沖擊彈性波定位法在預應力孔道注漿中的應用

景明成 丁文海 林燕生

摘? 要：預應力混凝土梁因其經濟性和安全性在橋梁工程中得以廣泛應用。其中孔道注漿密實度在很大程度上決定了預應力混凝土橋梁的承載力和耐久性。本文通過分析現有無損檢測方法，并結合沖擊彈性波的多種檢測方法，如：沖擊回波法、沖擊回波等效波速法等，進行預應力梁孔道注漿密實度的定位檢測并評價分析。同時，依托實際工程，進行現場驗證，分析其優缺點并提出解決方案。結果表明該方法，在對預應力孔道注漿檢測試驗中，效率高、精度好，為預應力橋梁的檢測提供了有效、可靠的檢測方法。

關鍵詞：沖擊回波法;沖擊回波等效波速法;沖擊彈性波法;超聲波法

中圖分類號：U445.57? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

預應力混凝土結構在公路橋梁建設中的應用飛速發展，其應用范圍擴大到輕軌建設、高層建筑、基礎工程等新領域，所以對預應力結構孔道注漿質量要求非常嚴格。而目前國內外尚無相應統一規范因此造成實際使用方法良莠不齊，難以辨識其精度和準確性?，F針對工程中常見的無損檢測方法進行介紹，并通過理論與實踐結合詳細分析沖擊彈性波法在預應力孔道注漿密實性檢測中的應用原理和優勢。

1 常見無損檢測方法對比

現有注漿密實度檢測，國內外研究人員開發了多種方法。按測試所采用的媒介來分，大致可以分為：

1.1 鉆芯、鉆孔檢測

鉆芯、鉆孔由于其客觀性強、準確性高、快速直接而無法替代。但該方法屬于局部破損檢測方法，由于其工作量大、效率低、費用較高、容易對預應力鋼束造成損傷破壞結構等因素，無法大面積的檢測，常用于作為無損檢測方法或者對有疑問的位置進行驗證的輔助手段。

1.2 基于電磁波的檢測方法

地質雷達無損檢測技術在工程地質勘查、隧道襯砌檢測、路基路面檢測等區域廣泛應用。其基本原理是利用電磁波反射，因此其具有精度高、檢測速度快，可以直觀出圖等優點。但由于其受金屬屏蔽作用影響，對于橋梁大部分位置鋼筋密集、雙層鋼筋，而且如波紋管為金屬材料，探地雷達受金屬影響較大的無法有效應用該方法。

1.3 基于超聲波的檢測方法

超聲波法非金屬試驗，目前在樁基里應用較多，其主要利用材料的阻抗差異進行測試。梁的孔道結構尺寸較大，需要從板的兩面對測，而且需要耦合，因此作業性差，效率低，難以實用。另外，因超聲波頻率更高，對于微小的混凝土內部缺陷也比較敏感，更增加其測試難度[1]。

1.4 基于放射線的檢測方法

根據該方法判明的注漿空洞大小和位置，與梁體局部解剖結果一致。但射線成像法使用的儀器較為昂貴，且對人體有害，在檢測時需要確保一定的安全范圍，但其穿透能力有限，雖結果直觀、準確，但在實際工程中可行性較差。

針對其他無損檢測方法的局限性和適用性，本文提出基于沖擊彈性波的檢測方法：沖擊彈性波的基本性質與超聲波類似，但由于其能量大、頻率低、透過性好，可測試大體積結構，受鋼筋等影響很小，并適合于頻譜分析，同時填補了雷達和超聲法的局限范圍，因此在土木檢測工程中得到廣泛應用。對于預應力孔道注漿密實度檢測，沿孔道位置在側壁進行逐點敲擊，通過回波進行分析，便可快速得出結果。因此具有其他各方法所無法代替的優勢。該方法也被認為是最有前景的方法。

2沖擊彈性波定位檢測法

2.1測試原理

定位檢測是利用人工激發的彈性波在不同彈性力學介質中傳播規律的不同，研究對應介質的物理結構、力學性質的一種間接物理測試方法[2]。該方法基于彈性波運動學原理，利用多向介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析評價對象對人工激發彈性波的響應，推斷響應介質的性質和形態。定位檢測包括三種分析方法：（1）激振的彈性波在缺陷處會產生反射，即沖擊回波法;（2）激振的彈性波經過缺陷時，從梁板對面反射回所用時間比灌漿密實的位置長[3]，其等效波速變慢，即沖擊回波等效波速法;（3）當激振信號產生的結構自由振動的半波長與缺陷的埋深接近時，缺陷反射與自由振動可能產生共振的現象，使得自由振動的半波長趨近于缺陷埋深，即沖擊回波共振偏移法。

上述三種方法均采用同一數據和同一頻譜分析，僅在云圖判讀上有所不同。一般而言，IE法是基礎，適合于徑深比加大的情形。IEEV法適合于壁厚較小，底部反射明顯的情形。而IERS法則相反，適合于壁厚較大，底部反射不明顯的情形。

