混凝土密实度检测中应用综合评判法的可行性分析.pdf

混凝土密实度检测中应用综合评判法的可行性分析 武英杰 1 ,2 ( 1 新疆水利水电科学研究院新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 4 9 ； 2 新疆水利水电材料工程技术研究中心 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 4 9 ) 摘要 现今最重要的一项土木工程材料就是混凝土， 混凝土质量的好坏和结构安全对工程有着重要的 影响。传统检测混凝土质量的方法有很多， 但因为水利工程施工水平、 质量管理等原因造成检测 所得的混凝土性能指标和实际性能相差较大。本文采用综合评判方法对混凝土密实度进行可行 性分析， 有效的提高和保证数据信息的准确度和可信度。 关键词 混凝土； 密实度； 综合评判法； 检测 中图分类号： T V 4 8 1 文献标识码： A 在 当前水利 水电工程建 设中 ，沉管 隧 道工程较为多见。工程的隧道管段部分利 用压力注浆方式处理地基 ，将基底和管底 的空隙进行填充， 确保受力均匀， 有效杜绝 不均匀沉降。受设备性能和其他因素条件 的影响 ，在注浆的过程 中极 易产生 空洞现 象，需要对浆液凝聚 、 扩散等进行随时检 测， 对内部密实度情况进行判断， 如发现问 题应及 时进行补救 。国内有 学者研究 了地 质 雷达 应 用在 注浆 密 实 度监 测 中 的可 行 性。 已有研究表明， 采用适合频率的接收天 线可获得 较好的检测结果 。高密度 面波探 测技术通过探测可获得成分从高频到低频 传播 的速 度 ，采用数学方法 将这些信息 进 行分离 ， 可推断 出地下构造情况 。虽然受环 境影响较小， 但精度有限， 配合地质雷达方 式使用 ， 可 取长补短” I 。本 文提出 了将两 种 方式结合 ， 采用模糊综合判断方式进行结 果判定 的方法 。 1探地雷达进行混凝土密实度检 测的基本原理 基于不 同介 质产生不 同的电磁特性 会 改变雷 达反射 回波 波长 、 波形 、 波 幅等 ， 探 地雷达发射天线将高频电磁波发射向被探 测的介质 内部 ，出现电磁特性改 变 的部 分 将一部分雷达波散射。 部分发射回来， 其 他的则继续向内透射。 天线接收反射回波， 具体如图 1 。 采用计算机或是专用的雷达信 号软件将接收到的雷达信号进行处理， 形 成雷达图像，利用雷达图像描述内部埋藏 物深度、 走向、 形状及大小 介质的分界面 、 厚 度等。 利 用 电磁学原 理 ， 针对 混凝 土这类 非 磁性介质， 存在磁导率 z = # 0 = l 。如果被探 测到的介质具有较小的导电率 o r ， 且天线 频率 厂 相对较高的情况下，雷达波传播速 度为 ： ( 1 ) 、 式 ( 1 ) 中的 。 = O 3 m n s ， 是空气 中雷达 波的传播速度 ； 波长 A = ， 因此在雷达探 J 测的过程中采用某一固定频率天线，接受 探测的混凝土相对介电常数 s ， 发生变化的 同时也会带动雷达比产生相应的波速变 化， 还能考虑到波形产生的波长变化。 介质中电磁波 的传播能量衰减 系数 W= 2 u f e ,o ， 因此在电磁波频率一定的情况 下，如果电导率 o r 以及介质相对介电常数 s ， 等均较 大的话 ，会 造成雷达 波能量的快 速衰减， 加上混凝土的8 ， 比空气的 要大 很多 ，密 实度 相对较差 的混凝 土内部会产 生较多的t J , L 洞 。 所 以， 与密实度相对较好 的混凝土相比较，它的相对介电常数 8 ， 要 小一些；并且混凝土各部分存在不均匀的 小孔洞分布， 也影响了各处 s ， 的大小变化。 结合能量衰减公式，基于密实度较差 的混凝土中， 雷达波衰减相对较慢 ， 出现空 洞的部分会减缓波幅的衰减，还可能产生 波幅异常增大的现象。