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Cscan聲波散射成像技術(shù):大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量無損檢測有新招!

來源:蘇州圣全科技有限公司   2022年09月05日 16:33  

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁工程、建筑工程、水利工程等現(xiàn)代土木工程中的重要結(jié)構(gòu),其體積大、施工難度高、水泥水化熱難以控制、內(nèi)部受力復(fù)雜,內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)施工冷縫、不密實甚至空鼓等缺陷,需要采取適當(dāng)?shù)臋z測方法對其進(jìn)行檢測。

大體積混凝土體積大,常規(guī)混凝土無損檢測方法如超聲回彈法、沖擊回波法、雷達(dá)法等對其不適用,而鉆芯法等有損檢測方法難以對大體積混凝土構(gòu)件進(jìn)行整體評價。聲波CT法在交通和水利行業(yè)已得到相對成熟的應(yīng)用,但聲波CT法需要至少兩個可測面,才能整體評價大體積混凝土的質(zhì)量。


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下面來介紹一種可用于檢測如LNG(液化天然氣)儲罐基坑(只有一個可接觸面)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測新技術(shù)——聲波散射混凝土掃描成像技術(shù)(Cscan)。




Cscan技術(shù)的基本原理及特點


Cscan聲波散射成像技術(shù)是在地震學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù),其以非均勻介質(zhì)模型為基礎(chǔ),借助散射波對結(jié)構(gòu)界面和介質(zhì)波速進(jìn)行成像,實現(xiàn)檢測混凝土結(jié)構(gòu)的目的。


對于同一種工程材料,當(dāng)其密實性和膠結(jié)程度不均勻時,如存在松散、空鼓等情況,會出現(xiàn)局部的彈性波阻抗異常區(qū)。這些彈性波阻抗異常區(qū)是散射源,在沖擊波的激勵下會產(chǎn)生散射波。Cscan技術(shù)原理如圖1所示。彈性波阻抗差異越大,散射波能量越強(qiáng)。通過接收的到散射波走時和幅值可對異常區(qū)的位置和形態(tài)進(jìn)行精細(xì)成像,從而確定混凝土內(nèi)部缺陷的位置。彈性波會在尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長的彈性波阻抗差異界面形成反射,這是反應(yīng)介質(zhì)分層特性最直接的指標(biāo),是物探解釋的主要依據(jù)。通過定位混凝土構(gòu)件的底部強(qiáng)反射界面,可確定混凝土構(gòu)件的底界面位置,這是檢測的物理基礎(chǔ)。聲波散射成像技術(shù)已成功應(yīng)用于風(fēng)電塔基礎(chǔ)混凝土的質(zhì)量檢測中。



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圖1 Cscan技術(shù)原理示意 

Cscan現(xiàn)場采集

  Cscan混凝土檢測設(shè)備如圖2所示

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                                              圖2 Cscan混凝土檢測設(shè)備


Cscan法的數(shù)據(jù)采集方案主要基于散射波的特點與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的要求來制定,與反射法的采集方案截然不同。Cscan法需要突出混凝土內(nèi)部的局部異常,重點解決每個數(shù)據(jù)近激發(fā)點下的結(jié)構(gòu)特征。檢波器間距和炮間距關(guān)系到結(jié)果的橫向分辨率,工作頻率關(guān)系到縱向分辨率,因此需要采取“小間距、短排列、高頻率”的采集方式。


Cscan單測線采集方式如圖3所示,通常使用32道檢波器拖纜,間距為25 cm進(jìn)行信號接收,激發(fā)方式為50 cm偏移距激發(fā),震源檢波器同步滾動,每次滾動步長為50 cm。因為在單個數(shù)據(jù)中道數(shù)越多越容易進(jìn)行同相軸追蹤,所以使用檢波器拖纜接收信號,進(jìn)而易于方向濾波,同樣保證了排列長度大于1/4波長,防止出現(xiàn)假頻。雖然使用檢波器拖纜的效率比使用獨立檢波器的效率高,但需要采用隔聲材料(如隔音棉等)包裹拖纜以減少干擾波的影響。