2.2檢測方法

沿孔道軸線的位置，以掃描的形式逐點進行激振和接收信號。通過分析激振信號從波紋管以及對面梁板側反射信號的有無、強弱、傳播時間等特性，來判斷測試點下方波紋管內缺陷的有無及類型。

3 應用難點和解決方案

3.1應用難點

根據預應力孔道注漿工藝，因漿料自重等問題，孔道的高處最容易出現問題。而且因施工時振搗等問題，有可能使波紋管位置發生變化，從而導致后期檢測時無法準確定位孔道，增加檢測難度。

對于預制箱梁，其底板可能為雙排孔道，或者整體厚度較大，類似于現澆梁的情況，即整體梁板厚度大于0.8米，而且可能有多孔道并排。這樣常規的沖擊回波法可能因尺寸過大，無法看到板底有效反射，而且多孔道如果存在注漿缺陷無法區分判定。

在交通工程中，孔道主要采用兩類波紋管，即鐵皮和PVC波紋管。盡管PVC波紋管在與混凝土間粘結性能等方面要低于鐵皮波紋管，但由于其施工方便也有廣泛的應用。由于阻抗的關系，兩類波紋管對彈性波的反射不同，從而對灌漿密實度缺陷的檢測也有一定的影響。

3.2解決方案

（1）定位測試中等效波速法。該方法常用于壁厚較小，底部反射明顯時。即當存在灌漿缺陷時，彈性波波線（或部分）傳播距離增加，時間延長。

對于位于梁中央的全空管，在其中心投影點激振，其從對向反射回來的最長和最短路徑分別為：

若不考慮波紋管材質的影響，則在典型工況下，全空管造成的等效波速的滯后為（如表1）：

對于局部缺陷（如半空），測試方向的影響很大。若從上、下方向測試，半空管的反應與全空相同。而從水平方向測試，則半空缺陷造成的等效波速的滯后要小于全空。因此，即使灌漿缺陷僅為局部，或者測線不在缺陷的正上方也可進行判定[4]。

（2）定位測試中共振偏移法。該方法常用于現澆梁壁厚較大或者多個孔道并排的情況。只需設置孔道埋深和波紋管直徑，用于分析孔道上方自振周期。對于通常的預應力混凝土梁（C50），各激振錘得到的彈性波自振周期大約為（如表2）：

因此，在孔道上面測得的自振周期與灌漿密實部位或混凝土中測得的自振周期有所變化，且其對應反射深度與孔道埋深接近時，表明孔道灌漿有缺陷。

當測試結構厚度較厚，難以采用等效波速法時，可采用本方法。其中，激振錘的選取十分重要，應盡量選取與孔道埋深相對應的激振錘，使得激發的彈性波頻率與孔道的反射頻率相近卻又不完全相同，此時的測定效果最為理想[5]。

（3）定位測試中波紋管類型的優化。根據彈性波的反射理論，機械阻抗的變化[6]決定了反射信號大小和相位（如圖1）。鐵皮管壁、PVC管壁、混凝土、缺陷的阻抗的大小順序為：鐵皮>混凝土>PVC>缺陷空洞。因此，鐵皮波紋管處對彈性波是逆向反射，PVC和缺陷則是正向反射。由于管壁很薄，會出現鐵皮波紋管的反射和缺陷處的反射互相抵消，而PVC與缺陷的反射則是相互增強的現象（如表3）。

所以，不能僅憑缺陷處的反射信號的強弱來判斷，而是要結合等效波速法，即梁板對面反射信號的傳播時間進行綜合考慮。

4 檢測應用

4.1灌漿檢測實例一

對在建公路大橋預應力梁進行灌漿密實度缺陷定位檢測。測試孔道壁厚為20cm，測試采用17錘及帶阻尼控制裝置的傳感器。

首先采用逐點線性測試密實孔道或無孔道位置的混凝土，測試等值線云圖（如圖2）所示，橫坐標為反射時間或對應厚度，縱坐標為測試長度，暖色表示反射信號，色彩越暖即越偏向紅色表示反射信號越強?？梢姌硕ㄐ盘栆巹t，梁板對面反射信號明顯，測試厚度與實際厚度基本一致，即測試反射時間與實際厚度反射時間基本一致。以此作為判定標準，并以藍色標線表示。

圖2 定位標定圖

對灌漿質量未知的孔道位置進行定位檢測，（如圖3）左所示，反射信號相較于標定線明顯出現延遲偏移，可判定該測試段存在灌漿質量缺陷。鉆孔驗證如圖6右所示，孔道波紋管內僅有少量灌漿料。

4.2灌漿檢測實例二

對公路橋梁在建項目進行灌漿定位檢測。30米箱梁，塑料波紋管直徑55毫米，梁體和灌漿料強度為C50。每個孔道從距端頭0.1米開始測試，間隔0.2米測試一個點，梁端起0.1米至2.7米腹板厚度為0.3米漸變至0.18米;梁端起2.7米至3.7米腹板厚度為0.18米。

