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声波检测技术低应变测桩法——反射波法讲义(段)汇编

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声波检测技术低应变测桩法——反射波法讲义(段)汇编

声 波 检 测 技 术,段永康 二0一0年四月一0日,第一章波动理论基础 第一节波动的基本知识 一、振动 1.振动的基本概念:若质点作偏离平衡位置,又再回到平衡 位置的往复运动就是质点作振动。 若一个物体整体作往复运动,称物体作振动,物体振动是物 体整体参与的运动,运动中反应的性质就是物体的整体性质, 而不是局部性质。 2.周期:物体振动重现一次所经历的时间称为物体振动的周 期,用T表示。 3.循环:在一个周期内完成的运动看作一个循环。 4.频率:单位时内振动的循环数称为振动的频率。用f表示。 根据周期和频率的定义,可知周期和频率互为倒数。,5.自振频率,未受外力的弹性系统,如在其内力作用下运 动,此时的振动频率称为系统的自振频率。 6.强迫振动在外力激振下发生的振动。强迫振动的频率与 激振力的频率一致,而与统的自振频率无关。 振幅:振动物体偏离平衡位置的最大距离。 二、波动的基本知识 1.波动:在连续介质中局部质点振动向四周的传波,形成 波动。即波动就是振动的传播。鉴于此波动也就有周期频率和 振幅。 2.波动的位移,速度和加速度概念: (1)位移:波动中质点偏离平衡位置的距离就是位移U (2)速度:质点运动的快慢的量度V, (3)加速度:质点速度的变化率W,,3.波的分类: (1)按介质振动性质划分 a:纵波P波:由于介质的胀缩所引起的波,其质点的 运动方向与波的传播方向一致的运动。 波速: b:横波S波:由于介质的切变(畸变)所产生的波。 质点的运动方向垂直于波的传播方向的波动。 波速 式中,为拉梅常数,为密度。由此知VpVs,在连续介质 中可以有两种波传播,P波和S波。 c:S波按其质点运动的性质又可分为SV和SH波两种, 方向为传播方向,一种是质点运动方向在ZO平面内垂直于 方向叫SV波。另一种是质点运动方向垂直于入射面ZO平面, 叫SH波。,图 11 SV波和SH波 d:自由表面瑞利面波 在介质自由表面,在满足一定的条件时,P波和SV波可以 以同一速度传播,因而产生迭加,形成一种新的波,其能量集 中在自由表面附近,叫自由表面瑞利面波R波。 e:层状介质中的瑞利面波,在层状介质中由P波和SV波 可迭加形成一种面波,叫层状介质中瑞利面波。 f:层状介质中的勒夫面波,由SH波在层状介质中传播, 满足某一些条件,可形成一种新的面波勒夫面波。,(2)按照波阵面的形态划分 在某一时刻波同相位点的集合形成的图形叫波阵面 a:平面波 波阵面为平面的波叫平面波. b:球面波 波阵面为球面的波叫球面波. c:柱面波 波阵面为柱面的波叫柱面波.桩基声波透射检测的声波就是由一个径向换能器产生的波,其波阵面就是柱面.此种波就是柱面波.,第二节波的传播,一、波的传播介质 波赖以传播的介质叫波的传播介质.波的传播介质可分为一维介质、二维介质、三维介质三类. 1、一维介质 若一种介质在两个方向的尺寸远小于第三个方向的尺寸,即介质在一个方向可以任意延伸,其余两个方向有限,这种介质叫做一维介质.在实际工作中的杆、柱、梁、桩等都可以作为一维介质处理. 2、二维介质 若一种介质在一个方向的尺寸远小于另外方向的尺寸,即介质在两个方向可以任意延伸,一个方向有限,这种介质叫做二维介质.在实际工作中的板材可以作为二维介质处理. 3、三维介质 若一种介质在三个方向的尺寸均可以无限延伸, 这种介质叫做三维介质.,二、波的传播的斯奈尔定律 波入射到两种介质的界面上会产生折射、反射,将产生同名反射波、异名反射波、同名折射波、异名折射波.这些波要满足斯奈尔定律 Vp1 ,Vs1 ,Vp2 ,Vs2 分别为介质1、2中的P波和SV波波速。 由定律可知,三、 图 12 波在界面上的反射和折射 即同名反射击波的反射角等于入射角。 