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圖3 Cscan單測線采集方式示意

Cscan數(shù)據(jù)處理


數(shù)據(jù)處理流程:

① 根據(jù)直達(dá)波走時,進(jìn)行時間校正;
② 調(diào)整時間增益,增強(qiáng)深部數(shù)據(jù);
③ 進(jìn)行帶通濾波,濾除低頻和高頻干擾;
④ 進(jìn)行方向濾波,濾除干擾波;
⑤ 進(jìn)行波速掃描,確定混凝土構(gòu)件的波速結(jié)構(gòu);
⑥ 進(jìn)行合成孔徑偏移成像,對混凝土構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行成像;
⑦ 對偏移圖像進(jìn)行工程解釋。


方向濾波技術(shù):

濾波是散射數(shù)據(jù)處理中最為重要的環(huán)節(jié)之一,行之有效的是以下3種二維濾波技術(shù):F-K、T-P與雙曲Radon變換。其相互之間的關(guān)系如圖4所示(τ為斜率;p為截距;ω為角頻率;v為波速)。

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圖4 二維濾波技術(shù)及其相互關(guān)系

前兩種技術(shù)是線性濾波技術(shù),功能類似,都是根據(jù)視速度差異濾除直達(dá)波、面波等具有線性走時特征的信號干擾。雙曲Radon濾波技術(shù)功能更加強(qiáng)大,除了能濾除線性走時的干擾波,還可以濾除多次波,是常用的濾波方法。利用雙曲Radon變換,將時間-空間域原始信號轉(zhuǎn)變成時間-波速域數(shù)據(jù),再根據(jù)混凝土波速確定濾波參數(shù)(一般大于2000 m/s),最后進(jìn)行雙曲濾波?,F(xiàn)場采集混凝土內(nèi)反射波/散射波的原始信號及雙曲濾波后的信號如圖5和圖6所示。

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圖5 混凝土內(nèi)反射波/散射波的原始信號

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圖6 原始信號雙曲濾波后的信號



速度掃描技術(shù)



對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行速度掃描,反演出激發(fā)點下方混凝土的波速分布,重建混凝土構(gòu)件內(nèi)的波速分布。混凝土構(gòu)件的二維波速掃描結(jié)果界面如圖7所示,極值點能量強(qiáng)表示存在強(qiáng)反射/散射界面。黑色極值點(圖中十字所標(biāo)注的點)表示彈性波阻抗差為正,即極值點所在界面為增速界面,反之為減速界面。極值點的選擇方式為自動+交互(算法自動拾取與手動選點結(jié)合)。

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圖7 混凝土構(gòu)件的二維波速掃描結(jié)果界面



偏移成像技術(shù):

采用合成孔徑成像技術(shù),使用相關(guān)域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)與二維波速掃描給出的偏移速度,重建地質(zhì)異常體的空間圖像,展現(xiàn)混凝土內(nèi)的界面位置與異常體形態(tài)。

工程解釋要點


Cscan技術(shù)得到的結(jié)果是空間域的偏移圖像與波速圖像。偏移圖像是對混凝土構(gòu)件內(nèi)部不均勻性界面的彈性波阻抗差異大小的成像。偏移圖像的工程解釋遵循如下原則:


1

偏移圖像內(nèi)的紅藍(lán)條紋表示混凝土內(nèi)存在波阻抗差異界面。條紋數(shù)量少,表示結(jié)構(gòu)均勻,條紋多表示結(jié)構(gòu)均勻性差。條紋的位置就是混凝土內(nèi)界面的位置,條紋顏色越深,表示波阻抗差異越大。

