CN103018337A - 一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统，所述的方法包括：1)在待检测混凝土表面设置一条测线，在测线上设置n个检测点；2)以第一个检测点为中心的一条直线上设置检波器阵列，并设置弹性波激发装置；3)弹性波激发装置激发弹性波，检波器阵列采集弹性波，并通过电缆将其传送给数据记录仪；4)将检波器阵列的中点移至下一个检测点，重复步骤3)，至检测完毕；5)对数据进行波形处理，提取并显示面波的频散曲线；6)将频散曲线转换为断面图，获得混凝土内部状况；所述的系统包括依次连接的数据采集模块、数据分析模块和数据可视化处理模块。与现有技术相比，本发明具有精度好、效率高、探测深度大、成本低等优点。

Description

一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种混凝土结构无损检测方法及检测系统，尤其是涉及一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统。

背景技术

近年来随着我国大规模基础建设的展开，工程质量事故时有发生，因此岩土工程质量检测，尤其是混凝土结构工程无损检测显得越来越重要，对检测的要求也越来越高。目前的混凝土工程结构无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法、P波波速法及超声波法等。回弹法是一种常用的混凝土无损检测方法，但该方法检测深度浅，只能测得混凝土表面附近的平均强度，无法反映混凝土内部状况，而且回弹值分散性大，通常需要16个以上的有效回弹数据进行平均，作业效率低；雷达法对混凝土内部缺陷可以准确定位，但受钢筋等低电阻率物质的屏蔽影响大，尤其是钢筋密度较大时难以得到钢筋背后的电磁波影像，而且雷达无法提供强度方面的信息；冲击回波法可测得结构内部缺陷及构件的厚度，但其纵向分辨率低，检测精度受结构内部的钢筋和含水量影响大；超声波对穿测试，虽然可以得到材料整体的纵波速度，但无法应用于隧洞衬砌等无法对穿测试的结构物；P波速度法通常只能测得混凝土表层的P波速度，无法探测混凝土内部结构状况。虽然上述各种混凝土无损检测法各有所长，但共同的弱点是无法检测混凝土内部深处的力学性能，难以满足我国大规模基础建设中岩土工程无损检测的要求。

岩土工程的无损检测技术是一个复杂的系统工程，包括检测物理量和测量方法的选取，数据采集与数据分析以及结果的定量评价等。检测物理量和测量方法的选取不仅要考虑方法在理论上的可行性，还要考虑测量难易程度、施工条件、检测效率和成本。检测结果的定量评价除与检测设备的技术参数有关外，还与检测数据的分析方法有关，还要考虑结构物内部钢筋分布、厚度分布、围岩类别等因素，需要基于严格的理论分析和大量的现场实验。

近年来表面波在软土地基勘探方面的应用研究发展很快，已被广泛应用于地质调查中。表面波又称为面波，是沿固体介质表层传播的一类弹性波，具有如下特点：面波的传播速度主要取决于介质的横波速度构造，与材料的弹性模量和抗压强度等力学参数具有良好的相关性；面波沿介质表层传播时其振幅在深度方向急剧衰减，穿透深度与波长有关，波长越大，穿透深度也越大，因此，理论上，用不同波长的面波就可检测介质内部不同深度的力学性能及是否有缺陷存在；当在介质表面激发弹性波时，所产生的弹性波中面波的能量最强，振幅大，便于测量。混凝土内部结构无损检测的面波方法及系统正是基于面波的以上特性和大量的实验而发明的。该技术的研发为检测岩土结构材料的内部力学性能及可能存在的缺陷提供了一种精度好，效率高，快速便捷的手段，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统，通过分析面波穿透介质时的频散特性(频率与传播速度的关系)获取介质内部不同深度的力学特性，并判断介质内部是否存在缺陷，具有简单直观、精度好、效率高、探测深度大、成本低等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，包括如下步骤：

