探地雷達和超聲波相結(jié)合的爆破損傷實驗研究*

徐莉麗 蒲傳金 肖正學 蘇有文

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院;2.非煤礦山安全技術四川省高等學校重點實驗室;3.西南科技大學土木工程與建筑學院)

在邊坡和隧道等爆破工程中，爆破對邊坡保留巖體和隧道圍巖的損傷破壞將影響相關工程的穩(wěn)定性。長期以來，評價巖體爆破損傷的方法有聲波法［1-3］、鉆孔巖芯SEM微觀分析法及鉆孔巖芯強度測試法［3］、爆破振動速度PPV法［4］等。聲波法雖然可定量評價爆破損傷，卻無法對損傷進行定位;鉆孔取芯施工難度較大;爆破振動速度PPV法是一種間接評價方法，也無法進行損傷定位。近年來，探地雷達作為一種無損檢測方法，正廣泛應用于工程結(jié)構(gòu)缺陷評價，可實現(xiàn)缺陷定位。鑒于此，本研究將聲波定量評價和探地雷達定位評價相結(jié)合用于爆破損傷評價［5］，取得了良好的實驗效果。

1 實驗方案與測試設備

1.1 混凝土模型參數(shù)與爆破參數(shù)

澆筑了5個混凝土模型，如圖1所示。強度等級為C20，室外養(yǎng)護28 d。模型規(guī)格分別為1 430 mm×1 400 mm×600 mm，1 470 mm×1 420 mm×600 mm，1 700 mm×1 410 mm×600 mm，1 660 mm×1 410 mm×600 mm，1 710 mm×1 450 mm×600 mm。

圖1 混凝土模型

爆破參數(shù):預制3排炮孔，孔距150 mm，排距200 mm。孔徑分別為30，20，20，30，30 mm。炮孔深度分別為390，380，380，360，380 mm。藥包直徑均為20 mm，單孔裝藥量10 g，藥包長度均為40 mm。徑向空氣柱長度分別為60，0，0，10，30 mm。

1.2 檢測設備及檢測方法

從最后排炮孔中心開始，每間隔200 mm設置1個、共設置3個檢測剖面，檢測剖面序號分別為1、2、3。爆破前后分別對每條檢測剖面進行探地雷達和聲速檢測。

1.2.1 探地雷達及檢測方法

探地雷達發(fā)收天線是寬頻帶的偶極子天線。檢測深度均＜500 mm，時窗設置為10 ns，采樣點數(shù)為512個，光柵間隔為0.001 m，光柵間隔數(shù)為1。檢測方式為齒輪模式，選用1 600 MHz天線進行高分辨檢測。本次檢測使用反射法，就是發(fā)射天線(T)和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。進行探地雷達檢測時，當發(fā)射天線與測量天線同步沿測線移動時，就可以得到探地雷達剖面圖像。橫坐標為天線移動的距離，縱坐標為雷達脈沖從發(fā)射天線經(jīng)損傷區(qū)界面發(fā)射回到接收天線的雙程走時。這種圖像能準確地反映正對測線下方爆破損傷的大小及位置。如圖2所示。

1.2.2 聲波檢測儀器及檢測方法

圖2 爆破損傷探地雷達檢測原理

圖3 爆破損傷聲波檢測原理

本試驗采用RSM－SY5型智能聲波檢測儀。爆破損傷聲波檢測原理如圖3所示。每個檢測剖面在穿過藥包中心的水平線與檢測剖面的交點處設置1個聲波檢測點，換能器用黃油耦合，測試中每次改變測點時都重新涂黃油，以保證換能器與試件的耦合效果;并盡量在各點測試時保持用力均勻，以便保證每次檢測時換能器與試件之間有較好的能量傳遞效果。實驗時，聲波發(fā)射換能器向混凝土試件內(nèi)發(fā)射高頻彈性脈沖波，并由接收換能器接收經(jīng)混凝土試件的彈性波，記錄下彈性波經(jīng)發(fā)射換能器發(fā)出到接收換能器接收時所花費的時間及彈性波在特定路程中所需的走時數(shù)據(jù)。分析聲波在混凝土試件中的傳播速度、振幅和頻率等聲學參數(shù)，并確定混凝土試件在爆破后內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷特征。

