陳文杰，柴華友，劉 歡

(武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

目前，隨著交通量增加，混凝土路面表面及內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、空洞、脫空等質(zhì)量問題，影響到混凝土路面的使用壽命和行車安全，因此，必須對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)。我國(guó)檢測(cè)路面方法有很多，但普遍檢測(cè)精度不高且存在一定缺點(diǎn)。沖擊回波法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，其檢測(cè)精確、不受磁場(chǎng)干擾，只需單面檢測(cè)即可判斷混凝土路面內(nèi)部缺陷的信息。本文研究將采用掃描式?jīng)_擊回波法(IES)對(duì)混凝土路面進(jìn)行檢測(cè)，在滿足檢測(cè)精度的同時(shí)保證了其檢測(cè)效率，對(duì)我國(guó)路面的養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義[1]。

1 沖擊回波法

1.1 沖擊回波法檢測(cè)原理

沖擊回波法基本檢測(cè)原理是使用球形沖擊錘在結(jié)構(gòu)物體表面進(jìn)行瞬時(shí)沖擊，利用傳感器來接受這一應(yīng)力，脈沖激發(fā)的彈性波在結(jié)構(gòu)物底面和頂面之間來回重復(fù)反射而生成的信號(hào)，將此時(shí)間域信號(hào)通過快速傅里葉變換(FFT)等頻域分析技術(shù)轉(zhuǎn)換為反映頻率域特征的頻譜圖(幅頻曲線)，進(jìn)而通過分析頻譜圖上的頻率特性來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和質(zhì)量。當(dāng)混凝土中存在缺陷(如空洞、裂紋等)時(shí)，瞬時(shí)沖擊激發(fā)的彈性波(P波)也將在缺陷和板頂面之間形成重復(fù)反射，其原理與彈性波在板頂面和底面之間的重復(fù)反射相同[2]。

許多學(xué)者通過沖擊回波法來判斷混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量，最終結(jié)果表明沖擊回波法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中是有效的[3-5]。因此，本文根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)，采用沖擊回波法檢測(cè)混凝土路面質(zhì)量是可行的。

1.2 掃描式?jīng)_擊回波法(IES)

掃描式?jīng)_擊回波法(IES)是一種基于沖擊回波原理的、用于大面積檢測(cè)和可形成高分辨率圖像的測(cè)試方法。利用滾動(dòng)傳感器和自動(dòng)沖擊器，可以對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行連續(xù)的掃描，提高了檢測(cè)效率。IES軟件根據(jù)式(1)計(jì)算得到厚度值T，結(jié)合測(cè)線計(jì)算的厚度值，可直觀顯示出構(gòu)件厚度變化及內(nèi)部缺陷位置。

(1)

式中，VP為P波傳播速度；ft為頻譜圖中對(duì)應(yīng)的厚度頻率(或缺陷深度峰值頻率)；β為結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)，可取0.96[6]。

2 彈性波在混凝土路面模型中的傳播特性

模型建立，需要定義合理的荷載與約束條件才能進(jìn)行計(jì)算分析，以半周期正弦函數(shù)模擬沖擊荷載，其表達(dá)式為

(2)

式中，F(xiàn)(t)表示瞬時(shí)沖擊力；Fmax為最大瞬時(shí)沖擊力；tc為沖擊力作用時(shí)間。

圖1所示為三種不同缺陷及完好路面的波場(chǎng)快照。圖4(a)可以看到在完好路面中，P波到達(dá)路面底部后反射回來的PP波與PS波，此時(shí)S波剛到達(dá)路面底部；圖1(b)為混凝土路面內(nèi)部含有脫空，應(yīng)力波在脫空位置的上表面反射，同時(shí)在右側(cè)繞射繼續(xù)向底部傳播；

圖1(c)為混凝土路面內(nèi)局部高強(qiáng)，應(yīng)力波在兩介質(zhì)交界處，不僅會(huì)出現(xiàn)反射及繞射現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)力波也會(huì)在高強(qiáng)缺陷中透射繼續(xù)向路面底部傳播，由于該處強(qiáng)度大，明顯看到透射的P波比路面中傳播的P波速度更大；圖1(d)為混凝土路面內(nèi)局部低強(qiáng)，與圖1(c)不同的是由于強(qiáng)度低從而透射P波比路面中傳播的P波速度小，其他應(yīng)力波傳播特性與圖1(c)無(wú)異。

