不同检测方法对混凝土波速的影响研究.pdf

J o u r n a l ofE n g i n e e r i n g G e o lo g y 工程地质学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 0 7 1 5 ( 0 1 ) - 0 1 2 4 - 0 5 不 同检测方法对混凝土波速的影响研究 沙玲 杜时贵 陈龙珠 ( 浙江建设职业技术学院杭州3 1 1 2 3 1 ) ( 上海交通大学安全与防灾工程研究所上海2 0 0 0 3 0 ) 摘要为建立超声波法和低应变反射波法检测所得混凝土基桩波速的相互转换关系， 本文给出了标准线性固体模型下粘 弹性介质的三维和一维纵波速度之比及其实用简化公式， 并且通过实验得出， 混凝土构件的超声波速与 1 0 5 4倍低应变动测 波速之比处于 1 0 3 1 1 2 ， 具体数值会随着混凝土龄期、 弹性模量和强度等级的增加而有所减小。 关键词 混凝土粘弹性波速超声波法低应变反射波法 中圈分类号： T U 4 3 7 文献标识码： A RATI o oF CoNCRETE W AVE VELoCI Tm S M EAS URED W I TH TW o TES T M ETHoDS S HA L i n g DU S h i g u i C HE N L o n g z h u ( ( 1 ) Z h e j i a n g C o l l e g e o fC o n s t r u c t i o n ， H a n g z h o u 3 1 1 2 3 1 ) ( (I n s t ofE n g S a f e t y a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n ， S h a n g h a i J i a o t o ng U n i v e r s i t y ， S h a n g hai 2 0 0 0 3 0 ) Ab s t r a c t i s p a p e r i s t o e s t a b l i s h a r e l a t i o n s h i p b e t we e n wa v e v e l o c i t i e s o f c o n c r e t e p i l e s h a f t me a s u r e d wi t h t h e u l t r a s o n i c w a v e me tho d a n d the l o ws t r a i n r e f l e c t e d w a v e me t h o d I t p r o p o s e s a s i mp l i fi e d f o r mu l a f o r t h e r a t i o o f w a v e v e l o c i t y i n i n fi n i t e me d i u m t o t h a t i n o n e d i me n s i o n a l b a r T h e v i s c o e l a s t i c the o r y b a s e d o n s t a n d ard l i n e ar s o 1 i d mo d e l i s a d o p t e d i n the f o rm u l a t i o n o f the f o rm u l a E x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r a t i o o f t h e u h r aso n i c w a v e v e l o c i t y t o the 1 0 5 4 t i me d l o ws t r a i n r e f l e c t e d wa v e v e l o c i t y r ang e s f r o m 1 0 3 t o 1 1 2 Th e r a t i o d e c r e a s e s w i th i n c reasi n g i n t h e a g e 。the Yo u n g s mo d u l u s a n d t h e s tre n g t h o f c o n c r e t e Ke y wo r d s C o n c r e t e 。Vi s c o e l a s t i c i t y 。W a v e v e l o c i t y。U l tr a s o n i c w a v e me tho d。L o ws tr a i n r e f l e c t e d w a v e me th一 0 d 1 引 言 自2 0 世纪9 0年代初开始， 随着计算机及其辅 助测试技术的发展和普及 ， 检测基桩质量的低应变 法和超声波透射法技术在我国各地得到了广泛的应 用， 其中反射波法更因其快速便捷成为了各类混凝 土基桩检测的一种普及应用方法 J ， 而超声波透射 法则因须事先埋设测管而一般适用于钻孔灌注 桩 J 。