余曉飛，陳 韋

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 廣州 510500）

0 引言

地下室上浮的形式主要有局部抗浮失效、局部整體抗浮失效、整體抗浮失效［1］。不同形式的抗浮失效會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用甚至整體安全性，如地下室柱受剪破壞、變形，頂板梁端部開裂，圍護(hù)構(gòu)件斜向開裂、抗拔樁失效、底板開裂受損等。

地下室柱、梁、圍護(hù)構(gòu)件較容易檢測(cè)檢查，可以直接分析受損成因和評(píng)估受損程度。而地下室底板由于只有一個(gè)檢測(cè)面（另一面為迎水面），無法采用超聲透射法對(duì)地下室底板進(jìn)行檢測(cè)，且僅僅通過檢查底板表面的裂縫也無法準(zhǔn)確掌握其真實(shí)的受損情況，而大面積的底板破損工作量太大且有可能對(duì)底板產(chǎn)生二次破壞，因此底板的檢測(cè)條件相對(duì)困難。當(dāng)前，對(duì)地下室底板混凝土缺陷檢查，可以采用無損的檢測(cè)方法，如雷達(dá)掃描法、相控陣超聲成像法；也可采用直接檢測(cè)的方法，包括閉水目測(cè)法和局部破損法。張樹風(fēng)等人［2］研究表明采用探地雷達(dá)方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的空洞類缺陷探測(cè)在通常情況是有效的，能較準(zhǔn)確判斷其內(nèi)部是否存在缺陷。而張晉峰等人［3］研究表明陣列（相控陣）超聲法比電磁波雷達(dá)法更能準(zhǔn)確確定混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的位置及大小。

本文研究將相控陣超聲成像法應(yīng)用于地下室底板現(xiàn)澆混凝土缺陷檢測(cè)的可行性，并結(jié)合雷達(dá)掃描儀、鉆芯驗(yàn)證，對(duì)地下室地板受損的原因進(jìn)行定性分析，提出相應(yīng)的處理建議，為類似工程的檢測(cè)與鑒定提供參考案例。

1 工作原理

相控陣超聲成像法檢測(cè)技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射（或接收）脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化，可實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦、成像，從而反映測(cè)試對(duì)象內(nèi)部的缺陷情況［4］。其工作原理如圖1所示。

圖1 相控陣超聲成像儀工作原理Fig.1 Inspection Schematic Diagram of Phased Array Ultrasonic Imaging System

2 技術(shù)特點(diǎn)

相控陣超聲成像法可實(shí)現(xiàn)單面區(qū)域連續(xù)掃描，且使用非藕合聲波接觸技術(shù)，無須使用任何藕合劑［5］。該方法克服混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋影響，對(duì)混凝土缺陷更為敏感，可識(shí)別鋼筋與缺陷；具有成像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，準(zhǔn)確定位缺陷位置和范圍，結(jié)果直觀。

根據(jù)相控陣超聲成像法的技術(shù)特點(diǎn)，可以將此技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用于檢測(cè)地下室底板現(xiàn)澆混凝土的內(nèi)部缺陷，且該技術(shù)的檢測(cè)范圍為檢測(cè)面以下600 mm 內(nèi)，基本可以覆蓋不同的底板板厚。

地下室底板屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其混凝土強(qiáng)度的離散型較大［6］，當(dāng)使用相控陣超聲成像儀測(cè)試不同底板構(gòu)件時(shí)，聲波在混凝土傳播的速度存在差異性，從而導(dǎo)致成像分辨率（波形圖）相差過大而影響整體判斷。因此測(cè)試不同底板構(gòu)件前應(yīng)采用幅度變跡調(diào)試。對(duì)于陣列換能器，發(fā)射變跡可通過用不同幅度的電壓來激勵(lì)各個(gè)陣元來實(shí)現(xiàn)，接受變跡通過在接收時(shí)對(duì)不同通道的回波信號(hào)進(jìn)行不同的加權(quán)來實(shí)現(xiàn)［7］。

影響相控陣超聲法的精度的另一個(gè)因素是底板構(gòu)件表面的平整度。因此測(cè)試前應(yīng)對(duì)混凝土表面進(jìn)行平整度處理，使測(cè)區(qū)表面為混凝土原漿面且不應(yīng)有積水［8］。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在環(huán)境條件良好、確保構(gòu)件混凝土表面清潔、平整的情況下，對(duì)實(shí)際工程中某個(gè)發(fā)生上浮事故的地下室底板采用相控陣超聲成像法檢測(cè)底板缺陷，并對(duì)采用手持雷達(dá)儀掃描、鉆芯法檢查的結(jié)果進(jìn)行了比較，同時(shí)也進(jìn)行了復(fù)測(cè)自校。該地下室個(gè)別柱腳與底板交接處存在開裂滲水情況，委托方懷疑其他區(qū)域的底板內(nèi)部存在類似缺陷。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)施工資料，該地下室底板厚度為300 mm，為超聲成像儀、手持雷達(dá)儀的測(cè)試量程范圍內(nèi)；底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，采用雙層雙向貫通+承臺(tái)位置附加筋的鋼筋布置形式。本次抽檢數(shù)量為20 個(gè)，手持雷達(dá)儀掃描、鉆芯法檢查的操作方法如下：

