混凝土裂缝深度超声波检测方法(完整)

混凝土裂缝深度超声波检测方法

林维正

1 原来裂缝深度检测方法

对混凝土浅裂缝深度（50cm以下）超声法检测主要有以下几种方法，如图1所示的t c－t0法，图2所示的英国标准BS－4408法等，“测缺规程”推荐使用t c－t0法[2，3]。

上述方法中，声通路测距BS－4408法以二换能器的边到边计算，而t c－t0法则以二换能器的中到中计算，实际上声通路既不是二换能器的边到边距离，也不是中到中距离，“测缺规程”中介绍了以平测“时距”坐标图中L轴的截矩，即直线议程回归系数的常数项作为修正值，修正后的测距提高了t c－t0法测试精度，但增加了检测工作量，实际操作较麻烦，且复测时，往往由于二换能器的耦合状态程度及其间距的变化，使检测结果重复性不良。

应用BS－4408法时，当二换能器跨缝间距为60cm，发射换能器声能在裂缝处产生很大衰减，绕过裂缝传播到接收换能器的超声信号已很微弱，因此日本国提出了“修改BS－4408法”方案，此方案将换能器到裂缝的距离改为a1＜10cm，这样就使二换能器跨缝最大间距缩短在40cm以。

“测缺规程”的条文说明部分（表4.2.1）中，当边－边平测距离为20.25cm时，按t c－t0法计算的误差较大，表4.2.1中检测精度较高的数据处理判定值为舍弃了该两组数据后的平均值。条文说明第4.3.1条仅作了关于舍弃Lˊ＜d c数据的提示，实际上当二换能器测距小于裂缝深度时，超声波接收波形产生了严重畸变，导致声时测读困难，这就是造成较大误差的直接原因。表4.2.1中未知数t c－t0法在现场检测中对错误测读数值的取舍是一个不易处理的问题。

“测缺规程”的条文说明第4.1.3条指出：当钢管穿过裂缝而又靠近换能器时，钢管将使声信号“短路”，读取的声时不反映裂缝深度，因此换能器的连线应避开主钢管一定距离a，a 应使绕裂缝而过的信号先于经钢管“短路”的信号到达接收换能器，按一般的钢管混凝土及探测距离L计算，a应大于等于1.5倍的裂缝深度。

根据a≥1.5d c这一要求，如国科3表示，表1给出了相邻钢管的间距S值。

表1 检测不受钢筋影响的相邻钢筋最小间距S值

裂缝深度d c/cm 1.5dc/cm S/cm

57.515+Ф

101530+Ф

203060+Ф

304590+Ф

4060120+Ф

5075150+Ф

S为15～20cm，即当混凝土裂缝深度大于5cm 时，按t c－t0法检测，声通路就有被钢筋“短路”之虑。由于混凝土工程中总要配置钢筋，t c－t0法检测钢筋混凝土裂缝深度必然受到这一影响因素的制约，有些场合因不能满足a≥1.5d c的条件，而使t c－t0法检测方案难以实施。

2 超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度的新方法

笔者曾对数种超声波推定混凝土裂缝深度的方法进行反复的试验比较，并在裂缝检测实践中发现了因换能器平置裂缝两侧的间距不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的规律。

如图4所示，若置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距a分别大于、等于、小于裂缝深度d c时，超声波接收波形如（a），（b），（c）所示。

首波的振幅相位先后发生了180°的反转变化，即在平移换能器时，随着a的变化，存在着一个使首波相位发生反转变化的临界点，参见图4（b），当a≈d c时回折角α+β约为90°。在该临界点左右，波形变化特别敏感，只要把换能器稍作来回移动，首波振幅相位反转瞬间而变，此时，如采用超声仪的自动档整形读数方式，当首波相位瞬间变化时，时间数码管中声时读数值呈突变状态，因为采用自动档读数时，超声仪设计时间显示取其前沿首波作为计时门控的关门信号，当首波波形由图4中（a）缩短成（b）状态时，计数门控的关门点由t点瞬间改变为tˊ点。数码管显示时间值产生突变，这显然是丢波引起的。

所以，此新方法无论采用观察示波器首波振幅反转法或采用自动档声时读数突变法，都能确定首波相位反转临界点，测量此时的a值，即为裂缝深度d c。当然，如示波器波形观察、数码管声时读数二者同时兼顾，则能减少相位反转临界点判断的人为差别，进一步统一测读精度。

3 采用表面波／横波的传播声时测量裂缝深度

测量裂缝深度采用100kHz SH 横波斜探头，其声压在水平和90°角方向有峰值。50°角方向的峰值是由斜楔造成的，而水平方向峰值则是由表面波引起的。对于这种测试，发射与接收探头分放在裂缝两边同一平面上――发射探头至裂缝中心的距离L 1为20mm ，接收探头至裂缝中心的距离L 2为40mm 。实验结果证明了裂缝深度与声传播时间指数相关，相关系数为0.977，两者之间的回归方程为：

t ＝51.54×exp(0.00897×d) (2)