而对于具有较好密 实度的混凝土 ， 混凝土各处的 、 s 等均较 一 致， 因此会产生较有规律的波幅衰减。 因 此在水利工程混凝 土质量检测 中 ，采用地 质雷达检测混凝土的密实度，可依据波幅 的衰减情况进行混凝土质量的判定。 2高密度面波进行混凝土密实度 检测的基本原理 鉴于在介质的表面才会进行面波传 播 ，且地下构造关系对面波的传播速度会 产生一定的影响， 本文探测采用瑞利面波。 该方法已在地基处理效果的评估当中得到 了一定 的应用 。其基 本原理是 ： 从介质表 面 沿着深度方 向衰减 的瑞 利面波振 幅，半 个 波长之内大约就集中了超过 8 0 的全部能 量，因此从介质表面到半个波长深度决定 了传播的速度12 1 。 所以高频面波具有较短的 波长 ， 仅能穿透较短 的地表浅 层 ， 只能对浅 层的地下构造进行反应 ；低频面波具有较 长 的波长 ， 可 以深入 到深处地层 ， 可 以对 整 个地表到深层 的构造影 响进行反应 。经探 测获得瑞利面波高频到低频传播速度， 采 用数学方法依照深度分离这些信息，就可 以对地下构造进行推断分析。 3模糊综合评判法 综合评判法是对 多个 对象运用多个 指 标进行评价 的方法 ，将 多个指标转化成 一 个可 以反映综合情况 的指标 ，然后进行评 定模糊综合评判主要分为两大步： 第一 ， 单独对单个因素进行评判； 第二， 综合评定 所有的因素。 4实例应用 某水利工程采用沉管 施工 ，采用压力 注浆法对沉管 、 基坑间的空隙进行填充 。 依 据工程要求实施了两次模型试验，并将试 验平 台浮在水面上 。下 图 2所 示为结构剖 面 图； 测线 、 观察窗 、 平台 的尺寸 和形 状 等 布置如图 3 。 试验 I 先对 A孔进行单独注浆，待完 成预 定效 果后 同时进 行 B孔和 C孔 的注 浆； 试验 先对 C 孔进行单独注浆， 达成预 定效果后， 同时进行 A孔和 B孔的注浆。 注 浆前将初值状态记录一次 ， 注浆结束后记 录终止状态 并在注浆过程中， 浆液扩散 状况进行不断 的记录 。选定地质雷达 于 l m 之内进行探测， 混凝土 8 7 ， 水 6 = 8 1 ， 选用 9 0 0 MH z 天线 ， 采集时窗设定为 8 0 n s ， 避开 基金项 目： 本课题为水利部公益性行业科研专项经费项目( 基金编号： 2 0 1 2 0 1 0 3 7 ) G一 一 G 注浆孑 L 周围的密集钢板影响，进行数据的采 集 。选用 的面波仪 ， 高截 频和低截频 分别 为 ： 4 0 0 0 H z 和 3 0 H z 固有 频率为 ： 1 0 0 Hz 。选择 距 离孑 L 口 l r n的位置进行采集 。 4 1 数据 采集 利用实验 可以获得 注浆之前 和注浆后 的 面波 、 雷达数 据 ， 将平 台在注浆凝 固 7 2 h之 后 移 走 ， x ,t N线 方向 上表 面凹陷部位 深度 、 范围 等进行统计 。 4 2建立综合评 判模 型 ( 1 ) 构建 因素 集 。因浆 液中还有 砂子 ， 所 以与水接触 面 、 内部 均会 产生反射现象。以注 浆前后，雷达信号和面波反演在注浆层空间 内的变化量作为元素， 进行因素集的构建。 雷达信号 强度对注 浆密实度产 生的影 响 及关 系 设定砂 子的直径均为 r 且整齐排列 ， 砂子 占浆液体积比为 w ， 密实度为 k ， 取 出体积为 r X d h的一部分。注浆之前 的反 射信号为 0， 注 浆之后 冈砂子表 面反射 ，设定 反射系数为 R， 一 ： r 介质 2 ! l l 入射波强度为 P 。因选择的体积较小， 假设传 播过程中 P 不会改变，设定反射信号强度变 化为 d P ， 如式( 2 ) 。表明注浆区域内的反射信 号强度和注浆密实度之间存在正比的关系。 = 如 ( 2 ) 面波速 度变化对 注浆密实度 产生的影响 及关 系 ： 本次采用 剪切 波( 横波反 演 ) ， 提高注 浆密实度会增大反演后的波速 ， 大致可以认 为 是线性关系 。 ( 2 ) 建立权重集。基于实验 I例的各条测 线均采集样本 1 个， 构建观测样本矩阵， 并进 行标准化处理 ， 对指标数据相关 矩阵 r 及其特 征根进行计算， 判定主成分 ， 获得权重矩阵。 雷达探测结 果和 面波反演结果分 别占据 了主 要和次要地位 。 ( 3 ) 建立评 价集 。依 据一定空 间内 ， 混凝 土浆液 占据的 比例分 为 I( 密实度 9 0 ) 、 ( 7 5 9 0 之 间 ) 、 ( 5 5 7 5 之间 ) 、 IV( 密 实度 5 5 ) 4个等级的评价集 。 ( 4 ) 单因素模糊评判。依据第一次模型试 钢筋 铺l 鞠 I 土 警 裔 躔浆 攫 鳓 | 打 地璧 图 1 谈地雷达应用原理 图 2 实验模型结构剖面图 试验 I I 。 K 、 k t 柏 m 坡璃理察窗 潮拽 图 3 测线及观察窗布置图 图 4检测结果与综合评判图 验得知雷达强度信号最大和最小分别为6 5 5 0 0 和 8 0 0 ；面波反演速度差的最大和最小 分别 为 5 5 0 0和 4 0 0 。依据 上文的线性关系及密实度具 体数值进行计算， 获得单因素评判集。 ( 5) 构建雷 达信 号强 度变化 量( U1 ) 和 面 波反演速度变化量 ( U 2 ) 4级评价标准 的 4个 隶属度 函数 。 ( 6 ) 综合评判。 依据前面分析计算获得试 验模 型权重集 A、 因素集 U、 评判集 v、 隶属度 函数 及聚类 中心值 。对 应隶属度 函数进行计 算， 获得模糊关系矩阵 R ( 2 4 ) 。模糊复合计 算模糊关 系矩阵 R与权重集 A： B = A M( 。 ， + ( 3 ) 式 ( 3 ) 中 Mr ， + ) 代表 A和 R需要先进行 点乘运算 再进行和运算， 最终获得基于评判 集各指标的待评定指标值 的隶属度矩阵 ， 归类 评判标准为最大隶属度。 5结果 和分 析 本次采用 l l 窗口的平均值来代替待处 理对象 ， 选择模拟试验 中的一 条测线分析 。借 测结果如网 4所示。 图 4中 A表示 雷达检测 的剖 面图 ，注浆 后 因碎 石反射 ， 反射信 号 5 现显著增强 ， 上表 面存在了多处较弱的反射区， 下表面也有一部 分。试验中注浆空间相对较小 ， 具有较好的浆 液流动性，并不会发生底部填充不密实现象， 并不能以此作为判定依据。 B 表示面波波速反 演 的剖面图 ， 注浆后 出现了显著的变 化 ， 从上 到下渐大， 符合实际情况。c表示依据综合评 判计算获得的结果。表面附近位置等级低 下 半部分m现了较高的等级，符合实际情况， 结 果中也准确反映 了实际中存在的 凹坑 。 D表示 将实验平台移走之后统计 的 4个凹坑。 通过对 1 2条测线 密实度情 况进行统 计研 究分析 ， 发 现采用此种方法进行研究 ，伴随直径的减小 ， 也会同时减小识别率 ， 表 明此项方法不适用于 对z l , L 洞进行识 别。综 上所述 采用模糊综合 评判法可 以对 水利： 【 ： 程 中混凝 土密实度进 行 有效的判断。陕西 水利 参考文献 【 1 】 梁惕平 超 声波检 测混凝 土构件 内部 缺陷数 据处理研究【 D 】 江西理工大学， ( 2 0 0 9 ) 【 2 1 涂 忠仁， 汤柯， 张 山全 瑞利 面波理论及 其在 地基处理 中的应用 f ：glJ 西部探 矿工程 2 0 1 0 ( 1 (1 ) ： 3 3 3 4 ， 3 8 【 3 1 胡 少伟， 陆俊， 牛志 国 高速地质 雷达在 隧洞 混凝土衬砌质量检测中的应用lJ 水利水运工 程 学报 2 ( 1 f l ( 2 ) ： 1 6 ( 责 任编 辑 ： 周蓓 ) B D