岩土工程测试技术课件-第九章ppt（图文丰富共40）

9地下下工工程程无无损损检检测测技技术术与与声声发发射射技技术术9.1地下下工工程程无无损损检检测测技技术术基基本本理理论论简简介介无损损检检测测技技术术是是检检测测声声学学中中的的比比较较典典型型的的应应用用它它具具有有简简单单、、快快速速、、易易行行等等特特点点，，是是检检测测工工程程质质量量的的有有效效方方法法。。声声波波是是波波动动中中机机械械波波的的一一种种形形式式，，波波动动是是物物质质运运动动的的一一种种形形式式，，振振动动是是产产生生波波动动的的根根源源。。声声波波的的频频率率在在十十余余赫赫到到万万余余赫赫的的范范围围内内，，可可以以引引起起听听觉觉，，称称为为可可闻闻声声波波；；更更低低频频率率的的机机械械波波称称为为次次声声波波；；更更高高频频率率的的机机械械波波称称为为超超声声波波。。声声波波是是弹弹性性波波的的一一种种，，若若视视岩岩土土和和混混凝凝土土介介质质为为弹弹性性体体，，则则声声波波在在岩岩土土和和混混凝凝土土介介质质中中的的传传播播服服从从弹弹性性波波传传播播规规律律。。9.1.1波动动方方程程弹性性介介质质内内某某一一点点运运动动时时，，可可以以得得出出拉拉密密运运动动方方程程，，如如果果不不考考虑虑重重力力一一类类体体积积力力的的作作用用，，该该方方程程可可以以表表示示为为：：固体体介介质质在在一一般般情情况况下下除除了了产产生生体体积积变变形形外外，，还还将将产产生生切切变变形形，，因因此此，，将将激激起起纵纵波波和和横横波波。。它它们们以以不不同同的的速速度度在在介介质质中中传传播播。。此此外外，，在在固固体体自自由由表表面面下下的的介介质质中中还还会会出出现现表表面面波波。。因因此此，，由由拉拉密密运运动动方方程程出出发发，，可可以以导导出出纵纵波波与与横横波波的的波波动动方方程程，，下下面面讨讨论论这这两两种种波波的的传传播播速速度度。。1、纵波：：质点振振动方向向与波的的传播方方向一致致时称为为纵波。。设：则拉密运运动方程程可写成成：上式为无无限弹性性介质中中纵波的的波动方方程，即即为纵纵波的传传播速度度。2、横波：：质点振振动方向向与波的的传播方方向垂直直时称为为横波。。则拉密密运动方方程可写写成：上式为无无限弹性性介质中中横波的的波动方方程，即即为为横波的的传播速速度。3、表面波波：沿介介质表面面和交界界面传播播，振幅幅随深度度增加而而迅速衰衰减的波波称为表表面波注注意表面面波与纵纵波和横横波传播播介质区区别：面面波在层层状介质质中传播播，而纵纵波和横横波在均均匀介质质中传播播。面波波在介质质中的传传播速度度为：4、波速度度比较：：纵波和横横波：由波速的的表达式式可知，，弹性介介质的性性质及种种类不同同，弹性性常数及及密度也也不同，，因此，，弹性波波在介质质中的传传播速度度也不同同。这样样，我们们用人工工（爆破破、锤击击）发生生弹性波波，并设设法用接接收仪表表测定其其波速，，利用各各种波的的的速度度差异，，可以帮帮助在记记录中识识别各种种波，同同时还可可以用来来判别岩岩体的特特性及状状态（如如坚硬或或松软、、裂隙与与完整））以及混混凝土桩桩基的完完整性和和承载力力等，这这就是工工程上经经常使用用的“弹弹性波探探测法””的理论论依据。。9.1.2波的反射射与透射射从前面讨讨论可知知，固体体中有两两种弹性性波传播播。当任任何一种种波入射射到两种种介质的的分界面面上时（（如岩体体中的节节理、裂裂隙和断断层等；；岩石与与混凝土土的界面面；基桩桩的桩底底、桩身身的夹泥泥层、断断裂、扩扩颈和缩裂等等），将将会产生生反射和和透射，，这是因因为波动动方程要要满足界界面上质质点位移移连续和和应力连连续条件件。我们们通过下下图可知知反射和和透射的的特点。。