式中：d 以mm 为单位，而t 以秒计算。

接着，研究超声波的传播途径，图3中显示了4种可能的路径：(1)R 到S ：发射探头所激发的表面波，传播到裂缝尖端时发生模式转换为横波传播直到被接收；（2）R 到R ：表面波沿裂缝表面传播直到被接收。（3）S 到S ：发射探头所激发的横波沿整个裂缝传播而直到被接收。（4）S 到R ：发射探头所激发的横波在裂缝尖端发生模式转换产生表面波，直到被接收。S 和R 分别表示为横波和表面波。

上述各路径的声传播时间t 可以通过图3下面方程式计算得出。

R →S:[][]

s r V d L V d L t /(/)(22

21+++= R →R:r V d L L t /)2(21++=

S →S:s V d L d L t /)(22

2221+++=

S →R: []

[]s s V d L V d L t /)(/)(221+++= 式中 t ――声传播时间

L 1――发射探头至裂缝距离

L 2――接收探头至裂缝距离

V S ――横波声速

V r ――表面波声速

d ――裂缝深度

4 冲击回波检测裂缝深度

根据P 波在上表面和裂缝底部边缘间反射的频率，就可以利用式f

C h 2=

来确定裂缝的深度。

测试结果的频谱如图33所示。

采用对穿法测得混凝土板的声速为3941m／s。在图的频谱中可以看到，其主频位于9.16KHz 处，对应的厚度为21.5cm，这是厚度的振动频率（标准厚度为22cm）；在频率为13.06KHz 处也有一个峰值，对应的厚度为15.0cm，这就是裂缝的振动频率（裂缝的实际深度为14.5cm），这些都与实际相吻合。在图26的频谱中还有一些次要的峰，这是由于在测试样品由边界引起的谐振，或是平板界面反射谐振以及裂缝边缘衍射波的谐振等。

基于时域的混凝土表面裂缝分析

在大多数情况下，冲击回波法的共振频率可以成功地用于定位混凝土结构部裂缝和孔洞的位置。但有时在频谱中辩认出来对应于缺陷的同适龄趔地遇到了困难，这里我们采用一种基于时域分析的测试法解决这个问题。

在测试中用两个接收换能器分别布置裂疑缝两侧。图34和图35分别表示了实验布置图的切

面和俯视面。在图35中显示了第一个接收换能器位于冲击点H0处，第二个接收换能器位于裂缝相对的一侧。

由冲击源冲击后，表面波第一个到达接换能器并且激发了监控系统。假如R波到达的时间为t1，已知R波波速为C R，那么冲击开始的时间为（t1－H0／C R）。由于冲击产生的P波直到在裂缝底部发生衍射时才到达裂缝后面的区域，此时第二个接收换能器才开始接收衍射的P

波。若衍射P波到达第二个接收换能器的时间为t2，那么P波从冲击点到第二个接收换能器的最短时间可由下式获得：

Δt＝t2－(t1-H0/C R)=t2-t1+H0/C R（24）若在混凝土板中已知P波的声速为C P，从冲击点到第二个接收换能器最短的传播距离可以计算为C P×Δt。假如从裂缝到冲击点和第二个接收换能器之间的距离相应的为H1和H2，那么裂缝的深度可根据几何关系求得并由下式计算：

2

1

2

2

2

2

1

2

2

)

(

H

t

C

H

H

t

C

d

p

p-

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

-

+

?

?

= (25)

在实验中，我们测得表面波声速C R为3610m／s，P波声速C P为3941m／s，采用四通道示波器（Gould采样频率20MHz）来记录波形，并通过改变接收换能器相对位置进行了三组实验，其结果如下：

第一组：波形图

其中，第一个接收换能器位于冲击点2cm（H0）处；裂缝离冲击点和第二个接收换能器之间的距离分别为9cm（H1）和9cm（H2）。从图中可以看出R波引起的最初触发时间为－0.6μs （t1）；而由在裂缝底部的P波衍射引起的最初触发时间为80.4μs（t2）。利用等式（24）可以计算出P波从冲击点到第二个接收换能器的最短时间为86.5μs（Δt），然后把结果代入等式（25）计算出裂缝的深度为14.47cm。裂缝的实际深度为14.50cm，所以相对误差为：(14.50-14.47)/14.50×100％＝0.2％

第二组：波形图

其中，（H0）＝2cm，（H1）＝5cm，（H2）＝9cm，t1＝0μs，t2＝77.9μs

代入等式（24），即Δt＝83.4μs