P波或SV波入射到自由表面,为满足加界条件,就要迭加,产生同名反射波(P反)异名反射波(SV­反 )。,第三节 声波和超声波 一、声波 声波是频率在几佰赫兹到2万赫兹的波,人们的听觉可以感知。其介质质点的振动方向和传播方向是一致的,所以声波是纵波. 二、超声波 频率超过20000Hz的声波叫超声波。 从狭义上讲,超声波属声波类,因而应该是纵波。但现在工程检测中所应用的声波和超声波是广义上说的,即只是从频率上而言,因此声波或超声波就有纵波和横波,特别是SH波及面波。 三、声波的声学参数和性质 声波是一种波,它就具有波的一切物理力学参数和一切性质,如:波速也叫声速,振幅也叫波幅,频率,相位等。在界面上会产生反射折射,而且附合波动在界面上的反射折射规律,即遵守波的各种运动规律。,四、声波或超声波在各种工程检测中的概况 声波或超声波在工程检测中的应用,目前在三个方面。 第一个方面是混凝土强度和变形特性的检测; 第二方面是混凝土表面产生裂缝深度的检测; 第三方面则是对建物和构筑物内部缺陷的检测,诸如检 测空洞,蜂窝、裂隙、离析和损伤或碳化混凝土厚度的检 测。 基桩的声波透射法检测,就是用声波检测桩身内部是否 存在缺陷的。,第二章 超声波检测混凝土强度 超声波检测强度实际是以超声波通过混凝土的速度V的 测定为基础的。同时也考虑混凝土的其他特性的测定,如超 声波的振幅、衰减、首半波的周期等。 该方法是基于混凝土强度R和超声波在其内的传播速度V 之间有较好的相关性。一般说来,强度越高,则其声速越 快,其理由可以解释为,混凝土强度与弹性模量有相关关 系,弹性模量高的混凝土强度也高,而弹性模量与波速间是 有定量关系。因此混凝土强度与声速之间也应该有相关性。 也可解释为混凝土的密实性、孔隙率与声速相关,而且与强 度相关。因此强度和声速亦应相关。,第一节 强度声速曲线RV曲线 混凝土强度和声速曲线RV曲线是超声测强的基础,要做测 强工作,首先必须率定RV曲线。 混凝土是多种材料的集合体,随要求不同,其组成成份变化 很大。同时各种材料又有不同产地,以及其制作中的条件差异, 使得混凝土的性能相差很大。所以虽然混凝土强度和声速之间有 良好的相关关系,但具体到RV之间的关系则随混凝土不同而不 同,也就是说没有统一的RV关系曲线。虽然没有普适的RV 曲线,但在曲线的形态以及影响RV曲线的主要因素等方面,也 有许多共同之处。,图 2-1 强度波速曲线,一、影响RV曲线的因素 研究表明,混凝土的原材料,配合比、制作条件、养护条 件、含水率、龄期等六项技术条件都对RV曲线有不同程度的 影响,但这些因素影响程度是不一样的,在实用中有些可以忽 略,影响RV曲线的主要因素有: 1.石子的产地品种、粒径、用量影响 石子在混凝土中比例最大,所以石子状况对RV曲线影响 很大,不同产生的石子曲线 不一样,在同样的强度下,速度可 以相关20%左右。不同粒径的石子RV曲线也不一样,在同样 R下,波速也可能差20%左右,石子用量大,强度速度也不 一样。 2.含水率的影响 由于混凝土是多孔体,孔中充水或充气或二者皆有。试验 表明,含水率越高,声速也越高,含水率变化1%,则波速也 变化1%左右。 3.养护条件的影响 不同的养护方式RV曲线有明显的差别。,二、RV曲线的线型 1.变化范围 混凝土是由水泥、砂和石子组成,水泥浆硬化体的波速 较低,一般在4000m/s以下,而砂和石子的声速在5000m/s 以上。所以普通的混凝土声速一般在4000-5000m/s之间, 而低标号、早龄期或受浸蚀冻融的混凝土声速在4000m/s以 下。个别高标号含坚硬石子较多的声速也有超过5000m/s 的。相应于波速V在3000-5000m/s变化,其强度变化范围大 概为15-50Mpa,这就是说波速变化不太大变化范围,而相 应的强度则变化较大范围。因此为保证测量强度有足够精 度,就要求波速测量有更高的精度,通常要求控制在2%以 内。,2RV曲线的线型 从整个RV曲线看,应属指数曲线形状,即强度较低段, 曲线较平缓,随强度增高,曲线也逐渐陡峭。