基于Rayleigh波法的浅埋混凝土基础无损检测方法研究

梁庆国　张兴森　梁世容　李君华

摘要：由于基础缺陷引起的事故日益增多，基础的安全性已经逐渐引起了相关部门的重视。然而，对于已有浅埋混凝土基础，常规的检测方法不但会对结构产生二次伤害，而且效率极低，不利于大规模的检测。文章提出了基于Rayleigh波法的浅埋混凝土基础无损检测技术，阐述了Rayleigh波法检测浅埋混凝土基础尺寸的原理，介紹了Rayleigh波法检测浅埋混凝土基础尺寸的流程，并通过对一浅埋混凝土基础模型进行检测试验，验证了该方法的有效性。

关键词：Rayleigh波;混凝土基础;无损检测

中国分类号：U416.06文献标识码：A

0 引言

浅埋混凝土基础在生产生活中十分常见[1-2]，由于该种类型基础具有埋深浅、体积小的特点，其完整性直接关系到整个结构的安全[3]。通过已有的倒塌事故发现[4]，其中很大一部分原因是基础的破坏。而基础的设计承载能力往往没有问题，主要原因还是基础本身存在缺陷，其中一个最主要的缺陷是基础尺寸不满足设计要求。例如，一些基础由于施工不规范，底部呈现球形，导致基础的承载能力大大降低，从而为事故埋下了隐患。因此，针对浅埋混凝土基础的检测已经越来越受到相关部门的重视[5]。这种基础大部分位于地下，目前对其进行检测只能通过人工开挖的方式，但是这种检测方式缺点十分明显，其不但会对基础产生二次破坏，还存在成本较高、效率低等问题，使得该方法不能满足大规模的检测需求。为了弥补现有浅埋混凝土基础检测技术的不足，迫切需要一种更加高效实用的检测方法。

Rayleigh波法是一种新的无损检测方法，具有操作方便、快捷、费用低以及测试结果准确、可靠性高等优点[6]，其已经被广泛地运用于路基质量、隧道开挖等无损检测中，然而，在浅埋混凝土基础中的研究和应用还未见发表。为此，本文将基于Rayleigh波法对浅埋混凝土基础无损检测技术开展研究，对Rayleigh波法测试浅埋混凝土基础的基本原理进行分析，形成基于Rayleigh波法的浅埋混凝土无损检测的测试流程，并通过试验方法来验证基于Rayleigh波法的浅埋混凝土基础无损检测方法的可行性。

1 Reileigh波法用于浅埋混凝土基础无损检测的基本原理

Rayleigh波是一种沿地表传播的弹性面波[7]，其具有如下特性：

（1）在不同的介质传播时，Rayleigh波具有频散特性;

（2）Rayleigh波的波速和介质的物理性质密切相关。

这两个特性为Rayleigh波在地质勘探中提供了充足的理论依据。其波动方程[8]如下：

从波动方程可以看出，Rayleigh波速度和其传播介质的密度、泊松比密切相关，基于Rayleigh波在不同介质中的传播特性和弥散特性不同的特点，可以通过在浅埋混凝土基础周围测试Rayleigh波的弥散曲线，然后通过反演，获得被测物及其周围物体的波速分布。由于浅埋混凝土基础一般为钢筋混凝土结构，而浅埋混凝土基础周围通常为岩石或者土，这两种材料特性均与基础存在较大差异，因此两种介质间就会存在明显的波速突变，通过波速分布图实现浅埋混凝土基础尺寸的确定。

由此可见，利用Rayleigh波法实现对浅埋混凝土基础尺寸的识别时，主要是利用浅埋混凝土基础和其周围介质的密度不同，以及Rayleigh波速度的传播速度与介质密度密切相关的特性。若人为地在被测基础附近施加一瞬时激振力时，必然会产生不同频率的Rayleigh波，在基础和基础周围介质传播后由布置在基础及其周围的传感器接收，从而根据位置和接收时间确定出不同的波速。假设为了接收长度为nΔx范围内的Rayleigh波，提前在该范围等间距Δx[WTBZ]布置n+1个检波器，则相邻检波器接收到的Rayleigh波间隔为Δt，相位差为Δ，则在任意Δx内的波速VR为：

通过式（4）和式（5），就可以在某一测量段得到不同频率的波速，即得到一条频散曲线VR-f，然后通过波速和地质条件存在关系，对频散曲线进行反演从而得到被测试范围内不同位置处的波速值。

在利用瞬态激振法进行测试时，相邻测点需要有足够的相位差，需满足：

在一次瞬时激发时会发出各种频率成分的地震波，而传感器也将接收到各种频率的信号，然后通过仪器进行逐个频点变更及相应的运算从而获得想要的结果。

2 检测方法

2.1 采集工作频段的确定

在采用Rayleigh波进行测试时，需要提前设置采集工作频段，因为不同的采集工作频段所反映的是不同深度处的地层特性。Rayleigh波有效探测深度H和波长λR的关系采用改进的等效半空间法表示，即H、λR和转化系数β的关系为：

由式（8）可知波长短的反映的是浅层特性，波长长的反映的是深层特性。而对于浅埋混凝土基础一般埋深较小，因此一般为短波长。β与被测物体的泊松比μ直接相关[9]，如表1所示。

