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裂缝深度检测意义与特点
裂缝深度检测的意义与特点
（宁波升拓检测技术有限公司浙江宁波NCIT）
对应的仪器：
上图：
混凝土多功能检测仪（SCE-MATS）
下图：
混凝土超声波检测仪（SCU-PWT）
概述：
混凝土结构是最重要的土木、建筑结构，在社会基础设施中占据举足轻重的地位。
然而在使用过程中，不可避免地出现各种老化、劣化现象（如裂缝、混凝土强度降低等）。
同时，如果施工质量得不到很好的保证，会加速结构的劣化，从而造成社会经济的损失。
为此，升拓检测历时10余年，与国内外相关机构合作开发了一整套针对混凝土的浇筑质量、结构的缺陷的综合解决方案和技术体系。
该方案基于无损检测技术，具有测试效率高、可靠性好、对结构无损伤等特点，可以大大地提高混凝土材料及结构的质量。
该技术体系的检测内容主要包括：
1）裂缝深度；
2）混凝土构件质量（强度及刚度）；
3）结构尺寸
4）表面剥离、脱空及内部缺陷；
5）岩体力学特性及分级测试
测试意义：
整个技术体系采用冲击弹性波作为测试媒介，并集成到测试设备中（混凝土多功能检测仪，SCE-MATS）。
其测试精度和效率达到工程要求，已在国内外数百个各类工程中得到了实际应用。
我们具有相关技术的全部知识产权，并申请和获得了多项国家发明专利，产品出口到日本等海外。
混凝土结构是最重要的土木、建筑结构，在社会基础设施中占据举足轻重的地位。
然而，由于各种原因（如干燥收缩、温度应力、外荷载、基础变形等），裂缝是混凝土结构中最常见的缺陷或损伤现象。
由于裂缝的成因、状态、发展以及在结构中的位置等的不同，对结构的危害性也有很大的区别。
严重的裂缝可能危害结构的整体性和稳定性,对结构的安全运行产生很大影响。
另一方面，也有些裂缝，如表面温度变化或干燥收缩引起的浅裂缝则无大的影响。
此外，根据大量的观测资料，在混凝土结构物中出现的裂缝，大多数在竣工后1-2年内已产生。
如果这些裂缝处于稳定状态，其对结构的影响程度要小得多。
此外，对于裂缝的修补，如裂缝充填（往裂缝中注入水泥砂浆或者环氧树脂等充填材料，以防内部钢筋锈蚀）和裂缝补强（裂缝表面粘贴钢板等）都需要在明确裂缝的状态、成因的基础上才能合理、有效地进行。
因此，为了确定裂缝的状态、发展和成因，以及合理评价裂缝对结构物的影响，选择适当的修补方案和时机，掌握其深度与其长度、宽度都是非常重要的。
所不同的是，裂缝的深度测试较之长度和宽度测试要困难得多，通常需要采用钻孔取样的方法加以直接测试。
但是，钻孔取样的方法除费时费力，对结构也有一定的损害以外，对深裂缝由于取样困难往往难以测试。
同时，对于裂缝的发展也难以监测，因此，采用合理的无损检测方法是非常必要的。
例如，在《公路桥梁养护技术规范》（2004）中，对裂缝深度做了如下规定：
表1-1-1裂缝深度容许值结构类型
裂缝种类
允许最大宽度（mm）
深度要求
钢筋混凝土梁
组合梁结合面
0.50
不允许贯通结合面
预应力混凝土梁
梁体竖向裂缝
不允许
梁体纵向裂缝
0.20
砖石、混凝土拱
拱圈横向
0.30
深度低于拱圈高度一半
墩台
各类
0.20～0.40
不允许贯通墩身截面一半
2.2测试方法和原理
裂缝深度的无损检测方法有多种。
根据测试面的条件，可以分为单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法。
其中，单面平测法适用面最广。
混凝土材料及结构综合检测技术体系3
表2-2-1裂缝深度测试方法一览表方法
测试原理概要
备注
无损方法
平测法
相位反转法
根据接收信号初始相位的反转
采用接收信号的初始部分的特性，不适合深裂缝
传播时间差法
根据激发信号的传播时间
面波法
根据激发信号的衰减特性
采用接收与激发面波信号的能量特性
斜测法
