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| 超声波技术在公路隧道检测中的应用 |
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| 超声波技术在公路隧道检测中的应用本文针对采用传统办法不易对公路隧道的衬体混凝土进行检测的问题展开研究。根据超声波纵波在水泥混凝土中波速和混凝土强度存在的关联，对强度测定问题进行了探讨。最终采用无破损检测为主，破损检测为辅的办法对公路隧道进行了实际检测，取得了预期效果。对在公路隧道以及相关结构物检测中提供了参考。 关键词：公路隧道 超声波 衬体混凝土 随着国家西部开发战略的使用，作为重要基础建设的公路对保证其顺利进行越发显得重要。而在西部建设公路交通主骨架，首先面临的就是公路隧道建设，和铁路隧道相比，公路隧道的要求更多、更具体，伴随着大量的公路隧道的建成通车，传统检测办法还能不能进行隧道结构检测就成了新的话题。如对隧道中的衬体混凝土进行强度检测时，若按照传统的破损检测办法进行，会对隧道结构造成不可挽回的破坏；同时也无法保证评价所需的最小样本数量，表明传统的破损检测办法已无法用于隧道衬体强度的检测中。因此本文针对隧道的衬体混凝土强度检测问题展开研究。 一、声波检测原理简介： 众所周知，混凝土的力学性质和声波在其中传播规律有着密切的联系，这是声波探测力学参数测定问题的物理前提。声波测试是弹性波测试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上。该方法是以人工激振的方法向介质（混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接受介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决工程中的相关问题。采用此方法进行测定，最大的优点是简便、快速、经济、便于重复测试，而且对测试物体无破损等优点。 其中对于水泥混凝土而言，其力学性质也和波速有着密切的关系。一般来说，混凝土强度越高，相应的波速也越高。由于待测隧道中的二衬混凝土，强度等级基本相同（大多为C20强度等级混凝土），密度值比较接近，因而可以认为强度和波速之间存在着正比例关系。但是单独以波速来衡量混凝土强度，也存在一定的问题。因为无破损检测是建立在两者相关性基础上的，具体测试过程中，测试结果还受到以下一些因素的影响： 横向尺寸效应（要求纵波速度应在无限大介质中测得。）；温度和湿度（当环境温度在5～30℃情况下、因温度升高引起的速度减小不大。当环境温度在40～60℃度之间时，速度降低5%，温度在0℃以下时，由于混凝土的自由水结冰，使脉冲速度增加）；钢筋的影响（钢筋中超声传播速度比普通混凝土的高1.2—1.9倍）；骨料品种、粒径、含量的影响（超声波在骨料中的传播速度高于混凝土中的速度。因此，声道路上的粗骨料多，声速则高，反之则低）；水灰比和水泥用量的影响，随着水灰比的降低，混凝土的强度、密实度以及弹性性质相应提高，反之则降低。 二、处理办法 由上可见，测试结果受到多方面因素的影响，因此如何消除这些影响对使用该法进行相关检测就显得至关重要。目前，国内外在超声检测混凝土强度的规程、方法以及建议中均须以一定数量的相同技术条件的混凝土试件进行校正实验，即预先建立强度校正曲线，然后用声速推算混凝土的强度，这样推算的强度值才能达到比较满意的精度。采用该方法适用于检测和试件相同技术条件下的混凝土制品的强度，测试精度高。并且由于采用了相同的材料制备的试件，因此在推算混凝土强度时，不存在影响因素，因而无须对试验结果进行修正。（1） 在室内测试中对声速试验数据分析处理过程如下所示； 首先确定声速，采用公式1进行计算： v=l÷t×10(km/h) (公式1) 其中：v—超声波在混凝土介质中的波速(km/h) l—-收、发换能器的测试距离，室内测试时即为试件的宽度(cm) t—测区（试件）的平均声时值（单位μs） 对与测试中个别点的声时偏差超过5%时，试件作废。 此外试件的极限抗压强度按照公式2计算： Fmax=F/A*k (公式2) 式中：Fmax—极限荷载(Kn) A—试件承压面积(cm2) k—试件尺寸换算系数(标准件为15×15cm) 测试中以三个试件为一组，数据处理原则同混凝土强度测试处理原则，以最大或最小值与中间值相比较，看偏差是否超过15%。