聲波CT技術(shù)在橋墩病害檢測(cè)中的應(yīng)用

王 勇，盧 松

(1．四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)分公司，四川 成都 610000;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

聲波CT技術(shù)在橋墩病害檢測(cè)中的應(yīng)用

王 勇1，盧 松2

(1．四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)分公司，四川 成都 610000;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

應(yīng)用聲波CT層析成像技術(shù)對(duì)受損橋墩內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。在橋墩重要部位設(shè)計(jì)10個(gè)CT剖面，經(jīng)反演計(jì)算，測(cè)試平均速度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求(4 400 m/s)，未見明顯裂縫、離析或低質(zhì)混凝土。聲波CT檢測(cè)結(jié)果與其它方法檢測(cè)結(jié)果相吻合，表明了聲波CT技術(shù)在鋼筋混凝土檢測(cè)應(yīng)用中效果顯著。

聲波CT 橋墩 裂縫 檢測(cè)

近幾十年來，地球物理勘探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土建工程中構(gòu)件質(zhì)量、地基加固效果等檢測(cè)領(lǐng)域。彈性波法利用介質(zhì)間彈性波速度或波阻抗的差異，觀測(cè)彈性波在介質(zhì)中傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，了解測(cè)區(qū)內(nèi)介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成或工程地質(zhì)條件［1-3］。由于其探測(cè)方法的多樣性、探測(cè)深度的多層次性、探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。

聲波CT技術(shù)的研究開始于上世紀(jì)70年代中期，與醫(yī)學(xué)CT幾乎同時(shí)發(fā)展起來。近年來由于工程的需要，高分辨率聲波 CT方法受到高度重視，發(fā)展很快。用于井間、巷道間以及構(gòu)件表面之間聯(lián)合觀測(cè)的聲波CT探測(cè)實(shí)例愈來愈多。

本文選用某病害橋墩CT勘探工程實(shí)例，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，展示了聲波CT技術(shù)的高效、無損、高分辨率等特點(diǎn)。

1 工程概況

新建鐵路重慶至利川線，是規(guī)劃建設(shè)的滬漢渝蓉通道的重要組成部分。線路地處我國中、西部地區(qū)的結(jié)合部，西起重慶市，向東途徑重慶市長(zhǎng)壽區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣和石柱縣，止于湖北省利川市，線路全長(zhǎng)262.278 km。

由于位于該線路上的某車站附近大橋的6號(hào)橋墩受到外力沖擊，業(yè)主單位擬對(duì)該橋墩的外觀質(zhì)量、內(nèi)部混凝土質(zhì)量等進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)該橋墩的現(xiàn)狀做出科學(xué)的評(píng)判。檢測(cè)方分別采用橋墩幾何變位及垂直度檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度與彈性模量檢測(cè)、鋼筋位置及保護(hù)層厚度檢測(cè)、混凝土內(nèi)部質(zhì)量均勻性檢測(cè)(CT探傷)、橋墩動(dòng)力試驗(yàn)及理論分析、橋墩仿真分析等對(duì)受損橋墩進(jìn)行病害評(píng)價(jià)。本文擬介紹CT探傷在該工程中的應(yīng)用及效果。

2 彈性波CT技術(shù)

根據(jù)反演物性參數(shù)，彈性波CT可分為波速CT和吸收系數(shù)CT，本文采用的是波速CT。在波速CT中，確定射線路徑矩陣是關(guān)鍵，快速計(jì)算每條射線通過每個(gè)單元的距離，追蹤首波傳播路徑及走時(shí)是重點(diǎn)，常用的方法有最佳路徑算法、射線追蹤算法、“橢圓約束”快速射線追蹤方法等［4-7］。

最短路徑算法是計(jì)算數(shù)學(xué)“圖論”中的一個(gè)基本內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)是若已知某些離散點(diǎn)及各點(diǎn)之間的路程權(quán)值，用最優(yōu)計(jì)算方法及計(jì)算技術(shù)，求出從始點(diǎn)到終點(diǎn)最短路程。顯然如果各點(diǎn)之間的權(quán)值是所需的旅行時(shí)間，求出的結(jié)果即是最小走時(shí)路徑。

彈性波射線追蹤法如圖1所示，由費(fèi)馬原理可知，從激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的首波是沿費(fèi)時(shí)最少的路徑傳播的，首波射線追蹤是一個(gè)連續(xù)的最佳路徑問題。因此，只要把連續(xù)的射線追蹤問題轉(zhuǎn)換成為離散問題，應(yīng)用最佳路徑算法即可實(shí)現(xiàn)首波射線路徑快速追蹤。對(duì)于CT成像過程而言，成像剖面是由若干規(guī)則(正方形)網(wǎng)格組成，且假設(shè)每個(gè)網(wǎng)格中的介質(zhì)波速為常數(shù)，以射線理論為基礎(chǔ)的成像方法歸結(jié)為求解方程，如式(1)。