通过斯奈奈尔定律律（亦称称反射与与投射定定律）可可知：在桩基质质量检测测时，满满足一个个特殊的的边界条条件，即即桩顶锤锤击时，，平面波波垂直入入射，当当弹性波波从桩顶顶向下不不传播时时，碰到到弹性性性质突然然变化的的界面时时，不产产生波的的转换，，仅有反反射波和和透射波波的存在在，而不不存在反反射横波波和透射射横波，，即故得反射射系数为为：反射系数数的物理理意义是是弹性波波垂直入入射到反反射界面面上后被被反射回回去能量量的大小小，说明明界面上上能量的的分配问问题。反反射系数数的大小小取决于于上下介介质的波波阻抗差差。波阻阻抗越大大，反射射系数越越大，反反射波的的振幅也也越大；；反之，，反射波波的振幅幅就小，，当上下下介质的的波阻抗抗相等时时，则不不产生反反射。9.1.3声波探测测仪器设设备和使使用岩体声波波探测就就是声波波发射、、传播及及接收显显示，其其相应的的仪器有有发射、、接收换换能器和和声波仪仪。换能能器的作作用就是是使其他他形式的的能量转转换成声声波的能能量和使使声波的的能量转转换成其其他易于于检测的的能量。。电能的的运用最最为方便便，目前前应用最最广泛的的便是电电能和超超声能量量相互转转换的电电声换能能器。9.1.3.1声波换能能器换能器是是声电能能量的转转换器件件，俗称称“探头头”，发发射换能能器是将将声波仪仪发射机机输出的的具有一一定功率率的电信信号转换换成声信信号，发发射到岩岩体中，，发射声声波利用用的是逆逆压电效效应。接接收声波波利用的的是正压压电效应应。由于于实测中中对换能能器和频频率频带带、工作作方式的的要求不不同，因因此做成成了具有有不同结结构和不不同振动动方式的的压电换换能器。。如增压压式换能能器的构构造如图图9.2所示，具具有轻便便和灵敏敏度高等等特点。。图9.3和图9.4是用于岩岩石试件件测试的的小型换换能器。。图9.2增压式换换能器的的构造1—螺栓；2—连接件；；3—连接套筒筒；4—后法兰盘盘；5—接线柱；；6—电极引线线；7—压电陶瓷瓷片；8—增压管；；9—玻璃钢；；10—前法兰盘盘图9.3试件纵向向用换能能器1—外壳；2—陶瓷片；；3—螺栓；4—电缆；5—电缆屏蔽蔽层；6—垫片；7—螺栓图9.4试件横向向用换能能器1—电缆；2—螺栓；3—垫片；4—螺栓电缆缆；5—上盖；6—陶瓷片；；7—底壳9.1.3.2声波仪声波仪是是声波测测试的主主要仪器器设备，，它的主主要部件件是发射射机和接接收机，，目前我我国已研研制了多多种声波波探测仪仪，90年代电脑脑化、数数字化超超声波检检测仪器器问世，，它的组组成如图图9.5所示，图9.5非金属数数字化声声波检测测仪原理理图当今声波波检测仪仪均已数数字化，，现以数数字化声声波检测测仪的发发射接收收、数据据采集及及信号处处理过程程说明声声波检测测的测试试原理。。1、声波的的发射声波的发发射方式式有以下下几种：：1）换能器器内触发发发射2）锤击外外触发发发射3）电火花外外触发发射射2、声波的接接收3、放大数据据及采集目前国产性性能好的声声波检测仪仪，在将波波形显示在在屏幕上的的同时，可可将接收信信号的首波波波幅及首首波的到达达时间自动动加以判读读，同时显显示其数值值。对接收收到的波形形、波幅、、声时等可可随时存入入电脑硬盘盘，做下一一步的分析析处理。上上述声波信信息可在专专用的数据据与信息处处理软件的的支持下，，对被测介介质做出评评价。9.1.3.3换能器的布布置方式根据检测对对象和目的的的不同，，声波的检检测方法也也不同，主主要体现在在换能器的的布置形式式上。换能能器的布置置形式主要要有以下几几种（如图图9.6所示）：1、透射法2、跨孔测试试法3、反射法4、平测法9.2回弹法检测测结构混凝凝土的抗压压强度实际工程中中常用的结结构混凝土土强度的现现场检测方方法，可分分为非破损损法和局部部破损法。。非破损法法是以某些些物理量与与混凝土立立方体试块块强度之间间的相关关关系为基本本依据，在在不损坏结结构的前提提下，测试试混凝土的的这些物理理特性，并并按其相关关关系推算算出混凝土土的抗压强强度。目前前常用的非非破损测强强技术有回回弹法、超超声法、超超声回弹综综合法。用弹击时能能量的变化化反映混凝凝土的弹性性和塑性性性质，称为为回弹法。。