(2) 因此在实际检测中，对待检测隧道选用相同的材料与配合比配制相同强度等级的混凝土，实测强度和波速，建立相关标准曲线。在此基础上，实际测定二衬混凝土的波速值。将每条隧道的波速曲线画出，从中找出不利路段的波速和里程桩号。对其强度进行评价。对一些有必要复测点现场进行复测或实际取芯，实测强度。 三、实例： 某公路隧道，全长1.060公里，与2000年建成完工。其中的衬体混凝土设计强度等级为C20混凝土。在进行实际测试前，首先选用与该隧道施工时相同的材料成形了水泥混凝土试件（15×15cm立方体试件），标准养生到28天，在室内测定了强度以及相应的波速，并建立了强度、波速关系曲线，详见表1。 表1 混凝土强度与波速关系汇总表 序号 试件尺寸（cm2） 每组试件个数 偏差（%） 波速均值（m/s） 实测抗压强度（MPa） 1 15*15 3 5.7 3448.0 39.5 2 15*15 3 4.5 3333.0 38.6 3 15*15 3 5.8 3333.0 39.3 4 15*15 3 4.6 3000.0 35.9 5 15*15 3 5.8 3846.0 43.9 6 15*15 3 4.7 3846.0 44.8 7 15*15 3 6.1 3571.0 40.7 8 15*15 3 4.5 3333.0 45.9 9 15*15 3 3.9 3448.0 41.2 10 15*15 3 6.0 3571.0 39.5 11 15*15 3 5.5 2857.0 30.2 12 15*15 3 4.9 3333.0 40.8 在建立了关系曲线的基础上,与同年进行了相关工程的实际检测。某隧道的实测数据详见表2所示。 表2 某隧道超声波检测结果汇总表 序号 桩号 波距(cm) 声时（μs） 波速（m/s） 左侧 拱顶 右侧 左侧 拱顶 右侧 1 k183+949 20 61.0 59.0 62.0 3278.7 3389.8 3225.8 2 990 20 62.0 62.0 56.0 3225.8 3225.8 3571.4 3 k184+030 20 59.0 56.0 55.0 3389.8 3571.4 3636.4 4 70 20 55.0 60.0 58.0 3636.4 3333.3 3448.3 5 110 20 54.0 59.0 58.0 3703.7 3389.8 3448.3 6 150 20 53.0 55.0 56.0 3773.6 3636.4 3571.4 7 190 20 54.0 56.0 58.0 3703.7 3571.4 3448.3 8 230 20 54.0 55.0 61.0 3703.7 3636.4 3278.7 9 270 20 54.0 56.0 55.0 3703.7 3571.4 3636.4 10 310 20 55.0 55.0 53.0 3636.4 3636.4 3773.6 11 350 20 53.0 54.0 58.0 3773.6 3703.7 3448.3 12 390 20 54.0 55.0 55.0 3703.7 3636.4 3636.4 13 430 20 56.0 56.0 53.0 3571.4 3571.4 3773.6 14 470 20 53.0 53.0 52.0 3773.6 3773.6 3846.2 15 510 20 57.0 55.0 56.0 3508.8 3636.4 3571.4 16 550 20 60.0 57.0 54.0 3333.3 3508.8 3703.7 17 590 20 54.0 54.0 60.0 3703.7 3703.7 3333.3 18 630 20 58.0 54.0 61.0 3448.3 3703.7 3278.7 19 670 20 55.0 55.0 59.0 3636.4 3636.4 3389.8 20 690 20 54.0 59.0 55.0 3703.7 3389.8 3636.4 21 730 20 59.0 59.0 58.0 3389.8 3389.8 3448.3 22 770 20 57.0 60.0 58.0 3508.8 3333.3 3448.3 23 810 20 50.0 55.0 52.0 4000.0 3636.4 3846.2 24 850 20 56.0 54.0 53.0 3571.4 3703.7 3773.6 25 890 20 52.0 55.0 53.0 3846.2 3636.4 3773.6 26 930 20 61.0 54.0 60.0 3278.7 3703.7 3333.3 27 970 20 63.0 55.0 59.0 3174.6 3636.4 3389.8 28 k185+010 20 62.0 66.0 58.0 3225.8 3030.3 3448.3 由室内确定的回归曲线以及室外测定的波速值确定了实测波速与强度之间的对应值,详见表3所示。 