瑞利面波检测混凝土裂缝的方法研究

陈鑫，刘文慧，黄涛，柳叶，田子昊

（南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

1 国内外现状研究

在国民经济保持迅猛发展势头的今天，基础建设取得了长足发展，特别是以钢筋混凝土材料为主而建造的大型工程项目更是呈现出如火如荼的发展态势。造型简洁美观、功能完善的现代建筑为改善居民生活品质创造了有利条件，不过随着使用时间的增长，受各类因素的影响，混凝土结构势必会或多或少地出现不容忽视的缺陷，比如裂缝，若裂缝比较多或者继续发展，则会对建筑结构安全产生较大威胁，不利于保证居民居住安全，所以需要重视并强化对此类裂缝的定期、规范、严格检测，及时全面地了解裂缝发展情况，准确搜集各类重要参数，由此合理精准地评估裂缝危害性，为人们及时采取针对性补救方法和手段提供可靠依据。一直以来，人们主要采用有损检测法，此方法造价高，并且在检测过程中难免会对建筑体产生一定伤害。

在各相关技术持续发展且不断优化的今天，人们不断推出费用投入少、操作便捷且对建筑体伤害较小的新型裂缝检测技术，特别是超声波法，其优势明显，集中表现为指向精度高、环境适应能力强、传播能量高、操作灵活等。不过由于它无法检测深层裂缝，所以它只能对钢筋含量较少或者无钢筋的混凝土进行检测。

当前，瑞利面波法凭借着检测成本小、检测设备便于携带和操作、检测效率高、经济性强等一系列优势而备受人们青睐，现已在工程建设中得到大力推广和积极应用。

1.1 国外现状研究

1887年，Rayleigh经过研究发现了这种波，同时对其在弹性半空间介质中所呈现出来的传播特征进行了明确，因此，把这种表面波通称为瑞利波。国外于20世纪50年代由Jones首次将瑞利波法用于土木工程中。1950年Thomson、1953年Haskell[1]在进行广泛而深入地研究之后提出了多层介质中瑞利面波具有频散特性的论点，1961年John.E Jones[2]发表了《Rayleigh Waves in a Porous，Elastic，Saturated Soil》一文，他在 Biot理论的指导下展开了全面系统地研究，证实了瑞利型波切实存在。1964年，David.G Harkrider[3]发表了著名论文《Surface WaVes in multilayered elastic media》，正式拉开了多层介质中瑞利面波特性的研究序幕。

1.2 国内现状研究

我国针对瑞利面波而展开的研究不仅才刚刚起步，并且明显滞后于西方研究。1992年，夏唐代[4]等学者在汲取前人研究成果的基础上通过大家比较熟悉的解析法以及当时应用比较普遍的有限单元法对流体—固体介质中瑞利面波频散特性和位移变化特征展开了全面细致地分析，由此推导出了其频散特征计算表达式，同时提出了位移变化求解公式。1996年，夏唐代[5]等学者将目光聚焦于各向异性成层地基中的瑞利面波，对其所呈现出来的频散特性展开了深入系统地探讨。1998年，陈龙珠[6]等学者在饱和土弹性波动方程的研究基础上经过深入研究提出了饱和地基中波的频率特征表达公式，同时深入全面地探讨了瑞利面波传播特性和振动频率等相关因素之间的关系。2001年，凡友华[7]等学者依托柱坐标这一新方法推导出了层状介质中轴对称柱面瑞利面波的频散函数。

2 裂缝的成因

2.1 温度变化产生裂缝

混凝土热胀冷缩，所以在进行浇注时，会释放出较多的热量，其内部结构温度和表面温度势必存在一定差异，一般来讲，一旦其内部温度应力大于混凝土抗拉强度，即会出现温差裂缝。另外，大风、降雨等天气亦会使得混凝土的内表温度存在差异，由此引起裂缝。

