冲击弹性波定位法在预应力孔道注浆中的应用

景明成 丁文海 林燕生

摘  要：预应力混凝土梁因其经济性和安全性在桥梁工程中得以广泛应用。其中孔道注浆密实度在很大程度上决定了预应力混凝土桥梁的承载力和耐久性。本文通过分析现有无损检测方法，并结合冲击弹性波的多种检测方法，如：冲击回波法、冲击回波等效波速法等，进行预应力梁孔道注浆密实度的定位检测并评价分析。同时，依托实际工程，进行现场验证，分析其优缺点并提出解决方案。结果表明该方法，在对预应力孔道注浆检测试验中，效率高、精度好，为预应力桥梁的检测提供了有效、可靠的检测方法。

关键词：冲击回波法;冲击回波等效波速法;冲击弹性波法;超声波法

中图分类号：U445.57  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

预应力混凝土结构在公路桥梁建设中的应用飞速发展，其应用范围扩大到轻轨建设、高层建筑、基础工程等新领域，所以对预应力结构孔道注浆质量要求非常严格。而目前国内外尚无相应统一规范因此造成实际使用方法良莠不齐，难以辨识其精度和准确性。现针对工程中常见的无损检测方法进行介绍，并通过理论与实践结合详细分析冲击弹性波法在预应力孔道注浆密实性检测中的应用原理和优势。

1 常见无损检测方法对比

现有注浆密实度检测，国内外研究人员开发了多种方法。按测试所采用的媒介来分，大致可以分为：

1.1 钻芯、钻孔检测

钻芯、钻孔由于其客观性强、准确性高、快速直接而无法替代。但该方法属于局部破损检测方法，由于其工作量大、效率低、费用较高、容易对预应力钢束造成损伤破坏结构等因素，无法大面积的检测，常用于作为无损检测方法或者对有疑问的位置进行验证的辅助手段。

1.2 基于电磁波的检测方法

地质雷达无损检测技术在工程地质勘查、隧道衬砌检测、路基路面检测等区域广泛应用。其基本原理是利用电磁波反射，因此其具有精度高、检测速度快，可以直观出图等优点。但由于其受金属屏蔽作用影响，对于桥梁大部分位置钢筋密集、双层钢筋，而且如波纹管为金属材料，探地雷达受金属影响较大的无法有效应用该方法。

1.3 基于超声波的检测方法

超声波法非金属试验，目前在桩基里应用较多，其主要利用材料的阻抗差异进行测试。梁的孔道结构尺寸较大，需要从板的两面对测，而且需要耦合，因此作业性差，效率低，难以实用。另外，因超声波频率更高，对于微小的混凝土内部缺陷也比较敏感，更增加其测试难度[1]。

1.4 基于放射线的检测方法

根据该方法判明的注浆空洞大小和位置，与梁体局部解剖结果一致。但射线成像法使用的仪器较为昂贵，且对人体有害，在检测时需要确保一定的安全范围，但其穿透能力有限，虽结果直观、准确，但在实际工程中可行性较差。

针对其他无损检测方法的局限性和适用性，本文提出基于冲击弹性波的检测方法：冲击弹性波的基本性质与超声波类似，但由于其能量大、频率低、透过性好，可测试大体积结构，受钢筋等影响很小，并适合于频谱分析，同时填补了雷达和超声法的局限范围，因此在土木检测工程中得到广泛应用。对于预应力孔道注浆密实度检测，沿孔道位置在侧壁进行逐点敲击，通过回波进行分析，便可快速得出结果。因此具有其他各方法所无法代替的优势。该方法也被认为是最有前景的方法。

2冲击弹性波定位检测法

2.1测试原理

定位检测是利用人工激发的弹性波在不同弹性力学介质中传播规律的不同，研究对应介质的物理结构、力学性质的一种间接物理测试方法[2]。该方法基于弹性波运动学原理，利用多向介质弹性和密度的差異，通过观测和分析评价对象对人工激发弹性波的响应，推断响应介质的性质和形态。定位检测包括三种分析方法：（1）激振的弹性波在缺陷处会产生反射，即冲击回波法;（2）激振的弹性波经过缺陷时，从梁板对面反射回所用时间比灌浆密实的位置长[3]，其等效波速变慢，即冲击回波等效波速法;（3）当激振信号产生的结构自由振动的半波长与缺陷的埋深接近时，缺陷反射与自由振动可能产生共振的现象，使得自由振动的半波长趋近于缺陷埋深，即冲击回波共振偏移法。

上述三种方法均采用同一数据和同一频谱分析，仅在云图判读上有所不同。一般而言，IE法是基础，适合于径深比加大的情形。IEEV法适合于壁厚较小，底部反射明显的情形。而IERS法则相反，适合于壁厚较大，底部反射不明显的情形。

