弹性波与电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用.docx
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弹性波与电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用
弹性波与电磁波无损检测技术
在建筑工程中的应用
吴庆曾
（中国地质学会桩基无损检测专业委员会）
（中国地质调查局技术方法研究所）
1.前言
大凡建筑都有基础，而基础一定坐落在地基之上。
建筑质量是否合格？
是否稳定？
是否能达到设计的抗震性能？
决定着建筑物的使用寿命，形成了一个系统工程。
在这个系统工程中，有一环是非常重要的，就是对地基、基础、上部建筑这三个建筑阶段的质量的勘探、检测与评价。
但也有例外，没有地基，没有基础，那就是隧道，可是勘察、检测更为重要。
当然，地基的勘察是走在最前面的，是这个系统工程中的先导，有时甚至决定着工程的成败，成为工程如何设计的依据，也决定了施工过程中是否会因施工诱发地质灾害，这些在路、桥、坝、隧道的建设中尤为重要。
地基清楚了（确切的说应是场地工程地质条件乃至水文地质条件清楚了），设计也有了，基础的施工，及其上部结构的施工质量检验，质量评价，成为工程质量控制必不可少的一环，也是工程验收的依据。
说到勘察、质量检测，存在两大类做法，即：
原位检测与取样检测。
它们又都存在两种绝然不同的方法即：
有损检测和无损检测。
当今，无损检测的应用，以及应用的水平和应用的范围，已成为衡量一个国家或一个领域技术发展水平高低的标志。
本文所要论述的仅是：
弹性波及电磁波无损检测技术在建筑工程中的应用的现状。
2.关于弹性波的无损检测技术
2.1弹性波的基本概念
2.1.1固体中的弹性波，指的是固体中的介质质点在受到外力扰动时产生振动，从而引起质点相互碰撞的波动过程，其波动方程为
……………………（2.1）
式中
称为波数；μ及μm为声场中质点瞬时位移及最大位移；c为声波的声速；x为传播距离；λ为波长；ω＝2πf。
（2.1）式说明的是声波的传播是时间与空间的函数。
2.1.2弹性波的振动模式与传播速度
A.纵波（简称P波）：
质点的振动方向与传播方向一致，传播速度
…………………………（2.2）
（2.2）式中E为弹性模量；σ为泊松比都是介质的弹性常数ρ为介质密度。
B.横波（简称S波）：
质点的振动方向与传播方向垂直，传播速度
……………………（2.3）
（2.3）式中μ为拉美系数；G为剪切模量；E为弹性模量；σ为泊松比；ρ为介质密度。
C.面波（简称R波）仅在固体的自由表面一个波长（波长λ＝C/f）
的范围内存在，是P波和S波的合成波，质点作椭圆振动，并向前传播，传播速度
………………………………（2.4）
存在VP＞VS＞VR，当σ＝0.25时VP=1.73VS，
VR＝0.92VS
2.1.3弹性波的反射、折射、绕射等规律
如果介质是连续的，即波阻抗Z不变，（波阻抗Z等于密度ρ和声速C的成积，即Z＝ρ·C）声波在其中的传播比较简单，会沿着起始的方向以往无前，但是在介质波阻抗（ρc值）发生突变的界面，弹性波会发生反射、折射、绕射等现象，和光的传播一样遵循Snell定律。
………………………（2.5）
（2.5）式中θi、θt分别为波的入射角和折射角，C1、C2分别为上下界面的声速。
2.1.4弹性波的波幅衰减规律
……………………………………（2.6）
……………………………………（2.7）
上两式中
为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，它是频率的函数；
为传播距离。
（2.6）式适用平面波，（2.7）适用球面波。
2.2弹性波透射法
