冲击回波法在箱涵混凝土损伤检测评价中的应用

刘志军 何兰超 夏世法 王荣鲁

20世纪80年代美国国家标准局（U.S.National Bureau of Standards（NBS））发明了冲击回波法，它是一种对混凝土及砖石结构进行无损评估的声学方法。1997年12月，美国材料测试协会（ASTM）发布了题为“用冲击回波法测定P波速度和混凝土板状结构厚度的标准方法[1-3]。最近10年来，利用冲击回波法检测内部缺陷和测量薄板的厚度，也逐渐在中国水利、交通、桥梁等行业开展科学研究和工程应用，目前已列入SL 713—2015《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》。

冲击回波法主要用于检测混凝土裂缝、空洞或分层的定位，以及混凝土板的厚度或检测后张预应力灌浆孔道中的空洞。冲击回波法确定结构厚度的方法对结构没有损伤，而且只要条件允许就可以提供足够多的厚度数据。

水工混凝土结构无损检测和安全评估工作中经常采用弹性波（如声波、超声波）波速来评价混凝土的强度、质量分布和内部缺陷等。弹性波纵波（P波）波速与混凝土的强度和弹性模量之间具有比较好的相关关系，但不同混凝土的P波速度和强度之间的关系是不同的[4-7]。对于重要混凝土结构，为保证无损检测结果的准确性，比较可靠的方法是采用现场钻取芯样或在试验室内制备混凝土试件，通过确定其强度和P波速度之间的相关关系建立工程专用弹性波波速评价曲线。本文将结合我国某大型调水工程中由于暴雨导致不同箱涵上浮引起混凝土挤压破坏的工程实例，通过冲击回波法检测挤压箱涵混凝土的质量，同时结合钻孔取芯、瞬态表面波等其他检测评估手段，建立相关关系，综合判断箱涵混凝土损伤后的真实状态，科学评估混凝土质量，为后期修补加固和安全运行提供科学依据。

1 基本原理

冲击回波法是针对在只有一个可测临空面的情况下对混凝土板内部的缺陷和质量进行检测。测试原理是通过用打击锤在结构物的表面进行瞬时冲击，产生应力脉冲并激发结构物内的弹性波，弹性波在结构物的底面和顶面之间来回重复反射。将所得到的冲击响应通过信号处理方法和快速傅里叶变换（FFT）等频谱技术，获得该冲击响应中各频率成分的振幅分布图，即频谱图（如图1、2所示）。频谱图中最高峰值为弹性波在结构物的底面和顶面之间来回重复反射形成的振幅加强所致，对应P波的波长为板厚的2倍，频率为板厚度频率（或卓越频率），因此，可通过下式来测定结构物波速：

图1 冲击回波法测试混凝土板示意图

图2 250 mm厚基础混凝土板典型时间域测试波形和振幅谱

由式（1）可知，在已知混凝土板厚度的情况下，通过测定P波的板厚度频率（或卓越频率），即可获得 P波在混凝土板中传播的速度vP，Plate，而 vP，Plate与混凝土的强度之间存在很好的相关关系，因此可以评估混凝土的质量。vP，Plate和混凝土强度之间的关系可以通过现场取芯或室内试验来建立。

冲击回波法还能够测定缺陷的大致位置。当混凝土中存在缺陷时，弹性波将在缺陷和结构顶面之间重复反射。利用相同原理可以推算出缺陷至结构顶面的距离T。从检测原理上看，冲击回波法检测混凝土板内部质量需要有一个可测临空面，而且板的底面有比较明确的弹性波反射条件。

2 工程应用

2.1 工程概况

某大型调水工程，采用有压箱涵输水型式。箱涵顶板与边墙设计厚度55 cm，中墙设计厚度45 cm，设计强度等级C30。工程施工中突降暴雨，导致箱涵周边挡水土埝被积水冲毁，大量外来水裹挟着淤泥质砂壤土涌至未回填箱涵部位，造成箱涵浸泡，泥水浮力作用致使混凝土箱涵出现不同程度的上浮。其中，沉降最严重的箱涵，伸缩缝处最大上浮高度为96.7 cm。箱涵节与节之间出现上下错台、左右错位现象，伸缩缝两侧混凝土受到挤压可能产生破坏。