圖1 射線路徑示意

式中:lij是第i條射線在第j個(gè)單元內(nèi)的路徑長(zhǎng)度;Sj=1/Vj是第 j個(gè)單元的慢度值;ti是第 i條射線的走時(shí)值，N為剖面內(nèi)共測(cè)試射線數(shù)，M為剖面分成的網(wǎng)格數(shù)。

其中，具體首波射線追蹤算法如下述。

1)首選把單元邊界離散成許多點(diǎn) P1，P2，…，Pi，…，Pn，如圖1所示。點(diǎn)的多少視精度要求而定，一般來說點(diǎn)越密集，計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間也隨之增加。

2)計(jì)算 S，P1，P2，…，Pn，R 中任意兩點(diǎn)間彈性波走時(shí)，計(jì)算規(guī)則是:①若兩點(diǎn)間連線在均勻介質(zhì)中，射線走時(shí)是兩點(diǎn)間距離除以介質(zhì)波速;②若兩點(diǎn)間的連線在分界面上，界面兩側(cè)最大波速為Vm，則射線走時(shí)為兩點(diǎn)間距離除以最大波速;③若兩點(diǎn)連線通過不同單元，不在均勻介質(zhì)中，可以用直線路徑近似計(jì)算射線走時(shí)。

3)把S點(diǎn)作為起始點(diǎn)，用最佳路徑算法計(jì)算其它各點(diǎn)(P1，P2，…，Pn，R)到 S 點(diǎn)的最佳路徑和走時(shí)，然后從中分離出R點(diǎn)到S點(diǎn)的最佳路徑及走時(shí)，即可得到計(jì)算結(jié)果。

3 CT剖面布置及現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)參數(shù)

圖2所示橋墩斜線陰影部分為業(yè)主要求重點(diǎn)檢測(cè)段，對(duì)重點(diǎn)檢測(cè)段共布設(shè)10個(gè) CT剖面，具體位置如表1，左右橫系梁上各布設(shè)1條;左右橫系梁與中間墩柱和右側(cè)墩柱交結(jié)處以“十”字交叉形各布設(shè)2條;中間墩柱、右側(cè)墩柱在距底部承臺(tái)9 m和1 m處各布設(shè)1條。發(fā)射、接收點(diǎn)間距均為0.5 m。

圖2 橋墩CT剖面示意

表1 CT檢測(cè)剖面位置描述

本次檢測(cè)所用儀器系統(tǒng)由主機(jī)ZGS202型CT聲波探測(cè)儀、便攜式計(jì)算機(jī)和聲波發(fā)射接收換能器組成，其中ZGS202型CT聲波探測(cè)儀為中鐵西南科學(xué)研究院研制。主機(jī)設(shè)有16個(gè)接收通道，具有內(nèi)發(fā)射、外觸發(fā)和通道觸發(fā)功能，最小采樣間隔100 ns，幅度分辨達(dá)24 Bit，最大記錄長(zhǎng)度32 kB，最大量程5V，最小量程5 mV。各參數(shù)的選擇、發(fā)射及數(shù)據(jù)傳輸操作等全部由便攜式計(jì)算機(jī)通過并行口對(duì)主機(jī)實(shí)施控制。

CT檢測(cè)的剖面、測(cè)點(diǎn)、測(cè)線布置如圖3所示，頂面測(cè)點(diǎn)為聲波發(fā)射點(diǎn)，編號(hào)依次為 F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)11，底面測(cè)點(diǎn)為聲波接收點(diǎn)，編號(hào)依次為 S1，S2，…，S11。檢測(cè)時(shí)，依次在 F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)11點(diǎn)作為發(fā)射點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)依次在S1，S2，…，S11接收點(diǎn)接收聲波信號(hào)，每一對(duì)發(fā)射接收點(diǎn)為一條測(cè)線，每一檢測(cè)剖面共進(jìn)行121條測(cè)線檢測(cè)，獲取原始記錄波形242條。

圖3 CT剖面網(wǎng)絡(luò)射線示意

4 資料處理及解釋

圖4為典型CT射線波形曲線圖，從圖4可以看出，發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)首波起跳清晰明顯，信噪高，易于獲取時(shí)差數(shù)據(jù)，且誤差較小。獲取各剖面每條射線聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，采用配套的CT2005—export軟件對(duì)聲波走時(shí)數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算。共獲取10個(gè)探測(cè)位置混凝土的聲波速度等值圖。選取6#，10#剖面做具體解釋。