透射法可以勘察或检测其它方法无法做到的一些勘察或检测内容，如：
●岩体因施工引起的松动范围检测
●基桩完整性检测
●岩体灌浆补强效果的检测
●岩体动弹性力学参数测试
●岩体中溶洞、破碎带的勘察；
●重力坝稳定性的检测；
●滑坡体滑带（滑床）的勘察；
●混凝土的缺陷检测；
●混凝土的裂缝检测
●混凝土的强度检测
在上述的勘察、检测中，由于所使用弹性波频率的不同，形成了不同领域技术中的不同仪器装备。
不同的仪器装备，在不同的技术领域中有着不同的技术方法名称。
频率在2kHZ—500kHZ的被称为“声波检测”或“超声波检测”；频率在2kHZ以下的被称作“工程地震勘探”。
不论名称如何，其工作原理是共同的。
2.2.1岩体因施工引起的松动范围检测
由于爆破施工会引起边坡岩体、隧道围岩的松动，造成岩体失稳，需要检测松动范围，从而确定加固措施。
可以采用跨孔声波透射法，
如图2所示。
由声速的变化可确定岩体的松动范围。
2.2.2声波透射法基桩完整性检测
.检测技术的依据是：
《建筑基桩检测技术规范》JGJ106—2003
A.基桩可能出现的缺陷
基桩是被大量采用的建筑基础，它有着诸多优势，在此不加赘述。
但基桩在施工过程，会由于多种原因出现不同的缺陷，如图3。
B.测试方法：
水平同步法、斜测法、扇面测试法如图4。
C.声波仪测试的接收波形，见图5。
根据各测点测取的声速、波幅值绘制出的声速——深度曲线和波幅——深度曲线，如图6。
D.检测缺陷的原理和依据
一.声学原理的依据是：
正常混凝土的声速大于缺陷的声速，正常混凝土的波幅大于缺陷的波幅，即：
V正常>V缺陷，A正常>A缺陷
二.根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106—2003中对非均匀介质混凝土的声速值是否处于缺陷范围规定如下：
声速异常的临界值
上式中
sx为异常判断值；Vm为（n－1）个数据的平均值；V0为（n－k）个数据的标准差；λ为由统计数据（n-k）对应的λ由查表获得
波幅异常的临界值
上式中
E.声波透射法基桩完整性检测的优势与不足
优势：
根据有“效接收声场”，见图7（A），再由波幅及声时可分析推断出桩身内缺陷的平面分布及空间的大概范围
不足：
轻微缩径无法判断，严重缩径可能误判
2.2.3岩体灌浆补强效果检测
破碎的岩体，可以用打钻孔注浆（水泥砂浆、化学浆）的办法将其胶结来提高强度，但效果如何？
可用声透法加以检验。
方法是在灌浆区域多打几个检测孔，灌浆之前，先检测一次孔间的声速分布，灌浆之后，再重复检测一次，由声速——孔深、波幅——孔深曲线的变化，即可对灌浆前后岩体强度给出定性评价。
图8为跨孔灌浆前后对比的声速—孔深曲线。
由跨孔声波透射测试结果可见灌浆后声速有明显提高，最高可达60%以上，表明灌浆效果良好。
如果在测试纵波声速的同时，还测试了横波声速，还可计算出岩体灌浆前后的动弹性力学性能的变化，见表1及表2。
表1表2
参
数
单孔
跨孔
参数
单孔
跨孔
灌浆
前
7天
28天
灌浆
前
7天
28天
灌浆
前
7天
28天
灌浆
前
7天
28天
VP
（m/s）
967
1083
1105
810
1180
1370
VP
（m/s）
1099
1170
1263
990
1290
1610
VS
（m/s）
445
499
509
373
544
631
VS
（m/s）
504
537
579
454
592
739
б
0.365
0.365
0.365
0.365
0.365
0.365
б
0.367
0.367
E
（MPa）
1027
1292
1344
721
1535
2065
E
（MPa）
1319
1498
1741
1070
1820
2837
G
（MPa）
376
473
492
264
562
757
G
（MPa）
