相控阵超声成像法检测底板混凝土缺陷的方法探究

2023-10-11余晓飞

广东土木与建筑 2023年9期

余晓飞，陈韦

（广东省建筑科学研究院集团有限公司广州 510500）

0 引言

地下室上浮的形式主要有局部抗浮失效、局部整体抗浮失效、整体抗浮失效［1］。不同形式的抗浮失效会影响结构的正常使用甚至整体安全性，如地下室柱受剪破坏、变形，顶板梁端部开裂，围护构件斜向开裂、抗拔桩失效、底板开裂受损等。

地下室柱、梁、围护构件较容易检测检查，可以直接分析受损成因和评估受损程度。而地下室底板由于只有一个检测面（另一面为迎水面），无法采用超声透射法对地下室底板进行检测，且仅仅通过检查底板表面的裂缝也无法准确掌握其真实的受损情况，而大面积的底板破损工作量太大且有可能对底板产生二次破坏，因此底板的检测条件相对困难。当前，对地下室底板混凝土缺陷检查，可以采用无损的检测方法，如雷达扫描法、相控阵超声成像法；也可采用直接检测的方法，包括闭水目测法和局部破损法。张树风等人［2］研究表明采用探地雷达方法对混凝土结构的空洞类缺陷探测在通常情况是有效的，能较准确判断其内部是否存在缺陷。而张晋峰等人［3］研究表明阵列（相控阵）超声法比电磁波雷达法更能准确确定混凝土结构内部缺陷的位置及大小。

本文研究将相控阵超声成像法应用于地下室底板现浇混凝土缺陷检测的可行性，并结合雷达扫描仪、钻芯验证，对地下室地板受损的原因进行定性分析，提出相应的处理建议，为类似工程的检测与鉴定提供参考案例。

1 工作原理

相控阵超声成像法检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射（或接收）脉冲的不同延迟时间，改变声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，可实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦、成像，从而反映测试对象内部的缺陷情况［4］。其工作原理如图1所示。

图1 相控阵超声成像仪工作原理Fig.1 Inspection Schematic Diagram of Phased Array Ultrasonic Imaging System

2 技术特点

相控阵超声成像法可实现单面区域连续扫描，且使用非藕合声波接触技术，无须使用任何藕合剂［5］。该方法克服混凝土结构中钢筋影响，对混凝土缺陷更为敏感，可识别钢筋与缺陷；具有成像数据处理技术，准确定位缺陷位置和范围，结果直观。

根据相控阵超声成像法的技术特点，可以将此技术扩展应用于检测地下室底板现浇混凝土的内部缺陷，且该技术的检测范围为检测面以下600 mm 内，基本可以覆盖不同的底板板厚。

地下室底板属于大体积混凝土结构，其混凝土强度的离散型较大［6］，当使用相控阵超声成像仪测试不同底板构件时，声波在混凝土传播的速度存在差异性，从而导致成像分辨率（波形图）相差过大而影响整体判断。因此测试不同底板构件前应采用幅度变迹调试。对于阵列换能器，发射变迹可通过用不同幅度的电压来激励各个阵元来实现，接受变迹通过在接收时对不同通道的回波信号进行不同的加权来实现［7］。

影响相控阵超声法的精度的另一个因素是底板构件表面的平整度。因此测试前应对混凝土表面进行平整度处理，使测区表面为混凝土原浆面且不应有积水［8］。

3 测试数据准确性验证

在环境条件良好、确保构件混凝土表面清洁、平整的情况下，对实际工程中某个发生上浮事故的地下室底板采用相控阵超声成像法检测底板缺陷，并对采用手持雷达仪扫描、钻芯法检查的结果进行了比较，同时也进行了复测自校。该地下室个别柱脚与底板交接处存在开裂渗水情况，委托方怀疑其他区域的底板内部存在类似缺陷。根据设计图纸及现场施工资料，该地下室底板厚度为300 mm，为超声成像仪、手持雷达仪的测试量程范围内；底板混凝土强度等级为C35，采用双层双向贯通+承台位置附加筋的钢筋布置形式。本次抽检数量为20 个，手持雷达仪扫描、钻芯法检查的操作方法如下：

⑴手持雷达仪检测。采用雷达仪对超声成像法测试的底板部位进行扫描，通过扫描的图像与超声成像法测试结果进行对比。

⑵钻芯法辅助检测。采用钻芯法在选定部位钻取芯样、并拍照记录，检查地下室承台混凝土是否存在分层或其他缺陷等，钻芯深度应大于底板厚度。

针对同一个底板构件，各种方法的检测结果如图2所示。

图2 各种方法的检测结果Fig.2 Test Results of Various Methods

由图2⒜、图2⒝可知，试验底板的图像在板面以下12 mm 处存在颜色突变，超声波信号反射明显平均高于其他部位，初步判断其为疑似缺陷位置，并对底板进行钻芯验证，芯样长度大于图像颜色突变深度。验证结果表明，超声成像法结果与其他方法一致，复测自校过程中发现构件内部缺陷的情况与位置基本相同，验证结果详见表1。