首先進行線性標定（如圖4），反射信號云圖明顯展示了梁板厚度漸變特征，且信號規則。

對灌漿質量未知的孔道位置進行定位檢測，（如圖5）左所示，反射信號相較于標定線明顯出現延遲偏移，判定該測試段存在灌漿質量缺陷。鉆孔驗證（如圖5）右所示，孔道波紋管內灌漿不飽滿或存在松散現象。

4.3 定位灌漿質量的評價

灌漿質量檢測目前沒有正式頒布的行業標準，雖然有山西、福建、浙江等地頒布的地方標準，但各標準對定位檢測最終評價并不統一。在課題組所處的甘肅更是沒有地方標準，鑒于此課題組在大量試驗的基礎上，并參考已頒布的地方標準，提出灌漿質量定位評價標準[7]。利用定位測試中缺陷的比例，即灌漿密實度指數來對孔道質量進行評價。

其中：為定位測試的點數：為測點的灌漿狀態，即良好：1，小規模空洞或松散型空洞：0.5，大規?？斩矗?。

采用灌漿密實度指數時，要注意測點選取位置以及測點數的影響。在實際測試中，可以對孔道全長進行檢測，也可以對易于出現缺陷的區域進行局部抽檢。顯然，對孔道全長的檢測得到的會低于局部抽檢得到的值，因此，當采用局部抽檢對孔道全長進行評價時，應做相應的修正。

5 結語

沖擊彈性波定位檢測方法在實際檢測中只需一個側面，可以不使用耦合劑，現場只需對孔道定位即可快速測試。而且在孔道出現偏移、更換波紋管材質時均可進行檢測，大大提高了應用范圍。另外因一般檢測對混凝土要求較高，需保證混凝土質量相對較好，否則混凝土中缺陷對結果影響較大。而沖擊彈性波定位法因其頻率低、波長較大、能量大，相對其它方法受混凝土的影響更小，有利于對真實情況進行判斷。

根據現場不同結構情況，采用不同的方法進行分析。對于一般預制梁，因其壁厚小、單排孔道，直接用沖擊回波和等效波速法進行分析，并可以用波速和頻譜分別判斷評價;而現澆梁中壁厚大、多排孔道等情況，通過共振偏移法判斷其自振周期也能快速進行分析。

通過施工現場大量預制梁和現澆梁的反復測試驗證，配合現場標定，均能很好的測試判斷出灌漿缺陷，并可以滿足施工控制要求精度，也根據缺陷情況進行梁體的灌漿質量評價。為預應力梁的施工質量控制提供了快速、準確的無損檢測方法，對運營中橋梁的安全行車給予安全保障。

參考文獻

[1]劉洋希.基于沖擊回波法的預應力孔道壓漿質量檢測[D].長沙：湖南大學，2013.

[2]楊超，季文洪.后張法預應力混凝土梁的孔道壓漿研究[C].預應力上海論壇學術論文集，2009：284-289.

[3]周先雁，欒健，王智豐.橋梁箱梁孔道注漿質量檢測中沖擊回波法的應用[J].中南林業大學學報，2010，30（10）：78-82.

[4]山西省交通科學研究院，橋梁預應力孔道施工質量隱患無損檢測方法的應用研究[R].山西省交通運輸廳科技項目報告，2014.01.

[5]吳佳曄，張志國，高峰編著.土木工程檢測與測試[M].高等教育出版社，2015年2月.

[6]楊海林.沖擊回波法檢測預應力孔道注漿的應用研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2014.

[7]葉見曙，張峰.預應力混凝土連續箱梁調查研究報告[R].東南大學交通學院橋梁與隧道研究所，2004.

收稿日期：2019-10-12

作者簡介：景明成（1976—），男，甘肅民勤人，本科，副高級工程師，研究方向：公路工程試驗檢測及新技術。

Application of Shock Elastic Wave Location Method in Prestressed Duct Grouting

JING Mingcheng，DING Wenhai，LIN Yansheng

（Gansu Road and Bridge Engineering Inspection Co. ， Ltd.， Lanzhou? Gansu? 730050）

Abstract： Prestressed concrete are widely used in bridge engineering because of their excellent economy and safety. Among them， the hole grouting density determines the bearing capacity and durability of the prestressed concrete bridge to a great extent. In this paper， the existing non-destructive testing methods are analyzed， and several testing methods of shock elastic wave， such as shock-echo method， shock-echo equivalent velocity method， etc. ， the location detection and evaluation analysis of grouting compactness of the pre-stressed beam hole are carried out. At the same time， on the basis of actual projects， field verification， analysis of its advantages and disadvantages and proposed solutions. The results show that this method has high efficiency and high precision in the grouting test of pre-stressed tunnel， and provides an effective and reliable test method for pre-stressed bridge.

Keywords：Shock Echo method;Equivalent wave velocity method of shock echo;Shock wave method;Ultrasonic method