具体来说说，就是根根据混凝土土的回弹值值、碳化深深度与抗压压强度之间间的相关关关系来推定定其抗压强强度。回弹法的优优点比较突突出：仪器器构造简单单、方法易易于掌握、、检测效率率高、费用用较低，因因而广泛用用于工程验验收的质量量检测。总总体来说，，回弹法在在实际工程程中主要应应用于以下下四个方面面：1）根据回弹弹值推定结结构混凝土土的抗压强强度；2）对比混凝凝土质量是是否达到某某一特定要要求，如构构件的拆模模、运输、、吊装等；；3）根据回弹弹值检验结结构混凝土土质量的均均匀性；4）对结构中中混凝土质质量有疑问问的区域予予以确定，，以便用其其他方法进进一步检测测。9.2.1回弹仪如图9.7所示为回弹弹仪的结构构原理图，，图9.7.1为回弹仪的的实物照片片。其工作作原理是：：将弹击杆杆1顶住混凝土土的表面，，轻压仪器器，使按钮钮6松开，弹击击杆缓缓伸伸出，并使使挂钩13挂上冲击锤锤14。使回弹仪仪对混凝土土表面缓慢慢均匀施压压，待冲击击锤脱钩，，冲击锤击击杆后，冲冲击锤即带带动指针向向后移动直直至达到一一定位置时时，指针块块的刻度线线即在刻度度尺5上显示某一一回弹值，，逐渐对回回弹仪减压压，使弹击击杆自外壳壳3内伸出，挂挂钩挂上冲冲击锤，待待下一次使使用。回弹仪必须须经过有关关检定部门门的检定，，获得检定定合格后在在检定有效效期（半年年）内使用用。图9.7.1HT225W全自动数字字回弹仪当回弹仪具具有下列情情况之一时时应送检定定单位检定定：1）新回弹仪仪使用前；；2）超过检定定有效期（（半年）；；3）累计弹击击次数超过过6000次；4）经常规定定保养后钢钢砧率定值值不合格；；5）遭受严重重撞击或其其他损害。。9.2.2回弹值的测测量回弹值是采采用回弹法法测定结构构混凝土强强度的基本本推算依据据，回弹值值测量的是是否准确，，将直接影影响到推算算结果。因因此，只有有在严格统统一条件下下、统一操操作的情况况下测试，，才会取得得满意的效效果。1）测试现场场的准备测区表面应应为原状混混凝土面，，并应清洁洁、平整、、干燥、无无冰冻，不不应有疏松松层、浮浆浆、油垢以以及蜂窝麻麻面等，必必要时可用用砂轮打磨磨清除表面面上的杂物物和不平整整处，打磨磨后的表面面不应有残残留的粉末末或碎屑。。结构或构构件的试样样、测区均均应标有清清晰的编号号，测区在在试样上的的位置和外外观质量情情况均应有有详细的描描述。2）回弹值的的测读检测时，除除按回弹仪仪的一般操操作规程操操作外，尤尤其要注意意：应使回回弹仪的轴轴向始终垂垂直于测试试表面，缓缓慢均匀施施压，待弹弹击杆反弹弹后测读回回弹值。每每一测区弹弹击16点（当测区区有两个侧侧面时，则则每一侧面面弹击8点），测点点应避开外外露的石子子和气孔，，同一测点点只允许弹弹击一次。。3）回弹值的的数据处理理分别从测区区16个测点读取取的回弹值值中剔除3个最大值和和3个最小值，，然后将余余下的回弹弹值按下式式计算测区区平均回弹弹值—测区平均回回弹值，精精确到0.1；—第个测点的的回弹值。。当回弹仪与与浇注侧面面处于其他他非水平方方向检测时时，应对测测区平均回回弹值进行行角度修正正；当测试试面不是混混凝土的浇浇注侧面时时，应对测测区平均回回弹值进行行浇注面修修正；当测测试时，回回弹仪既非非呈水平方方向，测区区又非混凝凝土的浇注注侧面时，，应先对测测区平均回回弹值进行行角度修正正，然后再再进行浇注注面修正。。回弹值的的修正见（（回弹法评评定混凝土土抗压强度度技术规程程）。从许许多实际工工程的检测测经验来看看，回弹法法经过角度度或浇注面面修正以后后，其测试试误差有所所增大，因因此，进行行回弹法测测试时，应应尽可能在在构件的浇浇注侧面进进行检测。。9.2.3碳化深度值值的测量通过测试混混凝土碳化化对回弹值值的影响试试验证明，，当混凝土土强度相同同时，龄期期越长，回回弹值越大大。这主要要是由于混混凝土表面面在空气中中的二氧化化碳和水分分子的作用用下，表面面的氢氧化化碳转换成成碳酸钙硬硬壳，即所所谓的碳化化。