岩土工程测试技术课件第九章.ppt
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1、9 地下工程无损检测技术与声发射技术,9.1地下工程无损检测技术基本理论简介无损检测技术是检测声学中的比较典型的应用它具有简单、快速、易行等特点,是检测工程质量的有效方法。声波是波动中机械波的一种形式,波动是物质运动的一种形式,振动是产生波动的根源。声波的频率在十余赫到万余赫的范围内,可以引起听觉,称为可闻声波;更低频率的机械波称为次声波;更高频率的机械波称为超声波。声波是弹性波的一种,若视岩土和混凝土介质为弹性体,则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。,9.1.1波动方程,弹性介质内某一点运动时,可以得出拉密运动方程,如果不考虑重力一类体积力的作用,该方程可以表示为:,固体介质
2、在一般情况下除了产生体积变形外,还将产生切变形,因此,将激起纵波和横波。它们以不同的速度在介质中传播。此外,在固体自由表面下的介质中还会出现表面波。因此,由拉密运动方程出发,可以导出纵波与横波的波动方程,下面讨论这两种波的传播速度。,1、纵波:质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。设:则拉密运动方程可写成:上式为无限弹性介质中纵波的波动方程,即为纵波的传播速度。2、横波:质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。则拉密运动方程可写成:上式为无限弹性介质中横波的波动方程,即为横波的传播速度。,3、表面波:沿介质表面和交界面传播,振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波注意表面波与纵波和横波传播
3、介质区别:面波在层状介质中传播,而纵波和横波在均匀介质中传播。面波在介质中的传播速度为:,4、波速度比较:纵波和横波:,由波速的表达式可知,弹性介质的性质及种类不同,弹性常数及密度也不同,因此,弹性波在介质中的传播速度也不同。这样,我们用人工(爆破、锤击)发生弹性波,并设法用接收仪表测定其波速,利用各种波的的速度差异,可以帮助在记录中识别各种波,同时还可以用来判别岩体的特性及状态(如坚硬或松软、裂隙与完整)以及混凝土桩基的完整性和承载力等,这就是工程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。9.1.2波的反射与透射 从前面讨论可知,固体中有两种弹性波传播。当任何一种波入射到两种介质的分界面上时(
4、如岩体中的节理、裂隙和断层等;岩石与混凝土的界面;基桩的桩底、桩身的夹泥层、断裂、扩颈,和缩裂等),将会产生反射和透射,这是因为波动方程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。我们通过下图可知反射和透射的特点。通过斯奈尔定律(亦称反射与投射定律)可知:,在桩基质量检测时,满足一个特殊的边界条件,即桩顶锤击时,平面波垂直入射,当弹性波从桩顶向下不传播时,碰到弹性性质突然变化的界面时,不产生波的转换,仅有反射波和透射波的存在,而不存在反射横波和透射横波,即,故得反射系数为:,反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的大小,说明界面上能量的分配问题。反射系数的大小取决于上下介质
5、的波阻抗差。波阻抗越大,反射系数越大,反射波的振幅也越大;反之,反射波的振幅就小,当上下介质的波阻抗相等时,则不产生反射。,9.1.3声波探测仪器设备和使用,岩体声波探测就是声波发射、传播及接收显示,其相应的仪器有发射、接收换能器和声波仪。换能器的作用就是使其他形式的能量转换成声波的能量和使声波的能量转换成其他易于检测的能量。电能的运用最为方便,目前应用最广泛的便是电能和超声能量相互转换的电声换能器。9.1.3.1声波换能器 换能器是声电能量的转换器件,俗称“探头”,发射换能器是将声波仪发射机输出的具有一定功率的电信号转换成声信号,发射到岩体中,发射声波利用的是逆压电效应。接收声波利用的是正压
6、电效应。由于实测中对换能器和频率频带、工作方式的要求不同,因此做成了具有不同结构和不同振动方式的压电换能器。如增压式换能器的构造如图9.2所示,具有轻便和灵敏度高等特点。图9.3和图9.4是用于岩石试件测试的小型换能器。,图9.2 增压式换能器的构造1螺栓;2连接件;3连接套筒;4后法兰盘;5接线柱;6电极引线;7压电陶瓷片;8增压管;9玻璃钢;10前法兰盘,图9.3 试件纵向用换能器1外壳;2陶瓷片;3螺栓;4电缆;5电缆屏蔽层;6垫片;7螺栓,图9.4 试件横向用换能器1电缆;2螺栓;3垫片;4螺栓电缆;5上盖;6陶瓷片;7底壳,9.1.3.2声波仪,声波仪是声波测试的主要仪器设备,它的主