根据表1采用指数进行拟合得到β与μ的关系如下：

通过指数拟合，相关系数的平方和为0.996，因此可以采用上式计算任意泊松比下的波长深度转化系数，如图1所示。

通过式（11），就能根据测试基础的实际情况设置合适的采集工作频段。

2.2 检测流程

在基于Rayleigh波法进行浅埋混凝土基础尺寸确定时，主要包含五个步骤，分别如下：

（1）Rayleigh波探测的工作频段确定

浅埋混凝土基础一般埋深在3～8 m，因此可以把探测深度范围H取为0.5～10 m，土的较低波速取为100 m/s，混凝土的波速上限取为3 000 m/s。因此，通过公式（11）得到Rayleigh波探测的工作频段应为6～4 700 Hz。

（2）基础测点布置

根据设计资料确定出浅埋混凝土基础的外轮廓。一般将浅埋混凝土基础的外轮廓往外扩2 m形成检测范围，在检测范围内布置多条测线，相邻2条测线的距离范围为0.1～0.3 m。

（3）数据采集

在检测范围外选取一个激发点，在激发点处产生激振信号并通过采集系统采集各个测点的Rayleigh波信号。激发点设置在距离最近测点5 m处，多次在同一点进行激振，也可以设置多个采集器以及与测点数量匹配的检波器。根据采集到的各个测点的Rayleigh波信号，得到各个测点不同深度的Rayleigh波速度。

（4）数据计算、分析

基于各个测点的Rayleigh波速度得到各测点的Rayleigh波速度-深度曲线，并根据检测范围建立的x、y平面坐标系得到各个测点的坐标值，找到同一测线上相邻2个测点同一深度的速度值，通过线性插值的方式得到各条测线下的速度分布云图，进而获得整个检测范围内三维的Rayleigh波速度分布云图。

（5）基础尺寸

根据Rayleigh波速度分布云图确定出浅埋混凝土基础的Rayleigh波速度，进而在Rayleigh波速度分布云图中确定与基础的Rayleigh波速度相吻合的范围，通过该范围得到基础的轮廓，进而确定出基础的尺寸。

3 试验验证

某钢筋混凝土基础模型尺寸如下：长和宽均为0.4 m、高度为1.75 m，采用C25混凝土预制。采用先模板预制基础，然后成孔吊装，接着回填土形成最终的浅埋混凝土基础。

将基础的正方形中心设置为坐标原点，采用石灰和皮尺在基础周围等间距地布置测线1至5，其中测线3与x轴重合，相邻2条测线间距为0.3 m，在每条测线上等间距地布置5个测点，同一测线上相邻2个测点间距为0.3 m，用石灰做上标记。测点编号为：测线号-测点号，如1-2表示测线1上的2号测点，该测点坐标为（-0.3，0.6，0）。激振点布置于离5-1测点5 m位置处（如图2所示）。

3.1 数据采集和传输

（1）连接采集系统，打开采集器和无线传输DTU，设置Rayleigh波探测的工作频段为6～4 700 Hz;

（2）将4个检波器分别放置于1-1～1-4号测点，采用激振器在激振点处产生激振信号;

（3）采集器进行数据采集，采集时间持续10 s，数据将自动传送到云端进行存储;

（4）该批次采集完成后，将检波器按顺序移动到下一测点，重复步骤b和c，直到所有测点完成采集。

3.2 数据分析

（1）数据采集完成后在就能在云端调取各个采集点沿z轴的波速分布（如图3所示），图中仅列出1-1、3-2、3-3、5-3測点的波速分布。

（2）通过公式（11）可以分别获得测线1至5的x-z二维分布云图，如3号测线的波速分布如图4所示。由于Rayleigh波速度在不同介质中传播速度不同的理论依据，基础与其周围的土体性质存在差异，导致Rayleigh波速度不同。从图4的速度云图可知，区域2的速度分布与区域1的速度存在较大差异，而区域1内的速度分布从中心向两侧渐变，因此可以判定区域1是浅埋混凝土基础的速度分布，区域2是基础两侧的土体中的速度分布，因此从区域1可以识别出该基础的长为0.38 m，埋深（高）为1.73 m。同理，可从云图中提取Rayleigh波速度的y-z二维分布云图，进而识别出基础宽度为0.38 m。

通过试验可知：识别出的长、宽和高的误差分别为5%、5%和1.1%，误差较小，满足检测要求。

4 结语

本文进行了基于Reileigh波法的浅埋混凝土基础尺寸无损检测技术研究。试验结果表明，通过本文方法检测出的模型尺寸与实际尺寸吻合较好，偏差在工程允许的范围，证明了本文提出的基于Reileigh波法的浅埋混凝土基础尺寸无损检测是可行的。

参考文献：

[1]刘万鹏.浅埋式钢筋混凝土基础施工技术探讨[J].黑龙江科技信息，2013 （26）：202.

[2]吴 超，李德建，宁夏元，等.浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥桥墩防撞安全性评价与加固技术研究[J].铁道科学与工程学报，2013，10 （51）：23-27.

[3]李 伟，易黎明，王四秀.一种输电线路铁塔基础原位加固处理方法[J].电力勘测设计，2013（2）：65-69.

[4]梁世容，彭家宁，边美华，等.桥梁结构监测技术在输电杆塔结构风致响应监测中的应用[J].西部交通科技，2017（3）：63-66，106.

[5]王年孝.输电杆塔基础的灾变监测与预警系统研发[J].机电信息，2015（36）：94-95.

[6]胡家富，段永康.影响面波勘探精度的因素探讨[J]. 地震研究，2000，23（3）：333-338.

[7]田文泽.基于Rayleigh波法的路基夯实质量检测研究[J].公路交通科技（应用技术版），2011（5）：79-85.

[8]杨成林.Rayleigh波法勘探原理及其应用[J].物探与化探，1989，13（6）：465-468.

[9]陈振寿.数字化面波仪在软弱层探测中的试验研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.