2

紅色條紋表示正反射,說明相比于界面上部介質(zhì),下部介質(zhì)的波阻抗高,波速大,密實性好,彈性模量高,剛性強(qiáng)。

3

藍(lán)色條紋表示負(fù)反射,說明對應(yīng)界面下部介質(zhì)相比于上部介質(zhì),其波阻抗低,波速低,密實性差,彈性模量低,剛性弱。

4

組合的藍(lán)紅條紋表示條紋部位混凝土不均勻、欠密實。

波速圖像主要反映介質(zhì)的物理力學(xué)性能狀態(tài),波速高的混凝土堅硬,承載力大;波速低的混凝土松軟,承載力小。判斷混凝土是否存在空洞、不密實、裂縫帶等缺陷的主要依據(jù)是低波速異常。混凝土縱波波速與混凝土的標(biāo)號存在正相關(guān)關(guān)系。檢測結(jié)果的工程解釋以偏移圖像為主,以波速圖像為輔,一般情況下兩者得出的結(jié)論是一致的,可以互相驗證。


現(xiàn)場應(yīng)用及驗證

對某下沉式LNG儲罐基坑進(jìn)行混凝土密實性檢測。該大體積混凝土構(gòu)件為圓柱體,直徑100米,高3.8~4.3米。檢測時儲罐外圈有結(jié)構(gòu)物正在施工,無法檢測最大直徑的位置。儲罐基坑混凝土密實性檢測測線布置如圖8所示。



  儲罐基坑混凝土測線偏移圖像如圖9所示,分析圖9可得到以下結(jié)論:

1

出現(xiàn)在水平距離為0~7米與89~96米,深度為3.8米附近和水平距離為7~89米,深度為4.3米附近的黃色條紋是基坑混凝土結(jié)構(gòu)的底部界面。

2

混凝土底部界面清楚,中部厚約4.3米,兩側(cè)減薄,厚度與設(shè)計值基本一致。

3

水平距離為0~28米,深度為2.5~4.0米處存在斷續(xù)的紅、藍(lán)條紋,表明混凝不均勻,存在結(jié)構(gòu)差異較大的界面。推斷或為骨料粒度過大、或為振搗不足所致。


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圖9 儲罐基坑混凝土測線偏移圖像

儲罐基坑混凝土剖面波速圖像如圖10所示。分析圖10可得到以下結(jié)論:

1

剖面內(nèi)混凝土波速為1900~3700 m/s,均勻性較差;現(xiàn)場分幾個位置進(jìn)行澆筑,澆筑的位置波速高,上下均勻,澆筑位置間的混凝土波速較低(1900 m/s),以深藍(lán)色表示。

2

水平距離為45~55米的中心范圍內(nèi),從上到下混凝土波速偏高,達(dá)2800~3700 m/s。

3

水平距離為0~28 m處,波速差異大,表示混凝土欠均勻,離散度較大,與偏移圖像得到的結(jié)論一致。


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圖10 儲罐基坑混凝土剖面波速圖像


為驗證檢測結(jié)果,在水平距離為3米處鉆取芯樣,芯樣長度為2.9米,如圖11所示。該芯樣整體質(zhì)量較好,但芯樣在距表面2.53米處斷為兩截,且在2.53~2.90米深度范圍內(nèi)存在小氣孔和垂直狀裂縫,與Cscan檢測的結(jié)果基本一致。

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圖11 鉆取芯樣的外觀

結(jié)語


Cscan聲波散射成像技術(shù)具有以下特點:
① 可在單一測面進(jìn)行檢測,適用于只露出一個檢測面且檢測距離較深的大體積混凝土構(gòu)件;
② 采用方向濾波技術(shù)可濾除干擾波,抗干擾能力強(qiáng);
③ 采用時間-波速域二維掃描技術(shù),可確定混凝土構(gòu)件內(nèi)部的波速結(jié)構(gòu);
④ 采用偏移成像技術(shù),將反射、散射界面繪制在圖像中,能更直觀地展示混凝土構(gòu)件內(nèi)缺陷的位置與形態(tài)。
LNG儲罐基坑混凝土的檢測結(jié)果表明,Cscan技術(shù)檢測結(jié)果準(zhǔn)確,可供檢測人員參考。



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