传播时间差法
根据激发信号的传播时间
需要具备两个平行的测试面
钻孔方法
直接确认法
在裂缝上钻孔确认其深度
最为直观，但不适合深裂缝
对测法
在裂缝两侧钻孔，采用声波透射的方法
适用范围最广
在本节中，主要针对无损方法进行探讨，有关钻孔的方法在2.6中加以描述。
2.2.1平测法（基于首波特征）
基于首波特征的平测法包括相位反转法和传播时间差法。
1）相位反转法
当激发的弹性波（包括声波、超声波）信号在混凝土内传播，穿过裂缝时，在裂缝端点处产生衍射，其衍射角与裂缝深度具有一定的几何关系。
相位反转法正是基于该原理将激振点与接收点沿裂缝对称配置，从近到远逐步移动。
当激振点与裂缝的距离与裂缝深度相近时，接收信号的初始相位会发生反转。
该方法只须移动冲击锤或换能器,确定首波相位反转临界点，就可确定混凝土的裂缝深度。
与其它混凝土裂缝深度检测方法相比，具有无需通过公式计算，简单直观的特点，有一定的实用价值。
2）传播时间差法
该方法适合混凝土结构物中的开口裂缝。
其测试原理是激励产生的弹性波遇到裂缝时，波被直接隔断，并在裂缝端部衍射通过。
本方法就是通过测试波在有裂缝位置和没有裂缝健全部位传播的时间差来推定裂缝深度的。
裂缝深度越大，传播时间差也越长。
传播时间差法又可以分为Delta法、BS（BritishStandard）法等子方法。
其中，BS法无需测试波速,在狭小场所也可适用。
我们在BS法的基础上提出的修正BS法。
采用3点回归，还能够推测裂缝的延伸方向。
3）此类检测方法的局限
这两种类型的方法都利用传播的波的初动成分（到达时间或者是初始相位）。
尽管在金属探伤技术中有广泛应用，但在测试混凝土裂缝时，却会遇到很大的困难：
（1）接触面/充填物的影响
受裂缝的接触面（紧密程度或压力情况）或充填物（水、灰尘）的影响，导致波会提前通过，测试的传播时间变短，测试结果会比裂缝实际深度要浅。
（2）接受信号能量的影响
若混凝土结构物中的裂缝比较深，那么在裂缝端衍射的弹性波能量会降低，衍射的信号会很变弱，这对接收波初始时刻的判断不利。
极端的例子是：
若混凝土结构物中的裂缝是贯通的，那么几乎不会有衍射波通过。
（3）初始波成分（类型）不明的影响
对于没有裂缝、或裂缝比较浅的时候，接收波的初始成分主要是表面波和SV波。
而裂缝比较深的时候，信号又很微弱，这对初始信号的判断带来困难。
因此，由于裂缝面的接触、钢筋、水分以及信号衰减的影响，使得标准测试方法得到的裂缝深度往往较实际值偏浅，特别是对于深裂缝，其测试误差更大。
2.2.2平测法（面波法）
针对现有平测技术的不足，我们开发了一种新的裂缝深度探测技术（简称“波法”）。
该方法采用瑞利波（面波的一种）的衰减特性来测试混凝土构造物中的裂缝深度。
该方法测试范围大，受充填物、钢筋、水分的影响小，特别适合测试较深的裂缝。
1）面波法的基本原理
瑞利波是由于P波和S波在媒体边界面上相互作用而形成，其传播速度比S波稍慢，并主要集中的媒体表面和浅层部分，其特性非常适合于探测裂缝的深度。
（1）瑞利波在媒体表面受冲击所产生的弹性波中，能量最大，信号采集容易；
（2）依存于材料的剪切力学特性，从而对裂缝更为敏感；
（3）瑞利波大部分能量主要集中在从表面开始的1倍波长的范围内。
瑞利波在传播过程中所发生的几何衰减和材料衰减。
可以通过系统补正，而保持其振幅不变。
但是，瑞利波在遇到裂缝时，其传播在某种程度上被遮断，在通过裂缝以后波的能量和振幅会减少。
因此，根据裂缝前后的波的振幅的变化（振幅比），便可以推算其深度。
根据我们的试验资料和理论分析结果，有：
其中，、和分别为裂缝深度、表面波波速和裂缝后/前的振幅比（需经几何衰减修正）。
）ln（7429.0xHHx
2）关键测试技术
“表面波法”最早于上世纪60年代被提出，但一直未能得到实用。
其原因在于对能量衰减的测试误差较大，为此我们开发了基于“双方向激振技术”的高精度能量衰减测试技术（已获得国家发明专利，专利号：