⑴手持雷達(dá)儀檢測(cè)。采用雷達(dá)儀對(duì)超聲成像法測(cè)試的底板部位進(jìn)行掃描，通過掃描的圖像與超聲成像法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

⑵鉆芯法輔助檢測(cè)。采用鉆芯法在選定部位鉆取芯樣、并拍照記錄，檢查地下室承臺(tái)混凝土是否存在分層或其他缺陷等，鉆芯深度應(yīng)大于底板厚度。

針對(duì)同一個(gè)底板構(gòu)件，各種方法的檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各種方法的檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Test Results of Various Methods

由圖2?、圖2?可知，試驗(yàn)底板的圖像在板面以下12 mm 處存在顏色突變，超聲波信號(hào)反射明顯平均高于其他部位，初步判斷其為疑似缺陷位置，并對(duì)底板進(jìn)行鉆芯驗(yàn)證，芯樣長(zhǎng)度大于圖像顏色突變深度。驗(yàn)證結(jié)果表明，超聲成像法結(jié)果與其他方法一致，復(fù)測(cè)自校過程中發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的情況與位置基本相同，驗(yàn)證結(jié)果詳見表1。

表1 底板混凝土缺陷測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證對(duì)比Tab.1 Comparison of Different Inspection Method Used for Baseboard Defect Defection

根據(jù)表1 單個(gè)底板構(gòu)件的驗(yàn)證結(jié)果表明，超聲成像法檢測(cè)底板現(xiàn)澆混凝土缺陷的方法可靠?，F(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)采用相控陣超聲成像法結(jié)合手持雷達(dá)儀對(duì)其余19 個(gè)底板進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)部分檢測(cè)樣本進(jìn)行鉆芯驗(yàn)證，鉆芯選取的構(gòu)件應(yīng)滿足以下要求：①經(jīng)超聲成像法測(cè)試后，認(rèn)為無法判斷是否存在缺陷的構(gòu)件，應(yīng)全數(shù)鉆芯檢查；②經(jīng)超聲成像法測(cè)試后，對(duì)明確判斷存在缺陷的構(gòu)件、明確判斷不存在缺陷的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行抽查驗(yàn)證，驗(yàn)證數(shù)量不少于4個(gè)；③當(dāng)?shù)冖陧?xiàng)中鉆芯結(jié)果與成像結(jié)果驗(yàn)證存在不符時(shí)，評(píng)估結(jié)果以鉆芯結(jié)果為準(zhǔn)，并應(yīng)擴(kuò)大驗(yàn)證范圍。

本次采用超聲成像儀結(jié)合雷達(dá)儀共計(jì)測(cè)試20 個(gè)底板的混凝土缺陷情況。初步判斷結(jié)果表明，6 個(gè)底板混凝土存在缺陷，缺陷位置距底板面深度約為10～17 cm，11 個(gè)底板混凝土不存在缺陷，2 個(gè)測(cè)試結(jié)果存疑，1個(gè)承臺(tái)不具備測(cè)試條件。

根據(jù)初步判斷結(jié)果采用鉆芯法對(duì)超聲成像法進(jìn)行驗(yàn)證，共計(jì)抽檢了4個(gè)底板。鉆芯結(jié)果表明，抽檢的3 個(gè)底板鉆芯驗(yàn)證結(jié)果與初步判斷結(jié)果一致，測(cè)試結(jié)果存疑的1個(gè)底板鉆芯驗(yàn)證為未存在缺陷。

本次采用鉆芯法對(duì)不存在測(cè)試條件的1個(gè)底板進(jìn)行檢查。鉆芯結(jié)果表明，檢查的底板存在缺陷。

最終底板混凝土缺陷判斷結(jié)果詳見表2。

表2 底板混凝土缺陷判斷結(jié)果Tab.2 Judgement Result of Baseboard Defect Defection Based on Phased-array Ultrasound Imaging

4 檢測(cè)方法探究

相控陣超聲成像法檢測(cè)底板現(xiàn)澆混凝土缺陷的可行性已得到論證，但該檢測(cè)方法的操作性尚需探究。對(duì)大面積地下室底板的缺陷檢測(cè)，應(yīng)按合理的程序有針對(duì)性地進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)流程可按初探、驗(yàn)證、研究、分析、篩查、處理6 個(gè)步驟進(jìn)行：①初探：判斷底板是否存在損傷?②驗(yàn)證：局部鉆芯驗(yàn)證，觀察芯樣及鉆孔外觀損傷，確認(rèn)初探成果?③研究：對(duì)內(nèi)部裂縫走向進(jìn)行預(yù)估，并采用相控陣超聲成像法對(duì)預(yù)估發(fā)展路徑進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證?④分析：分析受損成因，評(píng)估受損程度?⑤篩查：對(duì)其他區(qū)域的底板進(jìn)行篩查，確定受損范圍及數(shù)量?⑥處理：出具評(píng)估報(bào)告，提出處理建議，為加固提供技術(shù)依據(jù)。