1)在待检测混凝土表面设置一条测线，在测线上设置n个检测点，n≥1；

2)以第一个检测点为中心的一条直线上设置检波器阵列，并在与检波器阵列的距离为D(D约为最大计划检测深度的2倍以上)的位置设置一弹性波激发装置；

3)弹性波激发装置激发弹性波，检波器阵列采集弹性波，并通过电缆将其传送给数据记录仪，每个检波器所对应的数据点为一个检波点；

4)将检波器阵列的中点移至下一个检测点，重复步骤3)，直至n个检测点均检测完毕；

5)对数据记录仪记录的数据进行波形处理，提取并显示数据中面波的频散曲线；

6)通过反演分析将频散曲线转换为深度-横波速度曲线，根据深度-横波速度曲线获得混凝土内部状况，并将结果进行显示。

所述的波形处理具体为：首先对数据进行去噪处理，然后利用位置重复的检波器的数据做关联把整条测线的数据叠加在一起，形成一个能够覆盖整条测线的大型阵列数据。

所述的提取面波的频散曲线具体为：

从第一个检波点开始，取连续的i个检波点的数据作频散分析，i＞1，并把得到的频散曲线作为这i个检波点中间位置的频散曲线；

向前移动k个检波点，k≥1，即从检波点k+1开始取连续i个检波点的数据做频散分析，并把所得频散曲线作为检波点k+1～k+i的中点位置的频散曲线。

所述的断面图包括频率-面波速度断面图、周期-面波速度断面图或深度-横波速度断面图。

所述的凝土内部状况包括弹性波速度分布、浇注缺陷、疏密分布和强度。

一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，包括依次连接的数据采集模块、数据分析模块和数据可视化处理模块，其中，

数据采集模块包括检波器阵列、弹性波激发装置和数据记录仪，所述的检波器阵列、弹性波激发装置设在混凝土表面，所述的数据记录仪通过电缆与检波器阵列连接；

数据分析模块用于对数据采集模块采集的数据进行波形处理、频散分析处理和频散曲线反演分析处理；

数据可视化处理模块对数据分析模块的处理结果进行图形化显示。

所述的检波器阵列由4-12个检波器分体或一体化设置而成。

所述的检波器包括垂直分量检波器、水平分量检波器或多分量检波器。

所述的弹性波激发装置包括锤子。

所述的数据记录仪的低截频低于100Hz，高截频高于5KHz。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)由于面波的穿透深度与波长有关，且面波传播速度主要由所穿透介质的横波速度决定，与弹性模量和强度等力学参数有很好的相关性，因此本发明通过分析面波穿透介质时的频散特性能够精确地获得介质内部不同深度的力学特性；