ZL200510021851.5），从而大大提高了“表面波法”的测试精度和实用性。
3）表面波法的特点
（1）表面波法测试裂缝的范围很大，可达几米，受充填物、水分的影响较小。
测试精度高。
但该方法属于半理论半经验的方法，理论不是特别严密。
（2）对于坝面等近似于半无限平面体，非常适合表面波法测试。
但不适合狭窄结构，因为表面波受边界条件（侧壁、边角等）的影响较大。
（3）利用双方向发振回归技术降低了测试误差，提高了测试精度。
（4）有剥离的场合，会引起板波和振动，导致测试误差大。
相位反转法传播时间差法
表面波法
2.2.3裂缝延伸方向的测试
隧道天顶的塌落危险评估、以及结构内力分别的推算等均需要掌握裂缝的方向。
此外，我们开发的修正BS法不仅可以测试裂缝的速度，还可以测试裂缝的方向。
但该方法属于传播时间差法，其测试深度均较浅，测试精度也不十分理想。
2.2.4斜测法
当混凝土结构的裂缝部位有一对相互平行的表面时，可选用穿透斜测法。
常见的梁、柱及其结合部位。
这种方法相对较直观，检测结果较为可靠。
1）检测方法
如下图所示，采用等测距、等斜角的跨缝与不跨缝的斜测法检测。
2）裂缝深度判定
判定方法可采用衰减和波速结合的方式。
由于混凝土失去连续性，弹性波在裂缝界面上产生很大衰减，仪器接收到的首波信号很微弱，其波幅、声时测值与不过缝测点相
比较，存在显著差异（一般波幅差异更明显，但离散性也更大）。
据此便可判定裂缝深度以及是否在所处断面内贯通。
但需要注意的有两点：
（1）激振应采用冲击锤，一般可用D17。
（2）接收端传感器的接触一定要紧密，宜用专用支座。
2.3模型、现场验证
2.3.1基础试验（1998-2006）
1）混凝土块试验（开口裂缝）
利用大型混凝土试验块，对开口裂缝（裂缝宽2mm，无填充物）进行了验证试验。
结果表明，对于开口裂缝，
（1）各测试方法的测试结果均很理想；
（2）表面波法的测试离散度相对较大。
2）混凝土块试验（裂缝面压力）
在很多情况下，裂缝面上有可能受到压缩应力。
对此，我们在试验室做了大型试验，来验证在受压应力条件下表面波法的测试精度。
测试结表明：
（1）随着压力的增加，测试的裂缝结果逐渐变浅；
（2）传播时间法在受到微小应力时，已无法测试裂缝的深度；
（3）裂缝面上的应力在5MPa以上时，表面波法也无法检测出裂缝的存在。
2.3.2现场验证（1998-2006）
我们对隧道、挡土墙、基础等钢筋混凝土结构以及大坝中的各类裂缝，进行了无损检测以及钻孔取样验证。
1）钢筋混凝土结构物
根据验证试验的结果，可以得到如下结论：
（1）表面波法可较准确地测试出裂缝的深度，经验证的最大测试深度为100cm；
（2）采用P波初始信号的方法（如传播时间法，相位反转法）测试值过浅。
其最大测试深度一般不超过20cm，往往测试了钢筋保护层厚度。
2）无钢筋混凝土结构物
综上所述：
（1）无论是对于钢筋混凝土还是无钢筋混凝土结构物，利用表面波法都可以得到比较满意的结果；
（2）根据50多个现场钻孔试验的验证，表面波法的测试结果的标准偏差大约为28%左右；
（3）利用P波的传播时间法和相位反转法，均只能测试裂缝的开口深度；
（4）在裂缝受压的条件下，表面波法得到的测试结果也有偏浅的趋势。
并且其偏浅的程度与裂缝面上的压缩应力有相关关系；
（5）为了更全面地得到裂缝的信息，在条件许可的前提下，尽可能采用多种方法对比测试。
2.4现场典型应用
2.4.1裂缝发展的监测（1998-2009）
1）日本梓川水系大坝裂缝监测
尽管拱坝是按照受压设计，然而在坝面上产生裂缝的情况并不少见。
其裂缝的形态、深度以及成因、发展状况等直接影响到大坝的健康和安全。
应东京电力株式会社的要求，我们于1998年-2003年期间，对位于日本梓川的奈川渡大坝（双曲拱坝）、水殿大坝（双曲拱坝）和稻核大坝（重力拱坝）的坝后裂缝的深度进行了连续检测。