也就是说在强度 较低时,波速变化灵敏,在强度较高时,波速变化迟钝。 3RV曲线的函数形式 目前国内外常采用的函数表达式有: 平方抛物线: 指数函数: 幂函数: 式中a ,b ,c 待定常数。,第二节 率定及计算RV曲线方法 一、试件制作 1.数量:3件一组,每条曲线不得少于10组。 2.试件尺寸:一般为150×150×150mm3的立方体,当 骨料最大粒径超过40mm时,试件尺寸不得小于 200×200×200mm3,其边长为最大骨料粒径的3倍以上。 二、试件测试 1.超声测试:在垂直于浇注方向面上,用相同的藕合 剂,在相同压力条件测试,每个试件测5个点的走时。 2.尺寸测量:要求小于1mm的精度进行测量。 3.波速计算: 4.强度测量,在垂直于浇注方向和垂直于波速测试方向 进行抗压试验。,三、结果整理 进行回归分析得出RV曲线。 计算均方根差和相关系数,判定拟合效果。 图 2-2 波速强度测试方向,第三节 现场测试混凝土强度的方法 一、在相对的两侧面均划出相互对称的网格,网格点即为 测点,距离测量误差小于1%,计算出该点波速: 二、几项应进行修正的情况 1.若含水率与研究的RV曲线的试件含水率相差较大,则 应按含水率差值对波速进行修正。 2.若测距L与试件尺寸相差较大,则必须进行尺寸修正。 3.若测点值受钢筋影响,应使测点避开钢筋一定距离或对测值进行修正。 4.对石子的产地不同进行修正。 三、一般而言可以用各个影响因素的影响系数的方法求得 总的影响系数Ct。 Ct= Cc Cd Ca C Cg Cm Cu Cp 式中Cc 为水泥品种影响系数,在0.85-1.14之间,Cd 为水泥用量影响系数,在0.46-1.38之间 Ca 骨料性质影响系数,在0.8-6.0之间 C为最大骨料影响系数,在0.94-1.7之间 Cg 为细骨料(01mm)所占比例影响系数,在0.96-1.28 之间 Cm 混凝土龄期影响系数,在0.73-1.36之间 Cu 为混凝土湿变形系数,在0.8-1.04之间 Cp为混凝土掺合料影响系数,在1-1.4之间 对标准混凝土的Ct =1 对于非标准的强度Ref 可用标准的强度乘以影响系数而进行 修正。 Ref= Ct Rc 四、确定混凝土强度的公式 在Ct =1的情况下,可得出RV的相关公式Rc =0.24e1.1v 对于非标准混凝土抗压强度Ref= Ct Rc,第三章 混凝土内部缺陷的超声检测 1.这里介绍结构混凝土内局部的不密实(如蜂窝,软弱物 质)和空洞的检测方法,这里的空洞是指充填空气或水的区 域,不包含充填软弱物质的区域。 2.本方法只适用于具有一对或两对相互平行的临空面,且 测区范围大于怀疑区域。 第一节 超声波通过内部有缺陷的结构物混凝土后性质变化 超声波在混凝土中传播遇到缺陷时,由于缺陷的存在,使 超声波正常传播发生变化,改变了某些声学参数,根据这些声 学参数的变化和变化大小可以判断缺陷的存在和估计出其所在 位置及大致尺寸。,一、超声波通过裂缝或缺陷后物理特性有以下变化 1.瑞利导出的超声波垂直入射到裂缝时的能量反射系数。 图3-1 超声波通过裂缝 式中Z1,Z2为混凝土及裂缝中充填物的特征阻抗,D为裂缝宽 度。为超声波波长。 由瑞利公式显见,超声能量反射系数不仅和介质特征阻 抗有关,而且和缝的宽度有关。还和超声波的频率有关。鉴于 公式可见,超声波通过裂缝后发生频率降低,同时走时增加, 振幅减小,出现裂缝尖灭点的绕射波。,2.超声波通过有缺陷混凝土走时(声时)增加。如图所示 图 4-1超声波检测内部缺陷 若超声波直接通过缺陷,则由于缺陷区域波速低,走时增 加,若是由缺陷边绕过,则路程增加,走时也必然增加。 3.超声波通过缺陷混凝土后振幅(波幅)减小,由于波通过 缺陷区其密实度低,对波的衰减比正常区大得多,并且存在两 个界面,在其界面上要发生反射,穿过能量减少,因此振幅必

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