482
547
637
391
666
1038
注：
σ：
动泊松比E：
动弹性模量G：
动剪切模量
2.2.4岩体动弹性力学参数参数
岩体的动动弹性力学参数，可根据（2.2）（2.3）式计算如下：
…………………………（2.8）
…………………（2.9）
…………………………（2.10）
（2.8）（2.9）（2.10）中G为剪切模量；E为弹性模量；σ为泊松比；
上面的表1、表2中的动弹性力学就是在用跨孔声波透射法测试了纵波和横波声速后，按（2.8）（2.9）（2.10）计算的。
2.2.5岩体中溶洞、破碎带的勘察
A.目前，用跨孔声波透射法，勘察岩体中的溶洞、破碎带已开始采用跨孔扇面测试法，测得大量声时数据后，采用CT（ComputerizeTomography）成像技术，即计算机层析成像技术，将两钻孔间的二维剖面图像展现。
测试方法见图9。
B.声波CT成像反演图像重建的计算思路如图10，将检测的剖面划分为N×M个方格，如其中的某一条声线T到R，它穿过第i.j.方格的声线长度是Li.j.（i=1、2、3、……N；j＝1、2、3、……M），设i.j.方块的声速为Vi.j.，则其声时
Ti.j=Li.j÷Vi.j=Li.j×Gi.j
上式中Gi.j=1/Vi.j.称曼度。
同理，第一排方格总的声时如下式
L11G11+L12G12+L13G13+……+L1nG1n=T1n
所有声线的声时如下
这是一个大型稀疏超定矛盾方程组。
下面的问题是求解，即如何对曼度GNM赋值，使计算出的t1到tnm的所有反演计算值与实测值尽量接近。
于是，由各个方格声速重建的声速图像，便可反映出被测介质的结构图像。
这样，计算方法成为CT技术的关键之一。
实际上这是一个反演问题，最早的联合迭代ART走时反演，以及进一步发展了SIRT和SART算法等等，到目前还在研究的声速与衰减因素等多参量成像方法研究，使成像的质量不断提高。
C.实例
（一）目的在于探明覆盖层下深度变化较大的白云质大理岩的起伏和白云质大理岩的岩溶发育，CT成像如图11（a）其地质解释如图11（b）。
（二）重力坝的稳定性检测
加拿大OttoHolden重力坝建成已使用49y，为了检测坝体与基岩接触面是否接触良好，选用声波跨孔测试，声波CT成像测试段如图12测试后，数据处理计算后的CT成像如图13。
（三）桥梁基础的CT成像
某桥梁已完成施工，后钻探资料显示桥梁基础下可能存在危及安全的溶洞，经声波CT成像，确有溶洞存在，如图14。
2.2.6滑坡体滑带的勘察
滑坡的产生与岩体中存在软弱结构面有关，而其上覆的是斜坡岩土体，在自然地质作用和人类活动作用下，失去原有的平衡条件，产生以水平位移为主的地质现象。
滑坡体软弱机构面即“滑带”的物理特征与溶洞、破碎带相同，故其勘探的方法与岩体中溶洞、破碎带的勘察同样可用CT成像的方法。
2.2.7混凝土缺陷检测
结构混凝土缺陷的检测是根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：
2000）进行检测如图15。
2.2.8混凝土的裂缝检测
A.浅裂缝的检测
裂缝检测可分为：
（一）平测法测浅裂缝（50cm以内的），测试的布置如图16。
裂缝深度h为：
h=
t0—不跨缝平测声时；t—跨缝平测声时；
—换能器测距
（二）斜对测法测裂缝测试方法如图17。
利用斜对测法测取声时、波幅，加以对比可判断出裂缝的分布；也可由波形及频率来综合分析判断。
（三）.跨孔声透法测深裂缝
坝体的裂缝有时较深，可利用跨孔测取的声时、波幅，综合判断裂缝的延伸深度。
2.2.9混凝土的强度检测
上部结构混凝土声速一般在4000—5000m/s。
混凝土强度与声速（f—v）存在一定的相关关系。
但是其影响因素较多，总结有下列影响因素：
（a）粗骨料（石子）品种——岩性、卵石、碎石、粒径；