表1 底板混凝土缺陷测试结果验证对比Tab.1 Comparison of Different Inspection Method Used for Baseboard Defect Defection

根据表1 单个底板构件的验证结果表明，超声成像法检测底板现浇混凝土缺陷的方法可靠。现场继续采用相控阵超声成像法结合手持雷达仪对其余19 个底板进行检测，并对部分检测样本进行钻芯验证，钻芯选取的构件应满足以下要求：①经超声成像法测试后，认为无法判断是否存在缺陷的构件，应全数钻芯检查；②经超声成像法测试后，对明确判断存在缺陷的构件、明确判断不存在缺陷的构件，应进行抽查验证，验证数量不少于4个；③当第②项中钻芯结果与成像结果验证存在不符时，评估结果以钻芯结果为准，并应扩大验证范围。

本次采用超声成像仪结合雷达仪共计测试20 个底板的混凝土缺陷情况。初步判断结果表明，6 个底板混凝土存在缺陷，缺陷位置距底板面深度约为10～17 cm，11 个底板混凝土不存在缺陷，2 个测试结果存疑，1个承台不具备测试条件。

根据初步判断结果采用钻芯法对超声成像法进行验证，共计抽检了4个底板。钻芯结果表明，抽检的3 个底板钻芯验证结果与初步判断结果一致，测试结果存疑的1个底板钻芯验证为未存在缺陷。

本次采用钻芯法对不存在测试条件的1个底板进行检查。钻芯结果表明，检查的底板存在缺陷。

最终底板混凝土缺陷判断结果详见表2。

表2 底板混凝土缺陷判断结果Tab.2 Judgement Result of Baseboard Defect Defection Based on Phased-array Ultrasound Imaging

4 检测方法探究

相控阵超声成像法检测底板现浇混凝土缺陷的可行性已得到论证，但该检测方法的操作性尚需探究。对大面积地下室底板的缺陷检测，应按合理的程序有针对性地进行检测。检测流程可按初探、验证、研究、分析、筛查、处理6 个步骤进行：①初探：判断底板是否存在损伤➝②验证：局部钻芯验证，观察芯样及钻孔外观损伤，确认初探成果➝③研究：对内部裂缝走向进行预估，并采用相控阵超声成像法对预估发展路径进行测试验证➝④分析：分析受损成因，评估受损程度➝⑤筛查：对其他区域的底板进行筛查，确定受损范围及数量➝⑥处理：出具评估报告，提出处理建议，为加固提供技术依据。

4.1 初步判断

现场采用相控阵超声成像法对地下室上浮事故中存在明显损伤或疑似存在内部缺陷的个别底板进行测试。若测试图像在板底上方存在大面积颜色突变，即初步判断其为疑似缺陷；若测试图像中存在颜色突变的位置为板底位置，且板底上方可识别的颜色变化点明显判断为钢筋或无颜色变化，即初步判断其未存在缺陷。

测试位置可以选择柱脚涌水或破碎的周边或已存在开裂渗水的底板。

4.2 局部抽芯验证

现场对初步判断其为疑似缺陷的位置进行钻芯验证，观察芯样和钻孔的的外观损伤，并对裂缝损伤的宽度和位置进行详细检测和记录。

4.3 研究裂缝走向

根据芯样和钻孔表面的裂缝走向，对底板内部裂缝发展路径进行预估，并采用相控阵超声成像法对预估的裂缝发展路径进行加密测试，验证预估是否符合实际。测点可按裂缝预估走向直线布置，测点间隔为300 mm，测点布置示意如图3所示。

图3 测点布置示意图Fig.3 Arrangement of Measuring Points （mm）

4.4 分析受损原因

底板开裂受损的原因较复杂，有冲切破坏、整体抗浮失效、局部抗浮失效、混凝土浇筑分层、混凝土收缩等［9］。根据底板内部裂缝走向和板面裂缝宽度（若有），分析裂缝成因，对底板受损程度进行评估。

对章节3工程中某底板预估的裂缝发展路径进行加密测试，测试结果如图4所示，根据测试图像可以评估该裂缝为斜向发展，并延伸至板底。将图像中的存在颜色突变的点连成直线，发现斜向裂缝发展角度小于45°，且开裂范围大于底板的有效截面高度h0，可判断该破坏不符合柱对底板的冲切破坏机理［10］，故判断该裂缝并非由结构承载力不足而引起。通过钻芯，可以发现底板存在分层现象，芯样照片如图2⒞，可以判断该裂缝主要因为底板混凝土浇捣存在分层现象，导致地下水从底板底部进入底部后长期冲刷造成底板内部受损。现场通过对底板进行局部破损，破损后现状如图5 所示，可以判断底板实际破坏机理与相控阵超声成像法测试评估结果一致。