2.2检测方法

沿孔道轴线的位置，以扫描的形式逐点进行激振和接收信号。通过分析激振信号从波纹管以及对面梁板侧反射信号的有无、强弱、传播时间等特性，来判断测试点下方波纹管内缺陷的有无及类型。

3 应用难点和解决方案

3.1应用难点

根据预应力孔道注浆工艺，因浆料自重等问题，孔道的高处最容易出现问题。而且因施工时振捣等问题，有可能使波纹管位置发生变化，从而导致后期检测时无法准确定位孔道，增加检测难度。

对于预制箱梁，其底板可能为双排孔道，或者整体厚度较大，类似于现浇梁的情况，即整体梁板厚度大于0.8米，而且可能有多孔道并排。这样常规的冲击回波法可能因尺寸过大，无法看到板底有效反射，而且多孔道如果存在注浆缺陷无法区分判定。

在交通工程中，孔道主要采用两类波纹管，即铁皮和PVC波纹管。尽管PVC波纹管在与混凝土间粘结性能等方面要低于铁皮波纹管，但由于其施工方便也有广泛的应用。由于阻抗的关系，两类波纹管对弹性波的反射不同，从而对灌浆密实度缺陷的检测也有一定的影响。

3.2解决方案

（1）定位测试中等效波速法。该方法常用于壁厚较小，底部反射明显时。即当存在灌浆缺陷时，弹性波波线（或部分）传播距离增加，时间延长。

对于位于梁中央的全空管，在其中心投影点激振，其从对向反射回来的最长和最短路径分别为：

若不考虑波纹管材质的影响，则在典型工况下，全空管造成的等效波速的滞后为（如表1）：

对于局部缺陷（如半空），测试方向的影响很大。若从上、下方向测试，半空管的反应与全空相同。而从水平方向测试，则半空缺陷造成的等效波速的滞后要小于全空。因此，即使灌浆缺陷仅为局部，或者测线不在缺陷的正上方也可进行判定[4]。

（2）定位测试中共振偏移法。该方法常用于现浇梁壁厚较大或者多个孔道并排的情况。只需设置孔道埋深和波纹管直径，用于分析孔道上方自振周期。对于通常的预应力混凝土梁（C50），各激振锤得到的弹性波自振周期大约为（如表2）：

因此，在孔道上面测得的自振周期与灌浆密实部位或混凝土中测得的自振周期有所变化，且其对应反射深度与孔道埋深接近时，表明孔道灌浆有缺陷。

当测试结构厚度较厚，难以采用等效波速法时，可采用本方法。其中，激振锤的选取十分重要，应尽量选取与孔道埋深相对应的激振锤，使得激发的弹性波频率与孔道的反射频率相近却又不完全相同，此时的测定效果最为理想[5]。

（3）定位测试中波纹管类型的优化。根据弹性波的反射理论，机械阻抗的变化[6]决定了反射信号大小和相位（如图1）。铁皮管壁、PVC管壁、混凝土、缺陷的阻抗的大小顺序为：铁皮>混凝土>PVC>缺陷空洞。因此，铁皮波纹管处对弹性波是逆向反射，PVC和缺陷则是正向反射。由于管壁很薄，会出现铁皮波纹管的反射和缺陷处的反射互相抵消，而PVC与缺陷的反射则是相互增强的现象（如表3）。

所以，不能仅凭缺陷处的反射信号的强弱来判断，而是要结合等效波速法，即梁板对面反射信号的传播时间进行综合考虑。

4 检测应用

4.1灌浆检测实例一

对在建公路大桥预应力梁进行灌浆密实度缺陷定位检测。测试孔道壁厚为20cm，测试采用17锤及带阻尼控制装置的传感器。

首先采用逐点线性测试密实孔道或无孔道位置的混凝土，测试等值线云图（如图2）所示，横坐标为反射时间或对应厚度，纵坐标为测试长度，暖色表示反射信号，色彩越暖即越偏向红色表示反射信号越强。可见标定信号规则，梁板对面反射信号明显，测试厚度与实际厚度基本一致，即测试反射时间与实际厚度反射时间基本一致。以此作为判定标准，并以蓝色标线表示。

图2 定位标定图

对灌浆质量未知的孔道位置进行定位检测，（如图3）左所示，反射信号相较于标定线明显出现延迟偏移，可判定该测试段存在灌浆质量缺陷。钻孔验证如图6右所示，孔道波纹管内仅有少量灌浆料。

4.2灌浆检测实例二

对公路桥梁在建项目进行灌浆定位检测。30米箱梁，塑料波纹管直径55毫米，梁体和灌浆料强度为C50。每个孔道从距端头0.1米开始测试，间隔0.2米测试一个点，梁端起0.1米至2.7米腹板厚度为0.3米渐变至0.18米;梁端起2.7米至3.7米腹板厚度为0.18米。