（b）混凝土的配比；
（c）养护方式及含水率
所以，不能简单用声速来表达混凝土强度，可用综合法。
3.4.2.超声回弹综合法检测混凝土强度
（相关规程：
超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程CECS02:
88）
经有关单位总结混凝土强度与声速、回弹值有下列关系：
f=A·VB·RC〔MPa〕
V:
纵波声速〔Km/s〕;R:
回弹值（0～100）；A、B、C：
系数如下表：
全国
A
B
C
北京
A
B
C
卵石
0.0038
1.23
1.95
卵石
0.00223
1.91
1.81
碎石
0.008
1.72
1.57
碎石
0.00186
1.75
1.96
注：
江苏地方曲线0.00134V3.853·R1.166·100.00418L（L为碳化平均深度）
2.3.弹性波折射法
2.3.1钻孔中的折射法——“一发双收”声波测井
一发双收声波测井，是指将“一发双收”换能器放入钻孔中测试的一种方法。
一发双收换能器的外形如图19，测试原理如图20。
发射换能器T发射的声波，通过孔中的井液，以球面波的方式入射到井壁，其中必然在井壁产生折射，而其中必然有一束声线满足第一临界角，
其折射波会沿孔壁传播，再折射回孔内，分别被接收换能器R1与R2接收，它们的传播时间分别为t1和t2，那么可由
时差为△t＝t2－t1，R1与R2的间距为△l，则孔壁声速为
Vp＝△l/△t
测试实例
2.3.2工程地震折射波法
工程地震仪是多道弹性波勘探仪器，其道数一般为12—24道，工作频率0.1Hz—4.0kHz，一般都有较强的数据与信号处理功能，仪器内部没有震源，采用锤击、汽油夯、雷管、炸药等外部震源，激励产生不同能量、不同频率的弹性波，接收采用磁电式检波器。
折射波法多用于了解基岩埋深，地层的分层，在此不加论述。
2.4面波勘探（又称瑞雷波勘探）
近年以来面波勘探应用较广，它是利用震源激励在地表产生的表面波（R波）进行勘探。
可以对地层有较好的分层能力，可以勘察地下的溶洞、空洞、古墓、下水道、防空洞等。
面波勘探可分为稳态面波勘探和瞬态面波勘探。
稳态面波（又称瑞雷波）勘探
（一）设备：
由驱动器、击振器（振荡器）、地震检波器、接收仪器、计算机组成，见图23。
（二）工作原理
面波勘探原理如图24。
击振器可产生不同频率f的振动，激励不同频率的面波在地表传播，其传播深度理论上为一个波长λ，显然，由λ＝c/f，可有λR＝VR/f，那么改变击振频率f，即改变勘探深度，实际证实有效勘探深度约为（0.55—0.875）λR＝βλR，由是改变f，由高到低，勘探深度即由浅到深。
在某一个频率点上根据相邻检波器的间距Δl和面波到达的时间差Δt，即可求出这个深度的面波波速VR，绘制VR—f曲线（即所谓频散曲线）或VR—βλR曲线，如图25，由此曲线上即可计算出不同深度地层的层速度。
瞬态面波勘探
将击振器改为锤击震源如图26。
锤击产生的是较窄的脉冲波，脉冲波具有丰富的频率成分，即锤击的瞬间即可产生由高到底的频率，其它的计算方法同稳态面波勘探。
图27是滑坡勘探的解释
2.5弹性波反射法
2.5.1反射波法检测基桩完整性检测
反射波法检测基桩完整性，俗称“低应变”，实质是用小锤敲击桩头，作用力较小，在桩身内由应力引起的应变较小。
（一）检测方法与原理
检测方法见图28，H是击振锤；R是接收反射信号的传感器。
击振锤激励桩头产生球面波向桩身内传播，斜入射的弹性波在桩身侧壁由于桩身的波阻抗ρ1C1大于桩侧地层的波阻抗ρ2C2，将有一部分能量折射进入地层；垂直入射的弹性波至桩底由于ρ1C1〉ρ2C2将产生反射。
检测的原理用图29加以说明。
锤击的应力F作用在桩头，产生的弹性脉冲波，首先被传感器接收如图中的D，向下传播的波动，在缺陷处及桩底均会产生反射，相继被传感器接收，如图中的Pf和Pr。