表3 波速-强度测试结果一览表 序号 桩 号 波速（m/s） 强度（MPa） 左侧 拱顶 右侧 左侧 拱顶 右侧 1 k183+949 3278.7 3389.8 3225.8 37.5 38.9 36.9 2 +990 3225.8 3225.8 3571.4 36.9 36.9 41.1 3 k184+030 3389.8 3571.4 3636.4 38.9 41.1 41.9 4 +70 3636.4 3333.3 3448.3 41.9 38.2 39.6 5 +110 3703.7 3389.8 3448.3 42.7 38.9 39.6 6 +150 3773.6 3636.4 3571.4 43.6 41.9 41.1 7 +190 3703.7 3571.4 3448.3 42.7 41.1 39.6 8 +230 3703.7 3636.4 3278.7 42.7 41.9 37.5 9 +270 3703.7 3571.4 3636.4 42.7 41.1 41.9 10 +310 3636.4 3636.4 3773.6 41.9 41.9 43.6 11 +350 3773.6 3703.7 3448.3 43.6 42.7 39.6 12 +390 3703.7 3636.4 3636.4 42.7 41.9 41.9 13 +430 3571.4 3571.4 3773.6 41.1 41.1 43.6 14 +470 3773.6 3773.6 3846.2 43.6 43.6 44.5 15 +510 3508.8 3636.4 3571.4 40.3 41.9 41.1 16 +550 3333.3 3508.8 3703.7 38.2 40.3 42.7 17 +590 3703.7 3703.7 3333.3 42.7 42.7 38.2 18 +630 3448.3 3703.7 3278.7 39.6 42.7 37.5 19 +670 3636.4 3636.4 3389.8 41.9 41.9 38.9 20 +690 3703.7 3389.8 3636.4 42.7 38.9 41.9 21 +730 3389.8 3389.8 3448.3 38.9 38.9 39.6 22 +770 3508.8 3333.3 3448.3 40.3 38.2 39.6 23 +810 4000 3636.4 3846.2 46.3 41.9 44.5 24 +850 3571.4 3703.7 3773.6 41.1 42.7 43.6 25 +890 3846.2 3636.4 3773.6 44.5 41.9 43.6 26 +930 3278.7 3703.7 3333.3 37.5 42.7 38.2 27 +970 3174.6 3636.4 3389.8 36.3 41.9 38.9 28 k185+010 3225.8 3030.3 3448.3 36.9 34.5 39.6 表4 衬体混凝土强度测试结果 强度平均值（MPa） 标准差（MPa） 变异系数（%） 隧道强度最小值 隧道强度最大值 强度（MPa）测点 桩号 强度（MPa）测点 桩号 40.9 2.72 6.65 34.5 28 k185+010 46.3 23 k184+810 测试数据结论详见表4所示，结果表明该隧道衬体混凝土的强度达到了设计C20强度等级的要求。 使用无破损检测与破损检测技术相结合进行隧道中混凝土结构物强度的测定，可以准确地确定出结构物强度，该方法具有传统测试办法无法比拟的优点，因此值得在公路虽大检测中推广应用。 |
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