升拓独家：瑞利波法在隧道衬砌裂缝深度检测中的应用

本帖最后由 宁波升拓weibo 于 2014-9-19 09:38 编辑

瑞利波法在隧道衬砌裂缝深度检测中的应用

一、 引言

目前，绝大多数的隧道都是由钢筋混凝土浇筑而成，混凝土在浇筑完成到正常使用过程中，在其内部或表层会形成裂缝，而混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。隧道裂缝种类一般包括：干裂裂缝、温度裂缝、荷载变形裂缝、施工缝等。在隧道裂缝产生以后，隧道中的水会进入到裂缝内部，直接与裂缝中的钢筋接触，会加快衬砌内部钢筋的锈蚀速度。一般情况下，混凝土中裂缝产生以后，有利于结构应力平衡。因此，在裂缝深度小于钢筋保护层厚度的情况下，不需要对裂缝进行处理。

因此，准确测试隧道裂缝深度对后期处理显得尤为重要。然而隧道是一种抗压结构，衬砌钢筋比较密集，同时裂缝中充满水分。因此采用传统的超声法不能满足测试的需要。而基于弹性波基础上的表面波法因其频率低、受钢筋水分影响小、受填充物影响小的特点，非常适合隧道衬砌裂缝深度的测试。

二、 瑞利波法测试基本原理

瑞利波由 P 波和 SV 波（粒子运动方向与结构表面垂直的 S 波 ）合成。大部分能量集中在约 1 倍波长深度范围内，是代表性的表面波。由于它的衰减比其他的体波少，在结构物表面激振和传播的信号主要是 R瑞利波。

瑞利波在传播过程中所发生的几何衰减和材料衰减，可以通过测试系统进行补正。但是，瑞利波在遇到裂缝时，其传播在某种程度上被遮断，在通过裂缝后，波的能量和振幅会减少。因此，可以根据裂缝前后波的振幅的变化（振幅比），便可以推算其深度。

为了准确的测试瑞利波的振幅变化，四川升拓研发的混凝土多功能测试仪中引入专利技术（“双方向激振技术”：专利号：ZL200510021851.5），从而大大提高了“瑞利波法”的测试精度和实用性。

图-1 双方向激振技术

一、 测试结果验证

我们对实际的土木结构物中（包括平面壁体和曲面壁体、钢筋混凝土和素混凝土）的裂缝作为对象，采用钻孔取样（共46个样本）对本技术的进行了验证实验。验证试验的结果如图-2所示，看出本技术的测试精度是达到了工程的应用效果（测试标准偏差为10%左右）。此技术对曲面壁体中裂缝深度的测量精度有一定的降低。

图-2 测试精度的验证

一、 与超声波法的对比

表-1 本技术与现有技术的区别

	现有一般方法	本技术（瑞利波法）
采用的信号	超声波	冲击弹性波
信号成分	纵波（P波）	瑞利波（R波）
采用的物理量	传播时间/相位等	能量（振幅）衰减

　 与超声波法相比，有以下特征：

1） 测试深度深：采用瞬态激振的方式，最深可以测试2m的裂缝，而超声波的测试深度则比较小，往往不能达到衬砌的厚度范围的裂缝。

2） 受裂缝充填物影响小：由于瑞利波对裂缝的剪切刚性的依赖性，而裂缝面的填充物(水，粉尘，脱离石灰等)几乎没有剪切刚性，因此，本方法受裂缝充填物影响小，而利用超声波测试时，需要清理裂缝中的杂质。

3） 受裂缝钢筋影响小并可修正：由于本方法基于传播能量的变化，裂缝中的钢筋，由于其面积比小，所以对能量传播的影响不大。同时，可根据钢筋比加以修正以进一步提高测试精度，而对超声法影响很大。

二、 主要影响因素

1） 适合于具有较大体积的结构物。如隧道衬砌、大坝坝体等半无限体结构；

2） 对象构造物的应力条件：该方法测试有预应力结构裂缝深度时，因其剪切刚性会有较大的恢复。一部分瑞利波能够通过裂缝面，从而使得测试的裂缝深度有所降低。经过室内混凝土试验块的实验结果显示，压缩应力在5MPa以上时，用此法对裂缝的检测变得十分困难。而隧道是受压结构，所以测试的结果一般情况偏浅，因此在处理数据时，需要适当的加以考虑。

升拓集团主要经营：落球式岩土力学特性测试仪 手持打球式弹性模量测试仪 钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪 混凝土多功能无损测试仪 混凝土裂缝深度测试仪 混凝土结构厚度测试仪 混凝土结构脱空测试仪 预应力锚索（杆）张力检测仪 锚索（杆）灌浆密实度检测仪 岩锚多功能检测仪 预应力混凝土梁多功能检测仪 高炉衬砌厚度及缺陷检测仪

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