圖4 典型CT射線波形曲線

6#剖面波速分布見圖5，剖面寬度2.2 m，發(fā)射、接收點(diǎn)間距為0.5 m，測(cè)線長(zhǎng)為5.5 m，實(shí)測(cè)聲波主頻為4.02 kHz，共進(jìn)行144條測(cè)線檢測(cè)，采集的288道波形曲線清晰，高頻聲波信號(hào)衰減不大，表明發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間無明顯損傷。

圖5 6#剖面聲波速度等值線圖

剖面內(nèi)測(cè)點(diǎn)間聲波速度為4 421 m/s，從圖5可以看出，未見低速異常區(qū)，聲波速度分布較均勻，僅有6%面積內(nèi)聲波速度低于4 000 m/s，檢測(cè)剖面混凝土均達(dá)到C35強(qiáng)度等級(jí)要求，測(cè)試剖面內(nèi)部混凝土均勻性較好，未見不密實(shí)，表明內(nèi)部無明顯損傷(裂縫、離析或低質(zhì)混凝土)。

10#剖面波速分布見圖6，剖面寬度1.8 m，發(fā)射、接收點(diǎn)間距為0.5 m，測(cè)線長(zhǎng)為3.5 m，實(shí)測(cè)聲波主頻為4.37 kHz，共進(jìn)行64條測(cè)線檢測(cè)，采集的128道波形曲線清晰，高頻聲波信號(hào)衰減不大，表明發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間無明顯損傷。

剖面內(nèi)測(cè)點(diǎn)間聲波平均速度為4 472 m/s，從圖6可以看出，未見低速異常區(qū)，聲波速度分布較均勻，僅有3%面積內(nèi)聲波速度低于4 000 m/s，可見檢測(cè)剖面混凝土均達(dá)到C35強(qiáng)度等級(jí)要求，測(cè)試剖面內(nèi)部混凝土均勻性較好，未見不密實(shí)，表明內(nèi)部無明顯損傷(裂縫、離析或低質(zhì)混凝土)。

表2為各CT剖面平均聲波速度統(tǒng)計(jì)表。從表2可以看出，所有CT測(cè)試剖面平均速度均在4 400 m/s左右，混凝土強(qiáng)度均勻性較好，無明顯裂縫、離析等。結(jié)合其它檢測(cè)方法，推測(cè)6號(hào)橋墩受到外力沖擊后，其內(nèi)部質(zhì)量未受影響。

圖6 10#剖面聲波速度等值線圖

表2 各CT剖面平均聲波速度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

聲波CT技術(shù)具有高效、無損、高分辨率等特點(diǎn)。是探查鋼筋混凝土內(nèi)部質(zhì)量的重要手段之一，廣泛應(yīng)用于混凝土內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)中。本文通過對(duì)橋墩的聲波CT探測(cè)，各 CT測(cè)試剖面實(shí)測(cè)主頻為 3.05～4.37 kHz，高頻聲波傳播性較好，表明內(nèi)部無明顯損傷(裂縫、離析或低質(zhì)混凝土)。并且測(cè)試聲波速度普遍偏大，是因?yàn)槭芑炷羶?nèi)鋼筋影響，若根據(jù)斷面鋼筋面積比例進(jìn)行校正，CT測(cè)試混凝土平均速度仍大于4 000 m/s，總體強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C35)要求，無低強(qiáng)度缺陷區(qū)。檢測(cè)剖面所覆蓋混凝土的均勻性為一般至較好，推測(cè)橋墩受到外力沖擊后，其內(nèi)部質(zhì)量未受影響。

［1］趙鴻儒，郭鐵栓．工程多波地震勘探［M］．成都:地震出版社，1996．

［2］趙永貴，李勤．地震 CT的新技術(shù)及在工程地質(zhì)中的應(yīng)用［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(增刊):482-486．

［3］劉超．超聲層析成像的理論與實(shí)現(xiàn)［D］．杭州:浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，2003:1-145．

［4］王運(yùn)生．最佳路徑算法在計(jì)算波路中的應(yīng)用［J］．物探化探計(jì)算技術(shù)，1992，14(1):32-36．

［5］王運(yùn)生．彎曲射線地震波透射層析成像的一種實(shí)現(xiàn)方法［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1993(4):21-28．

［6］王家映．地球物理反演理論［M］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1998．

［7］陳成宗，何發(fā)亮．隧道工程地質(zhì)與聲波探測(cè)技術(shù)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2005．

U446．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．05

1003-1995(2013)09-0014-04

2013-03-20;

2013-05-08

王勇(1970— )，男，重慶人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)