实践证明， 由于激振方法和所用传感器类型 不同， 对同一根基桩， 由低应变反射波法检测获得的 混凝土纵波速度一般较超声波法的明显偏低。然 而， 由于对它们的差别至今缺乏深入的研究， 将这两 者之间进行可靠的定量转换 目前尚存在困难， 继而 十 收稿日期： 2 0 0 6 0 4 1 3 ； 收到修改稿 日 期： 2 0 0 6 0 5 1 7 第一作者简介： 沙玲( 1 9 7 0一) 。 女 ， 讲师， 岩土工程专业 E m a i l ： c o n g c o n 9 2 2 5 1 6 3 c o n l 维普资讯 http:/ 1 5 ( 1 ) 沙玲等： 不同检测方法对混凝土波速的影响研究 妨碍了在工程中很好地综合利用这两种方法的检测 资料进行混凝土桩身完整性评判。例如， 对长、 直径 大的钻孔灌注桩或多节预制桩， 工程上用低应变反 射波法检测时， 常常会因桩端反射信号不易准确识 别而难以确定出桩的平均波速和桩身缺陷的准确深 度。但若能实现这两种方法所得波速的转换， 则可 以借助埋管声波透射法或桩顶部一定长度内桩身超 声波的实测波速来推算低应变反射波法的桩身平均 波速， 上述工程问题便能够迎刃而解。文献 3 利 用弹性波理论和实验方法对此已做过一些有益的试 探。 为尝试解决好低应变反射波法和超声波法所得 混凝土波速的相互转换问题 ， 作者 已在相关文章 中 用 K e l v inV o ig t 粘弹性固体模型研究了混凝 土一维和三维纵波速度随龄期、 振动频率的变化规 律。本文将采用实验方法和标准线性固体模型对此 问题作进一步讨论。 2 实验 2 1 测试 系统 图 1 和图2分别是本文为检测混凝土试件纵波 速度而采用的低应变反射波法和超声波法的示意 图。图 1的实验仪器采用武汉岩海公 司的 R s一 1 6 1 6 K桩基动测仪和 R S V 1 4 1 I 型高阻尼速度传感 器， 激振采用硬塑料锤。图 2的实验仪器采用该公 司的 R S S T O 1 C非金属声波检测仪和 5 0 k H z 纵波 平面换能器。 手 锤 图1 低应变反射波法检测混凝土杆件的波速 F i g 1 肠 e v e l o c i t i e s o f c o n c r e t e b a r s删髓 t h e l o ws t r a i n r e fl e c t e d wa v e t e s t 低应变法动测中的激振点选在杆件一端顶面的 中心， 传感器布置在激振点至杆件顶面边缘的中点 附近； 检测时进行多次重复锤击， 将重复性好的波形 试块 图2 超声波法检测混凝土立方试块的波速 F i g 2 Wa v e v e l o c i t i e s o f c o n c ret e c u b i c b l ock s wi t h t h e u l t r a s o n i c wa v e t e s t 予以保存并由此分析混凝土的纵波速度 ； 为增加测 试分析数据， 每个试块的超声波波速测点采用 5对， 并取其平均声时来计算混凝土的超声波速度。如果 某测点的声时偏差超过这一平均声时的 2 ， 则该 试块将予以废除， 以此来保证检测结果的可靠性。 2 2 混凝土试件制作 为了使实测超声波的传播速度可看成是无限大 均匀介质中的纵波波速， 根据 5 0 k H z 超声波频率和 混凝土波速范围， 这里将超声波试块选定为边长 1 5 0 m m的标准立方体； 同时为了满足一维波动理论 条件， 根据所用锤击主频率 ( 根据不同龄期对混凝 土试件的实测信号进行频谱分析， 其主频率处于0 1 一 l k H z 量级) 和混凝土波速范围， 低应变反射波法 的试件选定为截面边长 1 5 0 m m、 长度 2 0 0 0 m m的混 凝土杆件。试块和杆件的制作过程均按相关混凝土 规范的要求进行。 考虑到普通混凝土灌注桩的常用强度等级， 实 验对混凝土试件所采用 的设计强度等级为 C 1 5 、 C 2 5 、 C 3 0和 C 4 0 共4种。各试件经浇筑成型后在室 内自然条件下养护， 并在龄期为3 2 8 d ( 含7 d 、 1 4 d 、 2 1 d ) 时分别用超声波法和低应变动测法进行波速 测试。根据实验， 这 4种立方体试块在 2 8 d 龄期时 的实际抗压强度分别为 1 7 4 M P a 、 2 9 1 M P a 、 3 4 4 M P a 和4 6 2 M P a 。为节省篇幅， 这里仅例举强度等 级 C 3 0的各原材料配合比情况： 每立方米混凝土中 水 1 9 5 k g ， 水泥3 3 0 k g ， 中砂6 9 5 k g ， 石子 1 1 8 0 k g ， 水 泥强度等级为4 2 5 M P a 。 维普资讯 http:/ J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 0 7 2 3 实验数据及其分析 由低应变反射波法和超声波法测得各组试件的 平均纵波速度( 精确至 O O 1 k m s ) 随龄期的变化 关系分别如图 3 所示。