弹性波与电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用

弹性波与电磁波无损检测技术

在建筑工程中的应用

吴庆曾

（中国地质学会桩基无损检测专业委员会）

（中国地质调查局技术方法研究所）

1.前言

大凡建筑都有基础，而基础一定坐落在地基之上。建筑质量是否合格？是否稳定？是否能达到设计的抗震性能？决定着建筑物的使用寿命，形成了一个系统工程。在这个系统工程中，有一环是非常重要的，就是对地基、基础、上部建筑这三个建筑阶段的质量的勘探、检测与评价。但也有例外，没有地基，没有基础，那就是隧道，可是勘察、检测更为重要。

当然，地基的勘察是走在最前面的，是这个系统工程中的先导，有时甚至决定着工程的成败，成为工程如何设计的依据，也决定了施工过程中是否会因施工诱发地质灾害，这些在路、桥、坝、隧道的建设中尤为重要。地基清楚了（确切的说应是场地工程地质条件乃至水文地质条件清楚了），设计也有了，基础的施工，及其上部结构的施工质量检验，质量评价，成为工程质量控制必不可少的一环，也是工程验收的依据。

说到勘察、质量检测，存在两大类做法，即：原位检测与取样检测。它们又都存在两种绝然不同的方法即：有损检测和无损检测。当

今，无损检测的应用，以及应用的水平和应用的范围，已成为衡量一个国家或一个领域技术发展水平高低的标志。

本文所要论述的仅是：弹性波及电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用的现状。

2.关于弹性波的无损检测技术 2.1 弹性波的基本概念

2.1.1固体中的弹性波，指的是固体中的介质质点在受到外力扰动时产生振动，从而引起质点相互碰撞的波动过程，其波动方程为

）（）＝－（＝kx t j m m e c

x

t -ωμωμμCOS ……………………（2.1）

式中λ

π

ω2c

k ＝

＝称为波数；μ及μm 为声场中质点瞬时位移及最大位

移；c 为声波的声速；x 为传播距离；λ为波长；ω＝2πf 。（2.1）式说明的是声波的传播是时间与空间的函数。 2.1.2弹性波的振动模式与传播速度

A. 纵波（简称P 波）：质点的振动方向与传播方向一致，传播速度

()()()

P

V E

C =-+-*

=

σσσρ2111l …………………………（2.2）

（2.2）式中E 为弹性模量；σ为泊松比都是介质的弹性常数ρ为介质密度。

B.横波（简称S 波）：质点的振动方向与传播方向垂直，传播速度

S t V E

G

C =+*

===

)

1(21

σρ

ρ

ρμ……………………（2.3）

（2.3）式中μ为拉美系数；G 为剪切模量；E 为弹性模量；σ为泊松比；ρ为介质密度。

C.面波（简称R 波）仅在固体的自由表面一个波长（波长λ＝C/f ） 的范围内存在，是P 波和S 波的合成波，质点作椭圆振动，并向前传播，传播速度

S R V 112.187.0V σ

σ

++＝

………………………………（2.4）

存在V P ＞V S ＞V R ，当σ＝0.25时 V P =1.73V S ，V R ＝0.92V S

2.1.3弹性波的反射、折射、绕射等规律

如果介质是连续的，即波阻抗Z 不变，（波阻抗Z 等于密度ρ和声速C 的成积，即Z ＝ρ〃C ）声波在其中的传播比较简单，会沿着起始的方向以往无前，但是在介质波阻抗（ρc 值）发生突变的界面，弹性波会发生反射、折射、绕射等现象，和光的传播一样遵循Snell 定律。

2

t

1i in C S C Sin θθ=………………………（2.5） （2.5）式中θi 、θt 分别为波的入射角和折射角，C 1 、C 2 分别为上下界面的声速。

2.1.4弹性波的波幅衰减规律

a m e A A -= ……………………………………（2.6）

a m e A A -=

1

……………………………………（2.7） 上两式中m A 为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，它是频率的函数； 为传播距离。（2.6）式适用平面波，（2.7）适用球面波。 2.2弹性波透射法

透射法可以勘察或检测其它方法无法做到的一些勘察或检测内容，如：

● 岩体因施工引起的松动范围检测 ● 基桩完整性检测 ● 岩体灌浆补强效果的检测 ● 岩体动弹性力学参数测试 ● 岩体中溶洞、破碎带的勘察； ● 重力坝稳定性的检测； ● 滑坡体滑带（滑床）的勘察； ● 混凝土的缺陷检测； ● 混凝土的裂缝检测 ● 混凝土的强度检测

在上述的勘察、检测中，由于所使用弹性波频率的不同，形成了不同领域技术中的不同仪器装备。不同的仪器装备，在不同的技术领域中有着不同的技术方法名称。频率在2kHZ —500 kHZ 的被称为“声波检测”或“超声波检测”；频率在2kHZ 以下的被称作“工程地震勘探”。不论名称如何，其工作原理是共同的。 2.2.1岩体因施工引起的松动范围检测

由于爆破施工会引起边坡岩体、隧道围岩的松动，造成岩体失稳，需要检测松动范围，从而确定加固措施。可以采用跨孔声波透射法，如图2所示。由声速的变化可确定岩体的松动范围。

2.2.2声波透射法基桩完整性检测

.检测技术的依据是：《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106—2003 A.基桩可能出现的缺陷

基桩是被大量采用的建筑基础，它有着诸多优势，在此不加赘述。但基桩在施工过程，会由于多种原因出现不同的缺陷，如图3。

B.测试方法：水平同步法、斜测法、扇面测试法如图4。

C.声波仪测试的接收波形，见图5。根据各测点测取的声速、波幅值绘制出的声速——深度曲线和波幅——深度曲线，如图6。

D.检测缺陷的原理和依据