基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎無損檢測方法研究

梁慶國　張興森　梁世容　李君華

摘要：由于基礎缺陷引起的事故日益增多，基礎的安全性已經逐漸引起了相關部門的重視。然而，對于已有淺埋混凝土基礎，常規的檢測方法不但會對結構產生二次傷害，而且效率極低，不利于大規模的檢測。文章提出了基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎無損檢測技術，闡述了Rayleigh波法檢測淺埋混凝土基礎尺寸的原理，介紹了Rayleigh波法檢測淺埋混凝土基礎尺寸的流程，并通過對一淺埋混凝土基礎模型進行檢測試驗，驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：Rayleigh波;混凝土基礎;無損檢測

中國分類號：U416.06文獻標識碼：A

0 引言

淺埋混凝土基礎在生產生活中十分常見[1-2]，由于該種類型基礎具有埋深淺、體積小的特點，其完整性直接關系到整個結構的安全[3]。通過已有的倒塌事故發現[4]，其中很大一部分原因是基礎的破壞。而基礎的設計承載能力往往沒有問題，主要原因還是基礎本身存在缺陷，其中一個最主要的缺陷是基礎尺寸不滿足設計要求。例如，一些基礎由于施工不規范，底部呈現球形，導致基礎的承載能力大大降低，從而為事故埋下了隱患。因此，針對淺埋混凝土基礎的檢測已經越來越受到相關部門的重視[5]。這種基礎大部分位于地下，目前對其進行檢測只能通過人工開挖的方式，但是這種檢測方式缺點十分明顯，其不但會對基礎產生二次破壞，還存在成本較高、效率低等問題，使得該方法不能滿足大規模的檢測需求。為了彌補現有淺埋混凝土基礎檢測技術的不足，迫切需要一種更加高效實用的檢測方法。

Rayleigh波法是一種新的無損檢測方法，具有操作方便、快捷、費用低以及測試結果準確、可靠性高等優點[6]，其已經被廣泛地運用于路基質量、隧道開挖等無損檢測中，然而，在淺埋混凝土基礎中的研究和應用還未見發表。為此，本文將基于Rayleigh波法對淺埋混凝土基礎無損檢測技術開展研究，對Rayleigh波法測試淺埋混凝土基礎的基本原理進行分析，形成基于Rayleigh波法的淺埋混凝土無損檢測的測試流程，并通過試驗方法來驗證基于Rayleigh波法的淺埋混凝土基礎無損檢測方法的可行性。

1 Reileigh波法用于淺埋混凝土基礎無損檢測的基本原理

Rayleigh波是一種沿地表傳播的彈性面波[7]，其具有如下特性：

（1）在不同的介質傳播時，Rayleigh波具有頻散特性;

（2）Rayleigh波的波速和介質的物理性質密切相關。

這兩個特性為Rayleigh波在地質勘探中提供了充足的理論依據。其波動方程[8]如下：

從波動方程可以看出，Rayleigh波速度和其傳播介質的密度、泊松比密切相關，基于Rayleigh波在不同介質中的傳播特性和彌散特性不同的特點，可以通過在淺埋混凝土基礎周圍測試Rayleigh波的彌散曲線，然后通過反演，獲得被測物及其周圍物體的波速分布。由于淺埋混凝土基礎一般為鋼筋混凝土結構，而淺埋混凝土基礎周圍通常為巖石或者土，這兩種材料特性均與基礎存在較大差異，因此兩種介質間就會存在明顯的波速突變，通過波速分布圖實現淺埋混凝土基礎尺寸的確定。

由此可見，利用Rayleigh波法實現對淺埋混凝土基礎尺寸的識別時，主要是利用淺埋混凝土基礎和其周圍介質的密度不同，以及Rayleigh波速度的傳播速度與介質密度密切相關的特性。若人為地在被測基礎附近施加一瞬時激振力時，必然會產生不同頻率的Rayleigh波，在基礎和基礎周圍介質傳播后由布置在基礎及其周圍的傳感器接收，從而根據位置和接收時間確定出不同的波速。假設為了接收長度為nΔx范圍內的Rayleigh波，提前在該范圍等間距Δx[WTBZ]布置n+1個檢波器，則相鄰檢波器接收到的Rayleigh波間隔為Δt，相位差為Δ，則在任意Δx內的波速VR為：

通過式（4）和式（5），就可以在某一測量段得到不同頻率的波速，即得到一條頻散曲線VR-f，然后通過波速和地質條件存在關系，對頻散曲線進行反演從而得到被測試范圍內不同位置處的波速值。

在利用瞬態激振法進行測試時，相鄰測點需要有足夠的相位差，需滿足：

在一次瞬時激發時會發出各種頻率成分的地震波，而傳感器也將接收到各種頻率的信號，然后通過儀器進行逐個頻點變更及相應的運算從而獲得想要的結果。

2 檢測方法

2.1 采集工作頻段的確定

在采用Rayleigh波進行測試時，需要提前設置采集工作頻段，因為不同的采集工作頻段所反映的是不同深度處的地層特性。Rayleigh波有效探測深度H和波長λR的關系采用改進的等效半空間法表示，即H、λR和轉化系數β的關系為：