由图 3可见， 随着龄期的增 加， 各强度等级的混凝土杆件的低应变动测波速和 试块超声波速均随之增长， 但大约在 1 0 d 之后其增 长速率将逐渐减缓。这与混凝土强度随龄期增长的 规律基本相似。 4 4 4 2 4 O 3 8 3 6 3 4 3 2 3 0 2 8 2 6 星 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 t d 图3 混凝土杆件和混凝土试块的波速随龄期的变化 F i g 3 Wa v e v e l o c i t i e s o f c o n c r e t e b a r s v a r i e d a n d c o n c r e t e b l ock s v a r i e d w i t h a s i n g t i me a 混凝土杆件低应变动测 波速 _ b 混凝 土试块超声 波速 图4是按图3 实验数据计算得到的波速比K ( K = 1 0 5 4 ) 随龄期的变化曲线。由图可见的 规律性： ( 1 ) 即使对混凝土杆件的低应变动测波速进行 了三维几何尺寸效应修正， 各强度等级试件的波速 比K仍大于1 ； ( 2 ) 实验数据表明， 对各强度等级的混凝土试 件， 其波速比K随龄期的增加而有所减小； ( 3 ) 实验数据表明， 在相同龄期下， 混凝土试件 的波速比K随强度等级的增加而有所减小。 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 t d 图4 混凝土波速比K随龄期的变化关系 F i g 4 T h e d e fi n e d r a t i o K o f c o n c r e t e v a r i e dwith a g i n gt i me 3 理论分析 鉴于这两种测试方法均使混凝土材料产生微弱 的振动， 本文便将其视为线粘弹性介质， 具体采用如 图5所示的标准线性固体模型 J 。此模型不仅能反 映瞬时弹性变形 ， 又能反映粘弹性变形( 即受力后 的变形过程是一个随时间而变化的过程 ， 卸载后的 恢复过程又是一个延迟过程) ， 这与混凝土材料的 受力变形过程较为相似， 以此来研究混凝土纵波速 度随实验激振频率、 龄期而变化的规律性。 图5 标准线性粘弹性力学模型 F i g 5 Th e s t a n d a r d l i n e a r v i s c o e l a s t i c mo d e l 3 1 超声波的传播速度 在超声波法检测中， 当圆频率 选择得足够高 而使超声波的波长小于混凝土试件横向最小尺寸的 一 半时， 超声波在试件中传播的速度将与无限大均 匀介质中的相当 J 。为方便推导， 现分析无限大均 匀介质中的三维波动问题， 其体应力 一 体应变关系 为 ： = 3 K e ( 1 ) 而偏应力 一 偏应变关系则为 s + 器 2 ) 式中， K 、 C C 、 分别为混凝土材料的弹性体变模 量、 剪切模量和粘性系数。 =2 如 1 1 1 1 0 0 0 二 5 r 维普资讯 http:/ 1 5 ( 1 ) 沙玲等： 不同检测方法对混凝土波速的影响研究 利用式( 1 ) 、 式( 2 ) 进行推导， 可以得出混凝土 的复 L a m b常数 ： c 3 K 一 等 = 等 j 式中， 为体积弹性模量 c 麦 = 麦 + 麦 E E 为标准线性固体模型的弹性模量； G 为剪 切弹性模量， Eo E Go 仉 为标准线性固体模型的粘性系数； t， 为混凝土泊 松比； to 为超声激振频率。 。 对简谐波， 弹性解和粘弹性解之间存在对应关 系， 即在弹性解中以粘弹性材料的复常数取代弹性 材料常数可获得粘弹性解 。记 k为复波数， 则线 粘弹性混凝土中超声波速为 =1 e ( k t o )=1 ( A+ ) ( 4 ) 由式( 3 ) 并对普通混凝土的泊松比t ， 近似取 0 2 。 当 G 。= 时， 式( 4 ) 经整理后变成： ， 1 0 9 t + 4 ( 3 + 2 ) + ( 5 ) 式中， t=1 2 ， = E , 。 根据式( 5 ) 分析延迟时间r 、 激振频率 与无量 纲波相速 之间的关系( 图6 ) ， 其中 = 1 0 5 4 Et ， p o 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 0 图6 无量纲波相速 与， 、 r 的关系 F i g 6 T h e r e l 0 n s l I i p b e t we e n n o nd i me n s i o n a l w a v e p h a s e v e l o c i t y a n d fa n d 由图6 ， 当激振频率较高时， 混凝土的无量纲波 相速将很高； 当激振频率一定， 则无量纲波相速与材 料的粘性系数和弹性模量即延迟时间有关。