2 探地雷達檢測剖面圖及分析

爆破損傷探地雷達檢測的部分剖面圖如圖4所示。剖面圖上的損傷區(qū)域面積見表1。

圖4 爆破前后雷達檢測剖面圖

表1 爆破后雷達圖像裂縫面積及爆破前后聲波速度

爆破前所有混凝土模型雷達剖面圖上顯示出同相軸基本連續(xù)的特征，表明混凝土密實程度較好。與爆破前相比(從圖4可知)，爆破后所有混凝土模型1、2、3號雷達剖面圖顯示出同相軸錯段的細長條形態(tài)，表明爆破形成損傷，且損傷范圍大于0.6 m。表1給出了爆破后每個雷達檢測剖面圖上爆破損傷區(qū)域面積，分析可知，耦合裝藥爆破損傷大于不耦合裝藥，但并不是距爆源越近，爆破損傷越大。同時，實際損傷位置與藥包并不在同一水平線上，這表明混凝土爆破損傷主要是混凝土初始損傷(缺陷)的發(fā)展、長大的結(jié)果。爆破前探地雷達并沒有檢測出這些位置存在初始損傷，可能是由于這些位置初始損傷較小或探地雷達分辨率較低無法檢測出的緣故。

3 模型聲波速度及分析

爆破前后，在混凝土3個檢測剖面進行聲波速度測試。爆破前后部分聲波速度波形曲線如圖5所示，聲波速度測試結(jié)果見表1。

根據(jù)表1中各條測線爆破前后聲波速度，繪制爆前爆后聲波速度與炮孔中心距離的關系曲線如圖6所示。根據(jù)表1和圖6可知:

(1)3條測線爆破前聲波速度并不相等，而是存在一定起伏度的，說明混凝土存在初始損傷，這與探地雷達檢測結(jié)果一致。

(2)爆破后聲波速度隨著與爆源距離的增加而增加，但其增加的趨勢與爆破前聲波速度的變化趨勢一致。

(3)5個模型3個檢測剖面總平均聲速降低率分別為1.87%、5.17%、3.67%、1.19%、1.67%。耦合裝藥爆破的總平均聲速降低率為不耦合裝藥爆破的3.1～4.4倍。

4 檢測結(jié)果對比分析

混凝土模型爆破損傷探地雷達剖面圖損傷面積、聲速降低量及爆破前后聲速降低率見表1。根據(jù)表1可知，混凝土模型爆后探地雷達剖面圖損傷面積與爆破前后聲速降低量呈現(xiàn)良好的對應關系，根據(jù)損傷面積和聲速降低量將爆破損傷劃分為5個等級，見表2。

5 結(jié)語

(1)探地雷達用于混凝土爆破損傷檢測是可行的。

(2)混凝土爆破損傷主要出現(xiàn)在混凝土初始損傷(缺陷)的位置，即混凝土爆破損傷主要是初始損傷“長大”的結(jié)果。

(3)混凝土爆破損傷探地雷達剖面圖損傷面積與爆破前后聲波速度降低量呈現(xiàn)較好的對應關系。

(4)將探地雷達爆破損傷定位與聲速爆破損傷定量評價相結(jié)合是可行的。但為提高檢測精確性，應選用分辨率較高的探地雷達，同時應建立探地雷達爆破損傷的分析標準。

圖5 爆破前后聲波波形曲線

圖6 爆前爆后聲波速度與炮孔中心距離的關系曲線

表2 爆破前后聲波降低范圍及雷達圖像裂縫面積對應關系

［1］ 張國華，陳禮彪，夏 祥，等.大斷面隧道爆破開挖圍巖損傷范圍試驗研究及數(shù)值計算［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(8):1610-1619.

［2］ 閆長斌，徐國元，楊 飛.爆破動載荷作用下圍巖累積損傷效應聲波測試研究［J］.巖土工程學報，2007，29(1):88-93.

［3］ 蒲傳金，張志呈，郭學彬，等.邊坡開挖光面爆破對巖體損傷的影響分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25(5):68-70.

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［5］ 徐莉麗.探地雷達與超聲波結(jié)合的混凝土質(zhì)量判定與分析方法［D］.綿陽:西南科技大學，2011.