所以，由图29的时间域曲线便可判断出桩身有无曲线。
由图3所示原地灌注桩可能出现的缺陷之外，还可能存在扩径缺陷，这些缺陷的出现，都会使缺陷部位的波阻抗发生变化，故凡有缺陷的部位都会产生反射。
这样，从时域曲线上便可分析推断出有无缺陷。
这里必须提及的是钻孔工艺、成桩的浇灌方式及记录、地质勘察资料是进一步分析推断的重要旁证材料。
（二）典型实例
2.5.2高应变法反射波检测基桩承载力
（一）测试方法
高应变法检测基桩承载力的方法见图30。
所用重锤的重量应是预估单桩极限承载力的1.2—1.5％，在桩的两侧距桩头1.5倍桩径处对称安装加速度传感器和工具式应变计，分别用来测取重锤自然下落瞬间，桩身内应力波引起的振动速度随时间的变化曲线和桩身的应力随时间的变化曲线。
（二）推断计算承载力的方法概述
图31（b）是测取的速度曲线和应力曲线；图31（a）是根据桩的物理模型和桩侧土阻力分布，由应力波波动方程计算出的应力曲线（ForCpt）当其与实测的应力曲线（ForMsd）吻合时，说明桩侧土的分布是正确的如图31（d），下面即可计算出载荷与桩身下沉的关系曲线及桩的承载力。
最后，要提及的是：
高应变测取的承载力，必须与静力测桩的数据进行对比，累积经验方才有效。
笔者认为其原因是：
重锤激励桩头引起的是弹塑性振动，但计算时所用的波动方程是线性的，必然存在误差；此外，对土的力学模型也只能是近似的，实际土的力学性能是复杂的。
2.5.3冲击回波检测混凝土板厚
（一）冲击－回波（Impact－Echo）测厚
工程检测技术随着工程建设的需要，利用反射波技术发展了混凝土板状物厚度的检测，这些检测包括：
现浇楼板厚度的检测、桥梁板厚的检测、路面及跑道厚度的检测等。
可分为频域法及时域法。
A.频域测试法
测试方法如图32（a）。
测试时在混凝土扳表面激振，传感器接收。
但混凝土板相对较薄，接收到的直达波与底界面反射波混叠而不易区分。
在此情况，只好采取如下措施：
▲力求激振脉宽
＝ｔ1；
已知ｔ1＝ｔ2；ｔR＝ｔ1+ｔ2；
直达波D与多次波Pｒ、叠加后的波形为R见图32（ｂ）；
显然，Pｒ的周期
T＝ｔ1+ｔ2。
▲对接收信号R进行频谱分析如图32（ｃ），其主频ｆ有下列关系
ｆ0＝1/T
混凝土扳厚ｄ如下：
ｄ＝
上式中C为混凝土声速；ｆ0为接收信号的主频。
▲实例：
图33冲击—回波测试系统的实测结果，图33（a）是0.28m飞机跑道厚度的测试结果；图33（b）是0.15m路面厚度的测试结果。
B.时域测试法
如图34（ａ）是测试方法示意，即在测试现场划一条测线，等间距布置测点，依次在各测点激振和接收。
图34（ｂ）是按上述方法在一块20cm的混凝土模拟路面上的测试记录，它是由超声仪在测试过程中，由仪器自动将各测点测试波形排列的结果。
由底界面反射波的同相轴连起来，可显示出测试的厚度。
图35.是在福建某高速公路隧道，测试的公路隧道二衬厚度的典型记录。
可见其底界面是起伏的，反映出隧道光面爆破开挖后围岩的起伏情况。
2.5.4工程地震的反射波法
（一）工程地震仪
前面已提及：
工程地震仪是多道弹性波勘探仪器，其道数一般为12—24道，工作频率0.1Hz—4.0kHz，一般都有较强的数据与信号处理功能，仪器内部没有震源，采用锤击、汽油夯、雷管、炸药等外部震源，激励产生不同能量、不同频率的弹性波，接收采用磁电式检波器。
（二）测试方法
现场勘探方法如图36。
以锤击震源为例，在锤击力F的作用下产生脉冲波动，向地下以半球面波方式传播，当不同地层的波阻抗有差别时，会产生反射波，依次被沿地面安置的检波器按时间序列接收，送入工程地震仪采集存储、回放观测采集到的波列。
经专用地震处理软件处理，即可给出地震剖面。
（三）工程实例
A.典型的工程地震反射剖面
B.滑坡勘探得到的滑坡底界面