如材料 粘性较低、 弹性模量较高时， 无量纲波相速近似为 1 ， 此时可认为混凝土超声纵波速度近似为 ， 即 主要由材料弹性参数所决定， 所以工程上检测得到 的较长龄期混凝土构件的纵波速度主要由其相应龄 期的弹性模量所确定。 3 2 低应变反射波的传播速度 在检测基桩的低应变反射波法中， 锤击激振圆 频率 ， 通常较低 ， 沿桩轴向传播的纵波波长容易达 到桩直径或边长的3 5 倍 ， 从而可将基桩视为一维 杆件。根据一维纵波理论， 在等直截面的杆件中， 其 纵波速度可表示为 ： = ( 6 ) 式中， ， 为反射波激振频率； r 为延迟时间， r = E ； 其余符号含义如同上文。 根据式 ( 6 ) 分析 E 。=E 时无量 纲波相速 与激振频率 延迟时间 r 之间的关系( 图 7 ) ， 其中 = 。 0 2 4 6 8 l 0 ， 1 0 图 7 无量纲波相 与， 、 的关系 F i g 7 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n n o nd i me n s i o n a l w a v e p h a s e v d o c i t y a n d f a n d 由图7 ， 当激振频率较高时， 混凝土的无量纲波 相速将很高； 当激振频率一定， 则无量纲波相速与材 料的粘性系数和弹性模量即延迟时间有关。如材料 粘性较低、 弹性模量较高甚至满足 占 ， l a 时， 则 波相速接近于 。 相当于两个弹簧串联的性质 ( 即弹性杆件中的一维纵波速度) 。因为工程检测 中的激振频率一般小于 l k H z ， 所以实测波速基本接 如 加 ： 2 ：宝 i_l 、 ” =宝 1 1 l l l 、 维普资讯 http:/ J o u r n a l D 厂 E n g i n e e r i n g C d o g y 工程地质学报2 0 0 7 近弹性波速度， 即与不同龄期的弹性模量有关。 3 3 两种检测方法获得的波速之比 因为低应变反射波法的激振频率低， 1 r 很容易得 到满足， 故 式 ( 6 )取近 似计算 。 p 。 但由于 比 ， 通常要高12 个量级， 此时 1 不一定成立。在这种条件下， 对式( 5 ) 进行 简化运算 得： ( 1+ )( 7 ) 于是， 超声波法与反射波法检测获得混凝土纵 波速度之比的近似公式为： 引 ( 1+ )( 8 ) 上式右端的 1 0 5 4 是泊松比为0 2的弹性混凝 土中三维与一维纵波的速度之比( 反映了试件的几 何尺寸效应) ， 而括号中的项则反映了混凝土的粘 弹性和激振频率对波速的影响。为更直观地反映后 者的变化规律， 将式( 8 ) 改写成如下形式： 寿面 ， 1 8 ( 1 2 r ) +1 1 ( 1 2 r ， 7 2 ( 1 2 r ) +9 8 ( 1 2 r ) 2+3 2 ( 9 ) 此波速比与超声激振频率、 模型延迟时间的变 化规律可以参见图6 。由式( 9 ) 和图6表明， 即使对 低应变动测波速进行了三维尺寸效应修正， K值仍 会因混凝土材料的粘性和超声波的高频而大于 1 ； 随着龄期的增加， 混凝土逐渐硬化， 其粘性会逐渐减 弱而弹性模量则逐渐增大， 便会随之而减小。 在超 声激振频率不改变的情况下， 波速比K将有所减小； 同理 ， 在龄期一定的情况下， 波速比K将随着混凝土 强度等级的增大而有所减小。这与图4的实验数据 变化规律颇为相符。 4 结语 本文通过实验表明了， 混凝土构件的超声波速 与 1 0 5 4 倍低应变动测波速之比处于 1 0 3 1 1 2 ， 具体数值会随着材料粘性系数和激振频率的增大而 有所增大， 但随着混凝土龄期、 弹性模量和强度等级 的增加而有所减小。尽管各地区混凝土材料不同可 能会使上述波速比在数值上有所差别， 但本实验对 建立超声波法和低应变反射波法检测所得基桩等混 凝土构件波速的相互转换方法， 具有应用价值。 本文还通过理论研究， 给出了标准线性固体模 型下混凝土的三维和一维纵波速度的实用简化公 式， 并进行了分析， 得出波速与激振频率以及与材料 本身的参数如粘性系数和弹性模量之间的变化关 系； 同时对其波速之比进行了简化分析， 分析结果与 实验数据规律极其吻合。 参考文献 1 陈凡， 徐天平， 陈久照， 等 基桩质量检测技术 M 北京： 中国 建筑工业出版社， 2 O o 3 C h e n f a n ， Xu T i anp i n g ，C h e n J i u z h a o T e s ti n g t e c h n i q u e o n c o n c r e t e p i l e s h a t t q u a l i t y B e ij i n 。 