2)本发明具有方法简单直观、精度好、效率高、探测深度大、成本低等特点。

附图说明

图1为本发明方法的示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为采集到的实测波形示图；

图4为本发明得到的频散曲线示意图；

图5为频率-面波速度断面图；

图6为周期-面波速度断面图；

图7为深度-横波速度断面图；

图8为深度-抗压强度断面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

实施例1

如图1-图2所示，一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，包括如下步骤：

1)在待检测混凝土表面设置一条测线，在测线上设置n个检测点，n≥1，当n＞1时，该方法可称为高密度检测法；

2)以第一个检测点为中心的一条直线上设置检波器阵列，并在与检波器阵列的距离为D(D约为最大计划检测深度的2倍以上)的位置设置一弹性波激发装置；

3)弹性波激发装置激发弹性波，检波器阵列采集弹性波，并通过电缆将其传送给数据记录仪，每个检波器所对应的数据点为一个检波点；

4)将检波器阵列的中点移至下一个检测点，重复步骤3)，直至n个检测点均检测完毕，沿测线布置多个检测点，相邻检测点的检波器阵列有一部分相互重合；

5)对数据记录仪记录的数据进行波形处理，提取并显示数据中面波的频散曲线；

所述的波形处理具体为：首先对数据进行去噪处理，然后利用位置重复的检波器的数据做关联把整条测线的数据叠加在一起，形成一个能够覆盖整条测线的大型阵列数据。

所述的提取面波的频散曲线具体为：

从第一个检波点开始，取连续的i(i＞1，通常i＝4～12)个检波点的数据作频散分析，并把得到的频散曲线作为这i个检波点中间位置的频散曲线；

向前移动k个检波点，k≥1。即从检波点k+1开始取连续i个检波点的数据做频散分析，并把所得频散曲线作为检波点k+1～k+i的中点位置的频散曲线。

测线上频散曲线的间隔与实际检测点的间隔无关，可根据需要在频散分析时设定。

6)对频散曲线进行反演分析，将频散曲线转换为断面图：

①以距离为横坐标，以频率为纵坐标，用颜色或等值线表示面波传播速度大小的频率-面波速度断面，主要用于定性地分析浅层混凝土状况；

②以距离为横坐标，以周期为纵坐标，用颜色或等值线表示面波传播速度大小的周期-面波速度断面，主要用于定性地分析深层混凝土状况；

③以距离为横坐标，探测深度≈波长/N为纵坐标(N＝2～3)，用颜色或等值线表示横波速度(≈瑞雷面波速度/0.92)的深度-速度断面，主要用于快速定量分析混凝土内部状况。

根据断面图获得混凝土内部状况，包括弹性波速度分布、浇注缺陷、疏密分布和强度，并将结果进行显示。根据需要，结合试验室数据或经验公式把各种速度断面转换为强度等其他物性参数断面。所述的断面图包括频率-面波速度断面图、周期-面波速度断面图或深度-横波速度断面图。

频散曲线反演分析采用水平层状介质波动理论计算理论频散曲线，利用遗传算法与最小二乘法的复合算法实现反演过程。该算法无需初始模型，既能保证计算稳定又加快反演计算过程。

如图1所示，一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，包括依次连接的数据采集模块、数据分析模块和数据可视化处理模块，其中，

数据采集模块包括检波器阵列1、弹性波激发装置3和数据记录仪2，所述的检波器阵列1、弹性波激发装置3设在混凝土表面，所述的数据记录仪2通过电缆与检波器阵列1连接；

数据分析模块用于对数据采集模块采集的数据进行波形处理、频散分析处理和频散曲线反演分析处理；

数据可视化处理模块对数据分析模块的处理结果进行图形化显示，根据需要可以生成(但不限于)频率-面波速度断面、周期-面波速度断面、深度-横波速度断面等。

所述的检波器阵列1通常由4～12个检波器分体或一体化设置而成。检波器包括垂直分量检波器、水平分量检波器或多分量检波器。垂直成分检波器采集瑞雷面波的垂直成分，水平成分检波器采集勒夫面波(Love Wave)，多分量检波器同时采集瑞雷面波和勒夫面波。所述的弹性波激发装置3通常采用(但不限于)锤子，锤子质量为数百克。所述的数据记录仪2的低截频低于100Hz，高截频高于5KHz。通常为(但不限于)弹性波勘探用数字地震仪。

将上述基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统应用于检测厚度约0.4m的混凝土衬砌，其后围岩的开挖面凹凸不平，设计检测深度＞0.6m，主要检测混凝土内部浇筑缺陷、与围岩之间的胶结状况以及把握混凝土的强度。如图1和图2所示，具体按如下方式实施：

首先在设计的测线上等间距设置12个检波器，检波器间距0.2m。检波器使用固有频率100Hz的动圈式垂直分量速度型检波器(弹性波勘探用检波器)；设置方法采用由人用手握住检波器使其触针垂直于混凝土表面并按压紧；记录仪采用普通勘探用地震仪并关掉高截频滤波器；激发装置采用质量250g的金属锤子；激发点离最近的检波器之间的距离约2m；激发时用锤子在垂直于混凝土表面方向击打混凝土表面。为了保护混凝土表面，在击打处垫一块小钢板(约10cm×10cm)。

在采集完第一个检测点后，整个检波器阵列向前移动6个检波器位置并采集下一个数据，然后重复以上过程至整条测线采集完成。采集到的数据的波形图如图3所示(图3中横坐标为接收位置，纵坐标为时间)。

数据处理时首先用数字滤波滤掉100Hz以下的低频成分以消除人手按住检波器时的颤动，然后利用位置重合的数据做关联把整条测线的所有数据叠加在一起。

频散分析时从测线的起点开始，首先从叠加后的数据中取连续的12个检波点的数据，通过快速傅立业变换把时序信号变换为频率域信号，然后用速度扫描法作频散分析。具体做法是：用扫描速度对各检波点的数据进行相位校正以消除因各检波点的位置不同而产生的相位差，然后把各检波点的数据叠加到一起。当扫描速度波等于实际传播速度时，相位校正后各检波点数据间的相位差为零，叠加后波的能量最大。当在某一速度范围内以一定的速度间隔对所有频率的数据进行扫描时，就得到如图4所示的扫描结果，图中背景颜色代表某一扫描速度对应的波的叠加能量。因此，把获得最大叠加能量的速度点连接起来，去掉局部干扰并作平滑处理就得到波的频散曲线(图中黑色圆点所示)。本实例中速度扫描范围为0～4000m/s，扫描间隔为5m/s。做完一个点的频散分析后，按照图2所示原理，向前移动1米(6个检波点)，做下一个点的分析，并重复这一过程至整条测线的数据分析完。