碳化层层的厚度随随龄期的增增长而增大大，回弹值值则随碳化化深度d的增大而增增大，直至至d大于5~6mm后，回弹值值R随d的增长逐渐渐趋于平缓缓。因此，，碳化是必必须修正的的一个重要要因素。所所以，回弹弹测试完毕毕以后，要要测量碳化化深度值，，测量不应应少于3次，求出平平均碳化深深度测测读精精确至0.5mm。测区平均碳碳化深度值值计算公式式如下：9.2.4结构或构件件混凝土强强度的推定定由测区平均均回弹值及及平均碳碳化深度查查（回回弹法评定定混凝土抗抗压强度技技术规程））（JGJ/T23~2001)，可得出各各测区混凝凝土的抗压压强度。具具体要求如如下：1)按下式求出出构件或结结构混凝土土的平均强强度当测区数不不少于10个时，应应计算强强度标准准差，标标准差按按下式计计算：2）结构或或构件混混凝土强强度推定定值应应按下下列公式式确定：：(1)当单个构构件检测测时，以以最小值值作为该该构件混混凝土强强度的推推定数值值，即(2）当结构构或构件件测区数数不少于于10个或按批批量检测测时，应应按下列列公式计计算：（3）按批量量检测的的构件，，当该批批构件混混凝土强强度标准准差出现现下列情情况之一一时，则则该批构构件应全全部按单单个构件件逐个检检测：A、当该批批构件混混凝土强强度平均均值标准差〉B、当该批批构件混混凝土强强度平均均值不不小于于25MPa时：标准差〉9.3超声波检检测结构构混凝土土的抗压压强度超声波检检测混凝凝土强度度的基本本依据是是超声波波传播速速度与混混凝土的的弹性性性质的密密切关系系。工程程上，通通常采用用建立试试件的超超声声速速与混凝凝土抗压压强度相相关的统统计测强强曲线，，来检测测和评估估混凝土土的力学学性质。。9.3.1超声波检检测仪超声声速速与弹性性介质的的弹性模模量之间间的数学学关系式式为：无无限弹性性介质中中传播的的纵波声声速：薄板中的的纵波声声速：细长杆中中的纵波波声速：：由以上各各式可知知，超声声波在混混凝土中中传播时时，其纵纵波声速速的平方方与混凝凝土的弹弹性模量量成正比比，与混混凝土的的密度成成反比。。当结构构混凝土土中有空空洞或裂裂缝存在在时，便便破坏了了混凝土土的整体体性，声声波只能能绕过空空洞或裂裂缝传播播到接收收换能器器，使接接收的声声波振幅幅减小、、传播的的路程增增大、测测得的声声时偏长长、其相相应的声声速降低低。据此此特征可可以判断断混凝土土的强度度和质量量状况。。因此，在在实际检检测中，，超声声声速是通通过混凝凝土弹性性模量与与力学强强度的内内在联系系，与混混凝土抗抗压强度度建立相相关关系系，借以以推定混混凝土强强度的。。目前，，国内外外通常采采用统计计方法建建立专用用曲线或或数学表表达式。。在我国国，相相关曲曲线基本本上采用用两种非非线性的的数学表表达式：：和式中，A,B为经验系系数。由由以上经经验公式式可见，，采用超超声声速速参数便便是突出出了超声声弹性波波特性与与混凝土土弹性模模量及强强度的相相关性。。超声波检检测系统统包括超超声波检检测仪和和换能器器及耦合合剂，常常用耦合合剂为黄黄油及浆浆糊，如如图9.9所示，图图9.9.1为数字超超声探伤伤仪实物物照片。。在进行行超声波波测试前前，应对对工程的的设计与与施工进进行详细细的了解解，包括括构件的的尺寸、、配筋、、混凝土土材料的的组成、、施工方方法和混混凝土的的龄期等等相关信信息。测测试应选选择在配配筋少、、表面干干燥、平平整等具具有代表表性的部部位上，，将发射射与接收收换能器器所对应应的测点点画在构构件相互互平行（（对应））的两个个可测表表面，构构件相对对面布置置测点应应力求方方位对等等，使每每对测点点的测距距最短。。如果一一对测点点在任一一测面上上布在蜂蜂窝、麻麻面或模模板漏浆浆缝上，，可适当当相应改改变该对对测点位位置，使使各对测测点表面面平整，，声耦合合良好，，编号并并涂耦合合剂，即即可进行行测试。。