(a)完好路面

(b)路面內(nèi)部脫空

(d)路面內(nèi)局部低強(qiáng)

3 模型試驗(yàn)

由于對(duì)實(shí)際路面測(cè)試，其內(nèi)部工況不可視，無(wú)法與檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，故本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩塊模型試件來替代實(shí)際路面進(jìn)行檢測(cè)。

3.1 模型試件

模型試件尺寸為1 000 mm×500 mm×100 mm。在試件內(nèi)部設(shè)置不同工況，模型試件及檢測(cè)示意圖見圖2。

(a)完整密實(shí)模型試件

(b)內(nèi)含不同工況模型試件

如圖2所示，圖2(a)為完整密實(shí)模型試件，圖2(b)模型試件中，左側(cè)為內(nèi)部脫空，中間為局部含有低強(qiáng)異質(zhì)體，右側(cè)為局部含有高強(qiáng)異質(zhì)體，三種工況埋深為6 cm。檢測(cè)方式為將IES儀器沿長(zhǎng)度方向推進(jìn)，沖擊器每敲擊一次模型試件傳感器隨之記錄信號(hào)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果及分析

在對(duì)兩塊試件進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，IE測(cè)試車的掃描速度要求足夠慢，以避免相鄰測(cè)試點(diǎn)之間的干擾。從圖3中所示的結(jié)果可以看出，對(duì)完好密實(shí)模型試件測(cè)得所有點(diǎn)的厚度值幾乎等于200 mm，對(duì)這些測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，厚度測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)率高達(dá)96%。個(gè)別異常結(jié)果可能來自一些偶然的干擾因素，如測(cè)試表面的局部粗糙度或沙粒。

圖3 密實(shí)模型試件測(cè)量厚度

圖4 含不同工況模型試件測(cè)量厚度

對(duì)于含不同工況模型試件，通過檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在距離0.25 m處測(cè)點(diǎn)厚度值明顯大于實(shí)際試件厚度0.2 m，這是因?yàn)樵撎巸?nèi)部存在脫空，應(yīng)力波在該處繞射，傳播路徑變大，檢測(cè)厚度結(jié)果變大；在距離0.5 m處測(cè)點(diǎn)厚度值同樣大于實(shí)際試件厚度0.2 m，這是因?yàn)樵撎幘植看嬖诘蛷?qiáng)異質(zhì)體，應(yīng)力在該傳播速度減小，透射該處時(shí)間增大，故檢測(cè)厚度結(jié)果變大；在距離0.75 m處測(cè)點(diǎn)厚度值則是小于實(shí)際試件厚度0.2 m，這是因?yàn)樵撎幘植看嬖诟邚?qiáng)異質(zhì)體，應(yīng)力在該傳播速度增大，透射該處時(shí)間減小，整體厚度檢測(cè)結(jié)果隨之減小。綜上所述，數(shù)值模型和試驗(yàn)檢測(cè)是合理有效的，為更復(fù)雜的實(shí)際檢測(cè)提供可靠參考。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于混凝土路面這種只具備單一檢測(cè)面的結(jié)構(gòu)，采用沖擊回波法可以檢測(cè)到其內(nèi)部質(zhì)量問題，該方法是目前最有效的無(wú)損檢測(cè)方法。

2)已知路面厚度時(shí)，通過IES檢測(cè)路面結(jié)果可以判斷路面內(nèi)是否存在質(zhì)量問題：當(dāng)檢測(cè)厚度大于路面厚度，路面內(nèi)可能存在內(nèi)部脫空或局部強(qiáng)度低等質(zhì)量問題；當(dāng)檢測(cè)厚度小于路面厚度，路面內(nèi)可能存在高強(qiáng)異質(zhì)體。這種對(duì)路面質(zhì)量評(píng)判的方法可為路面使用、養(yǎng)護(hù)、維修提供參考依據(jù)。

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