C.唐山岩溶塌陷地震勘探剖面
2.5.5反射波法的其它应用
（一）超声反射钻孔孔径的检测
钻孔孔径的测试原理如图40。
在钻孔中心放置四对发射与接收换能器（在同一水平面），分别朝向东（E）西（W）南（S）北（N），发射换能器T发射的超声波幅射向孔壁，孔壁反射的超声波被接收换能器接收，由上述反射波的走时，可以计算出钻孔中心至孔壁的距离。
这样，可将东西南北四个方向孔壁至钻孔中心的距离测出，如图40所示。
（二）声波反射水下地貌及地层结构的测试
测试装置如图41，声波发射换能器及接收换能器装于船侧的水面以下。
发射换能器向水下发射的声脉冲波，被水下地表（地貌）及地下的不同结构面分别依次反射回来，由接收换能器依次接收，并将其按到达的先后顺序记录在记录纸上。
实测的结果实例见图42。
3.关于电磁波的无损检测技术
3.1.电磁波的基本概念
电磁波是用时间和空间来描述的空间场，简称为“波”。
其波动方程为：
………………（3.1）
（3.1）式中
称为波数；p及|P|为电磁场中的电磁波瞬时波幅及最大波幅；V为电磁波波速；x为传播距离；λ为波长；ω＝2πf。
电磁波波场在空间分布的波阵面（波场中振动同相位的点连接起来的面称波阵面）有可能是平面或球面，即波场是平面波或球面波。
3.1.1电磁波的传播速度
（一）空气中的传播速度：
Va＝3×108m/s＝0.3m/ns
（二）其它介质的传播速度
………………………………（3.2）
（3.2）式中ε，是介质的相对介电常数。
有关介质的相对介电常数：
混凝土6—9、沥青3—5、水81、聚氯乙烯3。
3.1.2.电磁波的衰减
球面波电磁波，在传播过程中在扩散的同时还按指数规律衰减，在传播了一定距离x后的表达式如下：
…………………（3.3）
（3.3）式中p及Pm是电磁波的瞬时波幅及最大波幅；β是电磁波衰减系数；x是传播距离。
3.1.3.电磁波在传播过程中，如果介质的介电常数ε（ε的量纲是库伦每米即C·m-1）是不连续的，在其不连续的界面上都会产生反射，反射系数的表达式如下
…………………（3.4）
（3.4）式中ε1及ε2为界面以上介质和界面以下介质的相对介电常数。
由（3.4）式当上界面的
大于下界面的
，反射系数Re为正，反射波的初动相位与直达波相同，反之相反。
3.1.4.电磁波在传播过程中，当介质是不连续的，在其界面上会产生折射，其规律遵循Snell定律。
即
………………………（3.5）
（3.5）式中θi、θt分别为波的入射角和折射角，v1、v2分别为上下界面的电磁波波速。
3.2.探地雷达与混凝土雷达（以下统称雷达）
“雷达”是英语“RADAR”的译音,它是Radiodetectingandranging取其字头的简称。
中文的意思是“无线电定位器”或“无线电探向和测距”。
3.2.1.雷达的仪器的组成
雷达由主机、发射天线与接收天线、电缆组成，如图43。
3.2.2.雷达的工作原理
如图43。
雷达采用高频（主频为数十兆至千兆赫兹）宽频带脉冲电磁波束通过发射天线向被测介质内定向辐射电磁波，电磁波在传播途径中遇到介电常数不同的界面（如公路的基层、地下的空洞等）会产生反射，反射波被接收天线接收。
接收信号经控制器采集、存储，再通过雷达主机的显示器，将接收的时序信号曲线加以显示，即可判断出反射的传播时间（双程走时），根据接收回波的传播时间、相位、幅度与波形特征，通过图像处理和分析，可确定出不同电性界面或目标体的空间位置或结构。
由此异常体的深度
………………………………（3.6）
（3.6）式中△t是发射信号与接收信号的时间差；v是电磁波在介质中的传播速度。
实际的工作方式是：
雷达天线在被测体上按测线方向移动，便可扫描出被测体的二维图像，图像实际是
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