图9.9超声波检检测系统统图9.9.1CTS-2000型数字超超声探伤伤仪9.3.2超声传播播时间（（声时值值）的测测量超声检测测的现场场准备及及测区布布置与回回弹法相相同，为为了使构构件混凝凝土测试试条件和和方法尽尽可能与与率定曲曲线时的的条件、、方法一一致，在在每个测测区相对对的两侧侧面应布布置三对对超声波波测点。。对测时时，要求求两换能能器的中中心同置置于一条条轴线上上，在换换能器与与混凝土土侧面之之间涂耦耦合剂，，目的是是为了保保证两者者之间具具有可靠靠的声耦耦合。测测试前，，应将检检测仪预预热10min，并调节节首波幅幅度至30~40mm后测读声声时值作作为初读读数。实实测中。。应将换换能器置置于测点点并压紧紧，将接接收信号号中的初初读数扣扣除后，，即为各各测点的的实际声声时值。。9.3.3测区声速速值的计计算取各测区区3个声时值值的平均均值作为为测区声声时值，，由由构件的的超声测测试厚度度即可求求得测区区声速值值9.3.4混凝土强强度评定定根据各测测区超声声声速检检测值，，按率定定的回归归方程计计算或查查取核核定曲线线，可得得对应测测区的混混凝土强强度值，，进而推推定结构构或构件件的混凝凝土强度度。图9.10和9.11分别为卵卵石混凝凝土和碎碎石混凝凝土的标标定定曲线，，可以供供实际检检测中参参考采用用。图9.10卵石混凝凝土的标标定曲线线图图9.11碎石混凝凝土的标标定曲线线9.4超声回弹弹综合法法检测混混凝土强强度简介介上述我们们介绍了了回弹法法和超声声法检测测混凝土土强度，，它们都都是以材材料的应应力、应应变行为为与强度度的关系系为依据据。回弹弹法反映映了材料料的弹性性性质，，同时在在一定程程度上也也反映了了材料的的塑性性性质，回回弹检测测反映的的主要为为构件的的表面或或浅层（（约3cm）的强度度状况，，回弹值值受构件件表面影影响较大大。超声声检测由由于它穿穿过材料料，因而而反映材材料内部部构造的的密实性性、均匀匀性及强强度的信信息，但但声波速速度值受受骨料类类径、砂砂浆等影影响较大大。因此此，超声声与回弹弹值的综综合，自自然能较较准确地地反映混混凝土的的强度，，对于反反映材料料强度更更为全面面和真实实，同时时具有相相当的量量测精度度。与单单一方法法相比，，超声回回弹综合合法的优优点是精精度高、、适用范范围广、、对混凝凝土工程程无任何何破坏，，因此，，在我国国混凝土土工程中中已被广广泛使用用。该方方法的具具体内容容可参见见有关规规范。9.11.1ZBL-R620型混凝土土钢筋探探伤仪仪9.5声发射技技术及其其应用简简介研究表明明，承受受荷载的的固体往往往有热热发射现现象、表表面电子子发射现现象和声声发射现现象。从从能量的的转换角角度来看看，当固固体受荷荷载以后后，就如如同一个个能量转转换器，，将应变变能转换换成热能能、电能能、声能能发射出出去。这这些能量量是固体体因受外外力而引引发的固固有现象象，因此此，这些些能量的的特征和和量值的的大小就就自然代代表着固固体材料料内的某某些属性性。当结构或或材料受受外荷载载或内力力作用产产生变形形或断裂裂、或材材料内部部缺陷及及潜在缺缺陷在外外部条件件下改变变状态时时，以弹弹性波的的形式释释放出应应变能的的现象称称为声发发射。9.5.1声发射检检测基本本原理声发射的的发生要要具备以以下两个个条件：：1、材料要要受外荷荷载作用用；2、材料内内部结构构或缺陷陷要发生生变化。。对于材材料的微微观变形形和开裂裂以及裂裂纹的发发生和发发展，就就可以利利用声发发射来提提供它们们的动态态信息。。声发射射源往往往是材料料灾难性性破坏的的发源地地，由于于声发射射现象一一般在材材料破坏坏之前就就会出现现，因此此只要及及时捕捉捉这些声声发射信信息，根根据其特特征及其其发射强强度，不不仅可以以推知声声发射源源的目前前状态，，还可以以知道它它形成的的历史，，并预报报其发展展的趋势势。声发射信号是是分析声发射射性质和状态态的基本依据据，通常用压压电传感器在在试件表面接接收并记录这这些信号，输输入仪器进行行各种分析和和处理。处理理和分析声发发射信号的特特性参数有计计数