经检查，现场由于箱涵节与节之间出现上下错台、左右错位现象，导致伸缩缝变形破坏明显，大多数伸缩缝内密封胶出现开裂、鼓起、挤出现象；侧墙与顶板处伸缩缝两侧附近混凝土局部出现开裂、鼓起、脱落现象，其中以箱涵内部的侧墙与顶板两仓混凝土接缝处混凝土挤压破坏现象最为明显。

本次检测评估中，箱涵顶板具备这两个条件，而且厚度均匀（0.55 m）。因此，冲击回波法非常适合于箱涵顶板混凝土内部质量的检测。

2.2 成果分析

本项目中检测设备采用从国外引进的混凝土冲击回波扫描检测系统。该系统利用滚动的传感器，连续接收自动冲击器产生的冲击回波。检测过程中数据的实时显示能够使检测人员对检测结果的可靠性进行初步的判断，以确定是否应对某条测线进行重测，大大提高了检测效率，并保证了采集到数据的准确性。另外，在冲击回波扫描检测箱涵混凝土时需要用到弹性波在板内传播的速度 vP，Plate，vP，Plate约为 vp3的 96%，计算结果见表 1。

表1 混凝土抗压强度与弹性波波速vP3

本次检测利用6个在箱涵顶板钻取并在试验室内加工成Ф100 mm×100 mm抗压试件的芯样，先测定各芯样试件的弹性波波速，而后对试件进行抗压试验，获得vP3和混凝土抗压强度之间的相关关系，如图3所示，测试数据见表1。

图3 芯样弹性波波速测试状况

由表1的试验结果可以推定，当顶板混凝土的P波在混凝土板传播的速度vP，Plate大于3 800 m/s时，混凝土的抗压强度将超过30 MPa。因此，在本次检测中vP，Plate=3 800 m/s作为冲击回波扫描检测的评价标准来判断内部混凝土的强度是否达到30 MPa。

由上可知，当P波波速vP3超过3 972 m/s（取混凝土泊松比μ=0.20，对应表面波波速vR=2200m/s），混凝土的强度可达30 MPa；当vP3超过4 400 m/s（对应表面波波速vR=2 460 m/s），混凝土的强度可达40 MPa。因此，在本项目中以此作为判断条件来评价箱涵混凝土的内部质量。

现场检测时，分别距离伸缩缝25、50、75、100 cm布置4条测线，对箱涵顶板16个典型测区进行了检测。同时在测线附近进行了外观检查，钻孔取芯和瞬态表面波测试。

2.3 检测结论

箱涵顶板16个典型测区冲击回波测线的检测结果表明，在橡胶止水带外侧布置的所有测线处，在输入vP，Plate=3 800 m/s条件下，测区布置的2条冲击回波扫描测线（距伸缩缝75 cm和50 cm）的计算厚度为50 cm左右，均小于实际厚度（设计厚度55 cm），由此推断弹性波在混凝土板内传播速度vP，Plate大于3 800 m/s，当前混凝土强度超过30 MPa。判断这些测线处混凝土强度超过30 MPa，内部质量较好，不存在严重内部缺陷。但是也可以看出，布置在距伸缩缝25 cm处的测线较其他3条测线明显不规则，混凝土质量较其他测线处的质量稍差一些。

钻孔取芯的芯样表观密实，无明显气孔和挤压破坏现象；瞬态表面波测试的波长25～40 cm范围内混凝土表面波波速基本上在2 200 m/s（换算P波波速3 940 m/s）以上。判断内部混凝土质量较好，强度在30 MPa以上。

箱涵顶板典型测区混凝土质量进行检测的结果表明，除部分测点处混凝土受到挤压可能存在损伤破坏外，其它测点处混凝土的内部质量总体较好。

3 结语

通过工程实践证明，冲击回波法具有突出的优点，冲击弹性波在传播过程中遇分界面反射与绕射的传播特性，与混凝土内部缺陷及构件厚度检测具有很好的相关性，通过对测试信号进行频谱分析，能计算梁、板等构件厚度并能有效识别其内部缺陷及位置。本文从检测原理及工程实例对冲击回波法检测损伤混凝土进行了阐述，可以满足实际工程检测精度要求，混凝土内部缺陷能够明显识别。如有条件，跟其他钻孔取芯法、瞬态表面波法等相互验证，可以更好地检测评估。该方法尤其适用于像箱涵这种封闭结构或只具有单一检测面的结构，具有较明显的工程应用及推广价值。