2.2 不均匀沉降产生裂缝

由于地基受到建筑物荷载的不均匀性以及地层的不均匀性，所以其沉降无法保持完全一致，继而产生裂缝。

2.3 混凝土的收缩引起裂缝

人们通常将此裂缝细分为下述三类：

塑性收缩：水泥浆胶体固化为水泥石后会导致混凝土体积不同程度地变小，由此使其内部产生裂缝；

炭化收缩：混凝土在使用之后会通过一系列化学和物理反应生成碳酸钙，致其体积变小，从而产生裂缝；

缩水收缩：混凝土固化后，在进行水化反应时未被充分消耗的水分会随着日照强度的逐步增大而被蒸发干净，使得分布于空隙内的水产生张力，致其体积变小，从而产生裂缝。

2.4 钢筋锈蚀引起裂缝

如果钢筋发生锈蚀反应，由此而生成的锈蚀物即会致其体积变大，形成膨胀应力，继而引起裂缝。

2.5 冻胀引起裂缝

如果外部环境温度小于0℃，含水量较高的混凝土即会产生冰冻情况，体积膨胀，产生膨胀应力，从而形成裂缝。

3 裂缝的分类

（1）基于形成时间的顺序，人们一般将裂缝细分为三种即早期、中期、后期裂缝；

（2）基于发展情况，人们一般将裂缝细分为两种：一种是终止裂缝，另一种则是自行愈合裂缝；

（3）基于具体受力位置，人们一般将裂缝细分为梁板、墙体以及路面等多种不同裂缝；

（4）基于成因，人们一般将裂缝细分为三种即沉降、温度、塑性裂缝等；

（5）基于呈现形状，人们一般将裂缝细分为斜裂缝、水平裂缝、垂直裂缝等；

（6）基于形成频率，人们一般将裂缝细分为两种：一种是偶然裂缝，另一种则是通病裂缝；

（7）基于裂缝宽度和危害程度这两个指标，人们一般将裂缝细分为轻度、普通以及严重裂缝。

4 瑞利波的频散特性

瑞利面波在大自然中的存在形式主要有两种：一种是存在于介质的自由表面，另一种则是存在于介质表面呈明显疏松状的覆盖层中。此波的传播速度因介质不同而存在较大差异，具体来讲，在同性介质中进行传播的过程中，此波的相速度完全等同于群速度，但是在层状介质中进行传播时，两种速度势必存在一定差异，并且相速度会受到激励源变化的影响，而这即为瑞利波的频散现象。

5 瑞利面波法

5.1 内容

1887年，著名学者瑞利（Rayleigh）在汲取前人研究成果的基础上经过潜心研究预测了一种沿竖向指数衰减分布的面波。在此之后，大量实践证明了该面波的确存在于现实之中，业内人士直接将其命名为瑞利面波。另外，人们发现在自由表面半空间上，此面波不会出现频散现象，换言之，其相速度的变化特性不会受到频率的影响，如果此波分布在相对较为复杂的环境中，则会产生频散情况。瑞利面波的这个特性被人们发现后，通过地表采集和读取瑞利面波信号，极大扩展了其在地下结构探测领域的应用。

在均匀弹性半空间介质中进行传播时，可通过下述公式描述瑞利面波特性：

式中R表示瑞利波的相速度，已确定了纵、横波速度之比，即：

式（4）向人们清晰直观地反映了瑞利波速度VR对横波速度VS所产生的主要影响，K为校正系数，由泊松比σ决定。图1表示了P波、S波和R波与泊松比σ的关系：

图1 P波、S波和R波与泊松比σ的关系

根据以上分析能够了解到，面波于弹性分布较为均匀的半空间进行传播的过程中，其传播速度比较小，远不如纵波、横波速度。进一步我们得知瑞利面波的波速特点：

（1）相同介质中，波速：纵波>横波>瑞利面波；

（2）VR不会受频率变化的影响，而这即表明了均匀介质中瑞利面波不会出现频散情况；

（3）VR与VS的关系近线性，且若σ较大，VR≈VS。针对土质地基来讲，可将瑞利面波波速VR近似视为横波波速VS。

5.2 特性

（1）瑞利波在分层介质中进行传播时，其相速度极易受到频率的影响，能够随其变化而发生相应改变；

（2）瑞利波的传播速度会受到横波速度的影响，一般来讲，它会以一种比横波速度略低的速度进行传播；

（3）瑞利波的勘探深度与能量往往分布在大致相同的波长区间之中；其穿透深度会因波长不同而呈现出较大差异；

（4）瑞利波质点在振动过程中呈现出明显的椭圆极化振动特征。

6 结语

本文对瑞利面波检测混凝土裂缝的作用机制进行了基本论述，该方法在各国土木工程方面应用也更加广泛，它不仅费用低、应用面广，而且施工方式简单，对于裂缝的分辨度高。采用此方法时，技术人员可直接通过分析频散曲线的方式科学合理地推导出混凝土裂缝介质，以此为依据及时采取严谨有效的手段或者方法进行处理，不仅有助于规避检测过程中出现安全事故，还能够消除安全隐患，实现安全高效施工。