4.1 初步判斷

現(xiàn)場(chǎng)采用相控陣超聲成像法對(duì)地下室上浮事故中存在明顯損傷或疑似存在內(nèi)部缺陷的個(gè)別底板進(jìn)行測(cè)試。若測(cè)試圖像在板底上方存在大面積顏色突變，即初步判斷其為疑似缺陷；若測(cè)試圖像中存在顏色突變的位置為板底位置，且板底上方可識(shí)別的顏色變化點(diǎn)明顯判斷為鋼筋或無顏色變化，即初步判斷其未存在缺陷。

測(cè)試位置可以選擇柱腳涌水或破碎的周邊或已存在開裂滲水的底板。

4.2 局部抽芯驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)初步判斷其為疑似缺陷的位置進(jìn)行鉆芯驗(yàn)證，觀察芯樣和鉆孔的的外觀損傷，并對(duì)裂縫損傷的寬度和位置進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)和記錄。

4.3 研究裂縫走向

根據(jù)芯樣和鉆孔表面的裂縫走向，對(duì)底板內(nèi)部裂縫發(fā)展路徑進(jìn)行預(yù)估，并采用相控陣超聲成像法對(duì)預(yù)估的裂縫發(fā)展路徑進(jìn)行加密測(cè)試，驗(yàn)證預(yù)估是否符合實(shí)際。測(cè)點(diǎn)可按裂縫預(yù)估走向直線布置，測(cè)點(diǎn)間隔為300 mm，測(cè)點(diǎn)布置示意如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Arrangement of Measuring Points （mm）

4.4 分析受損原因

底板開裂受損的原因較復(fù)雜，有沖切破壞、整體抗浮失效、局部抗浮失效、混凝土澆筑分層、混凝土收縮等［9］。根據(jù)底板內(nèi)部裂縫走向和板面裂縫寬度（若有），分析裂縫成因，對(duì)底板受損程度進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)章節(jié)3工程中某底板預(yù)估的裂縫發(fā)展路徑進(jìn)行加密測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，根據(jù)測(cè)試圖像可以評(píng)估該裂縫為斜向發(fā)展，并延伸至板底。將圖像中的存在顏色突變的點(diǎn)連成直線，發(fā)現(xiàn)斜向裂縫發(fā)展角度小于45°，且開裂范圍大于底板的有效截面高度h0，可判斷該破壞不符合柱對(duì)底板的沖切破壞機(jī)理［10］，故判斷該裂縫并非由結(jié)構(gòu)承載力不足而引起。通過鉆芯，可以發(fā)現(xiàn)底板存在分層現(xiàn)象，芯樣照片如圖2?，可以判斷該裂縫主要因?yàn)榈装寤炷翝矒v存在分層現(xiàn)象，導(dǎo)致地下水從底板底部進(jìn)入底部后長(zhǎng)期沖刷造成底板內(nèi)部受損?，F(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)底板進(jìn)行局部破損，破損后現(xiàn)狀如圖5 所示，可以判斷底板實(shí)際破壞機(jī)理與相控陣超聲成像法測(cè)試評(píng)估結(jié)果一致。

圖4 相控陣超聲成像測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test Result by Phased-array Ultrasound Imaging

圖5 現(xiàn)場(chǎng)破損照片F(xiàn)ig.5 Site Damaged Photograph

4.5 篩查底板內(nèi)部缺陷

根據(jù)受損成因分析結(jié)果擴(kuò)大測(cè)試檢測(cè)范圍，對(duì)其余區(qū)域有代表性的底板進(jìn)行篩查，確定受損范圍及數(shù)量。重點(diǎn)篩查承臺(tái)與底板交界處、后澆帶附近、塔樓與裙樓交界處、滲漏水區(qū)域。

4.6 處理建議

根據(jù)底板受損成因分析及篩查結(jié)果，出具評(píng)估報(bào)告，評(píng)估底板構(gòu)件的受損情況，提出處理建議，為加固修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。對(duì)嚴(yán)重破壞的底板進(jìn)行局部替換處理，對(duì)一般受損的構(gòu)件進(jìn)行加固處理，對(duì)輕度受損的構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)處理。

5 結(jié)語

陣列超聲成像法檢測(cè)作為地下室底板無損檢測(cè)的手段之一，能準(zhǔn)確判斷大范圍內(nèi)的底板受損情況，輔助分析底板的開裂原因，掌握地下室上浮破壞的受損程度及原因，為加固修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。該方法能夠克服底板單面檢測(cè)的困難，且減少了人力成本，縮短了檢測(cè)周期，此檢測(cè)方法已應(yīng)用于多個(gè)地下室上浮受損項(xiàng)目中，取得良好成效。