检测作业主要在冬夏季实施，部分在春秋季进行了加测。
同时，在裂缝的测点附近埋置了热电偶测量了混凝土的内部温度。
为了提高测试精度，我们对各测点均埋设了螺杆，以保证每次测试时的传感器的位置和安装。
测试结果表明：
（1）裂缝深度一般在数十cm至1.5m左右；
（2）影响裂缝的最重要的原因在于温度的变化。
特别是坝体较厚的部位，测试得到的裂缝深度与坝体温度有明显的负相关关系；
（3）坝体上部的裂缝受温度、水位等多种因素的影响；
（4）总体而言，裂缝是稳定的，没有发展的趋势。
2）李家峡大坝裂缝监测
李家峡大坝位于青海省尖扎县和化隆县交界处李家峡黄河干流上，为三圆心双曲拱坝，坝顶高程2185m，最大坝高155m，坝顶宽8m，坝底宽45m，厚高比0.29，坝顶弧长438.4m。
受业主单位委托，我们分别于2008年2月、9月和2009年3月对坝后的裂缝深度进行了3次检测。
其中，2009年还对水位变化的影响程度进行了检测。
测试结果表明：
（1）坝体的横向裂缝均为竖直方向，其深度相对较浅，一般在0.3-0.5m之间。
（2）坝体的纵向裂缝均为水平方向，其深度较深，一般大于1m，部分裂缝有可能接近或超过2m；
（3）背管的裂缝深度根据其位置不同而有所变化。
在底部（靠近2059高程），其深度较浅，一般在0.5-0.9m之间。
而随着位置的提高，其深度也有所增加，在6m左右的位置，其测试深度超过1m，已接近贯穿状态。
（4）对于坝体、背管的裂缝状态，温度应力是最重要的影响因素；
（5）当坝体温度升高时，坝体的轴向、梁向（上下方向）的压应力都有明显增大，其数值据推算在数MPa以上。
另一方面，坝顶径向（沿水流方向）的温度应力变化不大。
（6）综合大坝裂缝的测试结果，在消除测试误差影响后，可看出裂缝开展与水位变化关系不大，部分裂缝测试结果有所减小，说明裂缝面上压力增加。
2.5特点和适用范围
2.5.1特点
1）集成度高、测试精度好
在本套测试设备SCE-MATS中，集成了多种裂缝测试技术，各种测试技术可相互补充、印证，从而尽可能地提高了测试精度。
2）测试范围广
本技术可测试深达2米的裂缝。
3）可测试裂缝延伸方向
2.5.2适用范围
1）各种钢筋混凝土和素混凝土结构、沥青混凝土；
2）土石坝、岩体：
2.5.3影响因素
1）裂缝面的压力
其对裂缝深度检测的影响很大。
当裂缝面上作用的压应力超过50KPa时，各种方法均难以检测裂缝深度。
2）测试对象的位置和形状
“面波法”对测试对象的位置和形状要求较高，一般要求平坦，具有一定的厚度并距边界一定的距离。
而“传播时间差法”的要求较少。
3）测试对象的材质
本设备不仅可以测试普通混凝土、钢筋混凝土，还可以测试沥青混凝土、岩石等。
4）外界温度
温度对测试结果的影响体现在裂缝面上的压力。
一般来说，温度低时裂缝容易张开，因此在测试裂缝深度时，通常选取气温较低的季节或时间段（如早、晚）进行。
5）钢筋、水分和填充物
对“面波法”的影响较小，而对“相位反转法”和“传播时间差法”的影响较大。
2.5.4与超声波方法相比的优越性
目前，超声波是测试裂缝深度最常用的技术。
特别是在金属制品的裂缝深度测试中，超声波技术得到了普遍的认可。
然而，由于混凝土与金属是完全不同的材料（下表所示），使得超声波在混凝土裂缝的检测时，存在很大的局限。
同时，由于超声波一般采用P波，所采用的方法也只能是现有的标准方法（如相位反转法和传播时间差法），因此尽管超声波测试模型裂缝（均为开口裂缝）的精度较高，但在实际混凝土结构的测试中，测试值往往会远远低于实际的裂缝深度。
特别需要指出的是，超声波测试的深度大幅偏浅，是偏于危险方面的，有可能误导对结构安全的判断。
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