻面或模板漏浆缝上， 可适当相应改变该对测点位置，使各对测点表面平 整，声耦合良好，编号并涂耦合剂，即可进行测试。