7、要部件是发射机和接收机,目前我国已研制了多种声波探测仪,90年代电脑化、数字化超声波检测仪器问世,它的组成如图9.5所示,,图9.5 非金属数字化声波检测仪原理图,当今声波检测仪均已数字化,现以数字化声波检测仪的发射接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的测试原理。,1、声波的发射声波的发射方式有以下几种:1)换能器内触发发射2)锤击外触发发射3)电火花外触发发射2、声波的接收3、放大数据及采集 目前国产性能好的声波检测仪,在将波形显示在屏幕上的同时,可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间自动加以判读,同时显示其数值。对接收到的波形、波幅、声时等可随时存入电脑硬盘,做下一步的分析处理。上述声
8、波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下,对被测介质做出评价。,9.1.3.3换能器的布置方式,根据检测对象和目的的不同,声波的检测方法也不同,主要体现在换能器的布置形式上。换能器的布置形式主要有以下几种(如图9.6所示):1、透射法2、跨孔测试法3、反射法4、平测法,9.2回弹法检测结构混凝土的抗压强度,实际工程中常用的结构混凝土强度的现场检测方法,可分为非破损法和局部破损法。非破损法是以某些物理量与混凝土立方体试块强度之间的相关关系为基本依据,在不损坏结构的前提下,测试混凝土的这些物理特性,并按其相关关系推算出混凝土的抗压强度。目前常用的非破损测强技术有回弹法、超声法、超声回弹综合法。用
9、弹击时能量的变化反映混凝土的弹性和塑性性质,称为回弹法。具体来说,就是根据混凝土的回弹值、碳化深度与抗压强度之间的相关关系来推定其抗压强度。,回弹法的优点比较突出:仪器构造简单、方法易于掌握、检测效率高、费用较低,因而广泛用于工程验收的质量检测。总体来说,回弹法在实际工程中主要应用于以下四个方面:1)根据回弹值推定结构混凝土的抗压强度;2)对比混凝土质量是否达到某一特定要求,如构件的拆模、运输、吊装等;3)根据回弹值检验结构混凝土质量的均匀性;4)对结构中混凝土质量有疑问的区域予以确定,以便用其他方法进一步检测。,9.2.1回弹仪 如图9.7所示为回弹仪的结构原理图,图9.7.1为回弹仪的实物
10、照片。其工作原理是:将弹击杆1顶住混凝土的表面,轻压仪器,使按钮6松开,弹击杆缓缓伸出,并使挂钩13挂上冲击锤14。使回弹仪对混凝土表面缓慢均匀施压,待冲击锤脱钩,冲击锤击杆后,冲击锤即带动指针向后移动直至达到一定位置时,指针块的刻度线即在刻度尺5上显示某一回弹值,逐渐对回弹仪减压,使弹击杆自外壳3内伸出,挂钩挂上冲击锤,待下一次使用。回弹仪必须经过有关检定部门的检定,获得检定合格后在检定有效期(半年)内使用。,图9.7.1 HT225W全自动数字回弹仪,当回弹仪具有下列情况之一时应送检定单位检定:1)新回弹仪使用前;2)超过检定有效期(半年);3)累计弹击次数超过6000次;4)经常规定保养
11、后钢砧率定值不合格;5)遭受严重撞击或其他损害。9.2.2回弹值的测量 回弹值是采用回弹法测定结构混凝土强度的基本推算依据,回弹值测量的是否准确,将直接影响到推算结果。因此,只有在严格统一条件下、统一操作的情况下测试,才会取得满意的效果。,1)测试现场的准备测区表面应为原状混凝土面,并应清洁、平整、干燥、无冰冻,不应有疏松层、浮浆、油垢以及蜂窝麻面等,必要时可用砂轮打磨清除表面上的杂物和不平整处,打磨后的表面不应有残留的粉末或碎屑。结构或构件的试样、测区均应标有清晰的编号,测区在试样上的位置和外观质量情况均应有详细的描述。2)回弹值的测读检测时,除按回弹仪的一般操作规程操作外,尤其要注意:应使
12、回弹仪的轴向始终垂直于测试表面,缓慢均匀施压,待弹击杆反弹后测读回弹值。每一测区弹击16点(当测区有两个侧面时,则每一侧面弹击8点),测点应避开外露的石子和气孔,同一测点只允许弹击一次。,3)回弹值的数据处理 分别从测区16个测点读取的回弹值中剔除3个最大值和3个最小值,然后将余下的回弹值按下式计算测区平均回弹值,测区平均回弹值,精确到0.1;第个测点的回弹值。,当回弹仪与浇注侧面处于其他非水平方向检测时,应对测区平均回弹值进行角度修正;当测试面不是混凝土的浇注侧面时,应对测区平均回弹值进行浇注面修正;当测试时,回弹仪既非呈水平方向,测区又非混凝土的浇注侧面时,应先对测区平均回弹值进行角度修正
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