由式（8）可知波長短的反映的是淺層特性，波長長的反映的是深層特性。而對于淺埋混凝土基礎一般埋深較小，因此一般為短波長。β與被測物體的泊松比μ直接相關[9]，如表1所示。

根據表1采用指數進行擬合得到β與μ的關系如下：

通過指數擬合，相關系數的平方和為0.996，因此可以采用上式計算任意泊松比下的波長深度轉化系數，如圖1所示。

通過式（11），就能根據測試基礎的實際情況設置合適的采集工作頻段。

2.2 檢測流程

在基于Rayleigh波法進行淺埋混凝土基礎尺寸確定時，主要包含五個步驟，分別如下：

（1）Rayleigh波探測的工作頻段確定

淺埋混凝土基礎一般埋深在3～8 m，因此可以把探測深度范圍H取為0.5～10 m，土的較低波速取為100 m/s，混凝土的波速上限取為3 000 m/s。因此，通過公式（11）得到Rayleigh波探測的工作頻段應為6～4 700 Hz。

（2）基礎測點布置

根據設計資料確定出淺埋混凝土基礎的外輪廓。一般將淺埋混凝土基礎的外輪廓往外擴2 m形成檢測范圍，在檢測范圍內布置多條測線，相鄰2條測線的距離范圍為0.1～0.3 m。

（3）數據采集

在檢測范圍外選取一個激發點，在激發點處產生激振信號并通過采集系統采集各個測點的Rayleigh波信號。激發點設置在距離最近測點5 m處，多次在同一點進行激振，也可以設置多個采集器以及與測點數量匹配的檢波器。根據采集到的各個測點的Rayleigh波信號，得到各個測點不同深度的Rayleigh波速度。

（4）數據計算、分析

基于各個測點的Rayleigh波速度得到各測點的Rayleigh波速度-深度曲線，并根據檢測范圍建立的x、y平面坐標系得到各個測點的坐標值，找到同一測線上相鄰2個測點同一深度的速度值，通過線性插值的方式得到各條測線下的速度分布云圖，進而獲得整個檢測范圍內三維的Rayleigh波速度分布云圖。

（5）基礎尺寸

根據Rayleigh波速度分布云圖確定出淺埋混凝土基礎的Rayleigh波速度，進而在Rayleigh波速度分布云圖中確定與基礎的Rayleigh波速度相吻合的范圍，通過該范圍得到基礎的輪廓，進而確定出基礎的尺寸。

3 試驗驗證

某鋼筋混凝土基礎模型尺寸如下：長和寬均為0.4 m、高度為1.75 m，采用C25混凝土預制。采用先模板預制基礎，然后成孔吊裝，接著回填土形成最終的淺埋混凝土基礎。

將基礎的正方形中心設置為坐標原點，采用石灰和皮尺在基礎周圍等間距地布置測線1至5，其中測線3與x軸重合，相鄰2條測線間距為0.3 m，在每條測線上等間距地布置5個測點，同一測線上相鄰2個測點間距為0.3 m，用石灰做上標記。測點編號為：測線號-測點號，如1-2表示測線1上的2號測點，該測點坐標為（-0.3，0.6，0）。激振點布置于離5-1測點5 m位置處（如圖2所示）。

3.1 數據采集和傳輸

（1）連接采集系統，打開采集器和無線傳輸DTU，設置Rayleigh波探測的工作頻段為6～4 700 Hz;

（2）將4個檢波器分別放置于1-1～1-4號測點，采用激振器在激振點處產生激振信號;

（3）采集器進行數據采集，采集時間持續10 s，數據將自動傳送到云端進行存儲;

（4）該批次采集完成后，將檢波器按順序移動到下一測點，重復步驟b和c，直到所有測點完成采集。

3.2 數據分析

（1）數據采集完成后在就能在云端調取各個采集點沿z軸的波速分布（如圖3所示），圖中僅列出1-1、3-2、3-3、5-3測點的波速分布。

（2）通過公式（11）可以分別獲得測線1至5的x-z二維分布云圖，如3號測線的波速分布如圖4所示。由于Rayleigh波速度在不同介質中傳播速度不同的理論依據，基礎與其周圍的土體性質存在差異，導致Rayleigh波速度不同。從圖4的速度云圖可知，區域2的速度分布與區域1的速度存在較大差異，而區域1內的速度分布從中心向兩側漸變，因此可以判定區域1是淺埋混凝土基礎的速度分布，區域2是基礎兩側的土體中的速度分布，因此從區域1可以識別出該基礎的長為0.38 m，埋深（高）為1.73 m。同理，可從云圖中提取Rayleigh波速度的y-z二維分布云圖，進而識別出基礎寬度為0.38 m。

通過試驗可知：識別出的長、寬和高的誤差分別為5%、5%和1.1%，誤差較小，滿足檢測要求。

4 結語

本文進行了基于Reileigh波法的淺埋混凝土基礎尺寸無損檢測技術研究。試驗結果表明，通過本文方法檢測出的模型尺寸與實際尺寸吻合較好，偏差在工程允許的范圍，證明了本文提出的基于Reileigh波法的淺埋混凝土基礎尺寸無損檢測是可行的。

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