本检测实例对混凝土内部结构的分析采用以下近似公式：

探测深度≈波长/2.5

横波速度≈瑞雷面波速度/0.92

直接把频散曲线转换为深度和横波速度的对应关系。虽然本检测项目为无损检测，为了提高对混凝土强度的推测精度，对该段混凝土进行了少量代表性取芯，通过室内力学试验获取了混凝土抗压强度与横波速度的对应关系，并利用这一关系由剪切波速度推测了混凝土的抗压强度。

如图5～图8所示，数据可视化处理主要生成并显示了频率-面波速度断面、周期-面波速度断面、深度-横波速度断面和深度-抗压强度断面。

实施例2

参考图1-图2所示，本实施例基于面波的混凝土内部状况无损检测方法及系统，采用4个检波器组成检波器阵列，在采集完第一个检测点后，整个检波器阵列向前移动2个检波器位置并采集下一个数据。其余同实施例1。

Claims (10)

1.一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在待检测混凝土表面设置一条测线，在测线上设置n个检测点，n≥1；

2)以第一个检测点为中心的一条直线上设置检波器阵列，并在与检波器阵列的距离为D的位置设置一弹性波激发装置；

3)弹性波激发装置激发弹性波，检波器阵列采集弹性波，并通过电缆将其传送给数据记录仪，每个检波器所对应的数据点为一个检波点；

4)将检波器阵列的中点移至下一个检测点，重复步骤3)，直至n个检测点均检测完毕；

5)对数据记录仪记录的数据进行波形处理，提取并显示数据中面波的频散曲线；

6)通过反演分析将频散曲线转换为断面图，根据断面图获得混凝土内部状况，并将结果进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，其特征在于，所述的波形处理具体为：首先对数据进行去噪音处理，然后利用位置重复的检波器的数据做关联把整条测线的数据叠加在一起，形成一个能够覆盖整条测线的大型阵列数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，其特征在于，所述的提取面波的频散曲线具体为：

从第一个检波点开始，取连续的i个检波点的数据作频散分析，i＞1，并把得到的频散曲线作为这i个检波点中间位置的频散曲线；

向前移动k个检波点，k≥1，即从检波点k+1开始取连续i个检波点的数据做频散分析，并把所得频散曲线作为检波点k+1～k+i的中点位置的频散曲线。

4.根据权利要求1所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，其特征在于，所述的断面图包括频率-面波速度断面图、周期-面波速度断面图或深度-横波速度断面图。

5.根据权利要求1所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测方法，其特征在于，所述的凝土内部状况包括弹性波速度分布、浇注缺陷、疏密分布和强度。

6.一种如权利要求1所述的基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，其特征在于，包括依次连接的数据采集模块、数据分析模块和数据可视化处理模块，其中，

数据采集模块包括检波器阵列、弹性波激发装置和数据记录仪，所述的检波器阵列、弹性波激发装置设在混凝土表面，所述的数据记录仪通过电缆与检波器阵列连接；

数据分析模块用于对数据采集模块采集的数据进行波形处理、频散分析处理和频散曲线反演分析处理；

数据可视化处理模块对数据分析模块的处理结果进行图形化显示。

7.根据权利要求6所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，其特征在于，所述的检波器阵列由4-12个检波器分体或一体化设置而成。

8.根据权利要求7所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，其特征在于，所述的检波器包括垂直分量检波器、水平分量检波器或多分量检波器。

9.根据权利要求6所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，其特征在于，所述的弹性波激发装置包括锤子。

10.根据权利要求6所述的一种基于面波的混凝土内部状况无损检测系统，其特征在于，所述的数据记录仪的低截频低于100Hz，高截频高于5KHz。

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