首先进行线性标定（如图4），反射信号云图明显展示了梁板厚度渐变特征，且信号规则。

对灌浆质量未知的孔道位置进行定位检测，（如图5）左所示，反射信号相较于标定线明显出现延迟偏移，判定该测试段存在灌浆质量缺陷。钻孔验证（如图5）右所示，孔道波纹管内灌浆不饱满或存在松散现象。

4.3 定位灌浆质量的评价

灌浆质量检测目前没有正式颁布的行业标准，虽然有山西、福建、浙江等地颁布的地方标准，但各标准对定位检测最终评价并不统一。在课题组所处的甘肃更是没有地方标准，鉴于此课题组在大量试验的基礎上，并参考已颁布的地方标准，提出灌浆质量定位评价标准[7]。利用定位测试中缺陷的比例，即灌浆密实度指数来对孔道质量进行评价。

其中：为定位测试的点数：为测点的灌浆状态，即良好：1，小规模空洞或松散型空洞：0.5，大规模空洞：0。

采用灌浆密实度指数时，要注意测点选取位置以及测点数的影响。在实际测试中，可以对孔道全长进行检测，也可以对易于出现缺陷的区域进行局部抽检。显然，对孔道全长的检测得到的会低于局部抽检得到的值，因此，当采用局部抽检对孔道全长进行评价时，应做相应的修正。

5 结语

冲击弹性波定位检测方法在实际检测中只需一个侧面，可以不使用耦合剂，现场只需对孔道定位即可快速测试。而且在孔道出现偏移、更换波纹管材质时均可进行检测，大大提高了应用范围。另外因一般检测对混凝土要求较高，需保证混凝土质量相对较好，否则混凝土中缺陷对结果影响较大。而冲击弹性波定位法因其频率低、波长较大、能量大，相对其它方法受混凝土的影响更小，有利于对真实情况进行判断。

根据现场不同结构情况，采用不同的方法进行分析。对于一般预制梁，因其壁厚小、单排孔道，直接用冲击回波和等效波速法进行分析，并可以用波速和频谱分别判断评价;而现浇梁中壁厚大、多排孔道等情况，通过共振偏移法判断其自振周期也能快速进行分析。

通过施工现场大量预制梁和现浇梁的反复测试验证，配合现场标定，均能很好的测试判断出灌浆缺陷，并可以满足施工控制要求精度，也根据缺陷情况进行梁体的灌浆质量评价。为预应力梁的施工质量控制提供了快速、准确的无损检测方法，对运营中桥梁的安全行车给予安全保障。

参考文献

[1]刘洋希.基于冲击回波法的预应力孔道压浆质量检测[D].长沙：湖南大学，2013.

[2]杨超，季文洪.后张法预应力混凝土梁的孔道压浆研究[C].预应力上海论坛学术论文集，2009：284-289.

[3]周先雁，栾健，王智丰.桥梁箱梁孔道注浆质量检测中冲击回波法的应用[J].中南林业大学学报，2010，30（10）：78-82.

[4]山西省交通科學研究院，桥梁预应力孔道施工质量隐患无损检测方法的应用研究[R].山西省交通运输厅科技项目报告，2014.01.

[5]吴佳晔，张志国，高峰编著.土木工程检测与测试[M].高等教育出版社，2015年2月.

[6]杨海林.冲击回波法检测预应力孔道注浆的应用研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2014.

[7]叶见曙，张峰.预应力混凝土连续箱梁调查研究报告[R].东南大学交通学院桥梁与隧道研究所，2004.

收稿日期：2019-10-12

作者简介：景明成（1976—），男，甘肃民勤人，本科，副高级工程师，研究方向：公路工程试验检测及新技术。

Application of Shock Elastic Wave Location Method in Prestressed Duct Grouting

JING Mingcheng，DING Wenhai，LIN Yansheng

（Gansu Road and Bridge Engineering Inspection Co. ， Ltd.， Lanzhou  Gansu  730050）

Abstract： Prestressed concrete are widely used in bridge engineering because of their excellent economy and safety. Among them， the hole grouting density determines the bearing capacity and durability of the prestressed concrete bridge to a great extent. In this paper， the existing non-destructive testing methods are analyzed， and several testing methods of shock elastic wave， such as shock-echo method， shock-echo equivalent velocity method， etc. ， the location detection and evaluation analysis of grouting compactness of the pre-stressed beam hole are carried out. At the same time， on the basis of actual projects， field verification， analysis of its advantages and disadvantages and proposed solutions. The results show that this method has high efficiency and high precision in the grouting test of pre-stressed tunnel， and provides an effective and reliable test method for pre-stressed bridge.

Keywords：Shock Echo method;Equivalent wave velocity method of shock echo;Shock wave method;Ultrasonic method