C o n s t r u c ti o n a n d I n d u s t r y P r e s s o f C h i n a2 0 o 3 2 吴新璇 混凝土无损检测技术手册 M 北京 ： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 4 W u Xi n x u a n No n d e s t r u c ti v e t e s t i n g t e c hn i qu e o n c o n c r e t e B e i j i n 8 ， P e o p l e S C o m m u n i c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 4 3 尹加德 用超声波波速推定基桩平均波速的研究 J 振动、 测 试与诊断 。 2 0 0 0 ， 2 0 ( 4 ) ： 2 8 3 2 8 7 Y i n J i a d e S t u d i e s o n De t e r m i n a ti o n o f a v e r a g e d s p e e d o f s t rees w a v e i n a f o u n d a ti o n p i l e J o u rna l o f Vi b r a ti o n，Me a s u r e me n t & D i a g n o s i s ， 2 0 0 0 ， 2 0 ( 4 ) ： 2 8 3 2 8 7 4 陈龙珠， 沙玲， 邓俊杰 混凝土波速受检测方法影响的研究 J 岩土工程学报， 2 0 0 6 ， 2 s ( 6 ) ： 1 1 4 1 1 9 C h e n L o , , s h u ， S h a l i n g ， D e n t J u n j i e S t u d i e s o n w a v e v e l o c i t i e s o f c o n c r e t e m e a s u r ed w i t h d iff e r e n t t e s t m e t h o d s C h i n e B e J o u r n a l o f G eot e e h n i e al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 。 2 8 ( 6) ： 1 1 41 1 9 5 C h r i s te n sc n R M T h e o r y o f v i s c o e l a s ti c i t y M N e w Y o r k ： A c a - d e mi c Pr e s s 。1 9 8 2 6 M a i n a r d i F Wa v e p r o p a g a t i o n i n v i scoel a s ti c m edi a P i t m a n A d - v an e e d P u b lis h i n g P r o g r a m ，B o s t o n L o n d o n， 1 9 8 2， 1-41 7 R i z z o F J ， S h i p p y D J A n a p p H c a ti o n o f t h e cor r e s p o n d e n c e p r in - e ip h o f l i n e a r v i scoela s ti c i ty th eory J S I A M J o n A p p 1 M a th ， 1 9 7 1 ， ( 2 1 ) ： 3 2 1 3 3 0 8 沙玲 混凝土纵波速度受测试方法影响的研究 D 上海交通 大学硕士学位论文 ， 2 0 0 5 S h a l i n gS t u d i e s o n Di l a t a t i o n a lwa v e Ve l o c i tie s o f Co n c r e t e s Me a s u r e d w i t h Diffe r e n t Me t h o d s Ma s ter De g r e e Es s a y o f S h an g - hn i J i a o t o n g U n i v e r s i ty， 2 0 0 5 9 陈开圣， 彭小平 地震波法在岩堆灌浆效果检测中的应用 J 工程地质学报， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 4 ) ： 5 3 0 5 3 2 Ch e n K a i s h e n g ， P e n g Xi a o pi n g Ap p l ic a tio n o f s e i s mi c wa v e me t h 一 0 di n d e t e c ti n g g r o u ti ng e ff e c t s o f Da p i n g r o c k p i l e J o u r n al o f E n - gi n e e r i n g G eol o g y ， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 4 ) ： 5 3 0 5 3 2 维普资讯 http:/