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聲波CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土質(zhì)檢中的應(yīng)用

1 聲波CT無(wú)損檢測(cè)的基本原理

  根據(jù)彈性波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,彈性波層析成像方法可以分為兩大類:一是以運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)的射線層析成像;二是以動(dòng)力學(xué)特征為基礎(chǔ)的波動(dòng)方程層析成像。

  作為反演聲波穿透的射線層析成象,其基本思想是根據(jù)聲波的射線幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,將聲波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的旅行時(shí)間表達(dá)成探測(cè)區(qū)域介質(zhì)速度參數(shù)的線積分,然后通過(guò)沿線積分路徑進(jìn)行反投影來(lái)重建介質(zhì)速度參數(shù)的分布圖像。

  混凝土聲波CT無(wú)損檢測(cè),就是根據(jù)聲波射線的幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,利用先進(jìn)的聲波發(fā)射、接收系統(tǒng),在被檢測(cè)塊體的一端發(fā)射,在另一端接收,用聲波掃描被檢測(cè)體,然后利用計(jì)算機(jī)反演成像技術(shù),呈現(xiàn)被檢測(cè)體各微小單元范圍內(nèi)的混凝土聲波速度,進(jìn)而對(duì)被檢測(cè)體作出質(zhì)量評(píng)價(jià)


2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

  用于現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)系統(tǒng)為一發(fā)多收聲系,即在一側(cè)單點(diǎn)發(fā)射,另一側(cè)作扇形排列接收,然后逐點(diǎn)同步沿剖面線移動(dòng)進(jìn)行掃描觀測(cè)。

  工作布置遵循以下原則,發(fā)射或接收須分別在同一高程上,以便形成掃描剖面;各發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)須測(cè)量坐標(biāo);發(fā)射和接收點(diǎn)距均應(yīng)在0.4m以下,發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離應(yīng)大于8m,以提高射線密度。

  根據(jù)以上原則和泄流深孔挑流鼻坎形態(tài),我們?cè)赬=20105m直立面,高程分別為78m、75m、72m的水平線上布置聲波發(fā)射排列,在X=20095m、20092m、20092m水平直線上分別布置聲波接收排列,形成3個(gè)聲波掃描剖面進(jìn)行工作(圖1)。全部聲波CT資料現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)記錄并存盤保存。

  現(xiàn)場(chǎng)聲波CT檢測(cè)設(shè)備采用先進(jìn)的超磁質(zhì)大功率聲波發(fā)射震源和DB4聲波采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)射功率可達(dá)1000W;發(fā)射系統(tǒng)主頻為8K,接收系統(tǒng)頻率為1K、10K,采樣率8位20MHz,采樣間距10μs,被測(cè)時(shí)間誤差小于1個(gè)采樣間距時(shí)間n×10-4μs,重復(fù)性好。

  現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)嚴(yán)格按《水利水電物探規(guī)程》DL-5010-92標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

  由于挑流鼻坎底部曲面與X=20105m直立面呈不規(guī)則對(duì)應(yīng)形態(tài),造成聲波發(fā)射與接收角度偏差較大,使接收換能器接收方向偏離聲波發(fā)射的主能量區(qū),造成聲波接收能量偏弱,為此應(yīng)改變接收換能器的方向使接收換能器的方向?qū)?yīng)發(fā)射換能器發(fā)射的聲波主能量區(qū)。


3 資料處理方法

3.1 資料預(yù)處理

  利用DB4聲波采集系統(tǒng)隨機(jī)配置軟件,將野外采集的聲波全波形信號(hào)重新顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,由人工拾取聲波初至?xí)r。為確保CT成像的質(zhì)量,只有那些起跳干脆,首波清晰可讀的數(shù)據(jù)才被錄用。

  鑒于本工區(qū)聲波穿透的接、發(fā)距為0.4m,為了保證一定的可辨率,采用0.5m×0.5m的網(wǎng)絡(luò)。


3.2資料處理方法

  層析算法:采用ART、SIRT直線算法處理資料,壓制影響CT成像的不利因素,以獲得較好的圖像為終目標(biāo)。


3.3圖件的生成

  利用AutoCAD、MAPCAD等軟件,生成CT層析成像。

  聲波處理流程:拾取初至縱波→編輯CT成像數(shù)據(jù)→CT處理產(chǎn)生VP數(shù)據(jù)→AutoCAD、MAPCAD進(jìn)行圖形處理、編輯、拼接→彩色激光打印


4應(yīng)用實(shí)例

無(wú)損檢測(cè)成果圖,即20-1、20-2、20-3剖面CT層析成像成果圖。3個(gè)剖面均為同一混凝土建筑物塊體不同高程(72.0、75.0、78.0)上的CT穿透剖面。

  從 20-1剖面(為上層的穿透剖面)可見(jiàn),整體波速值較高,大于4300m/s的占90.75%,低于4000m/s僅占0.29%。波速分布:左下角與右上角之間為相對(duì)低速區(qū),VP為4300m/s左右,呈條帶狀分布,其它部位VP大于4500m/s。


20-2剖面(為中間層的穿透剖面):

  波速值及其分布特征大體與20-1剖面相似,有所區(qū)別的是,相對(duì)低速部分要少一些,其分布沒(méi)有連續(xù)性。20-3剖面(為下層穿透剖面):

  整體低速異常區(qū)域形態(tài)與20-1、20-2剖面相似,但相對(duì)低速區(qū)更少(右上角的低速區(qū)可能是混凝土接縫所引起),且呈零星分布。

  從整體情況看:上述3個(gè)剖面相距較近,聲波相對(duì)低速區(qū)分布位置上下對(duì)應(yīng)較好,可反映該檢測(cè)區(qū)域混凝土欠密實(shí)及其分布特點(diǎn):上層的剖面聲波相對(duì)低速區(qū)較大、較多,聲波速度較低;中間層剖面聲波低速區(qū)較小、較少,聲波速度相對(duì)較高;下層剖面聲波相對(duì)低速區(qū)更小、更少,聲波速度較上剖面高,它們說(shuō)明:建筑物底部混凝土密實(shí)情況較好,中部次之,上部(表層)較差。

  根據(jù)三峽工程多年混凝土檢測(cè)資料表明,完好的混凝土聲波速度VP值大于4300m/s,一般多為4500m/s,而存在局部輕微缺陷的混凝土聲波速度VP值為4000~4300m/s(相對(duì)低速);若存在有較大的缺陷則VP值更低。

  因此,我們可以直接從圖上清楚地看出:①被檢測(cè)體剖面存在混凝土密實(shí)性問(wèn)題的大小程度及位置;②各剖面混凝土密實(shí)性問(wèn)題的關(guān)系,進(jìn)而可以對(duì)被檢測(cè)體作出質(zhì)量評(píng)價(jià)。




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