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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(wú)損檢測(cè)有新招！

閱讀：1263 發(fā)布時(shí)間：2022-9-5

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(shí)甚至空鼓等缺陷，需要采取適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

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

下面來(lái)介紹一種可用于檢測(cè)如LNG（液化天然氣）儲(chǔ)罐基坑（只有一個(gè)可接觸面）的大體積混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)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(diǎn)

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(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)界面和介質(zhì)波速進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的目的。

對(duì)于同一種工程材料，當(dāng)其密實(shí)性和膠結(jié)程度不均勻時(shí)，如存在松散、空鼓等情況，會(huì)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(lì)下會(huì)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(guò)接收的到散射波走時(shí)和幅值可對(duì)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(huì)在尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)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(guò)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(cè)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(cè)中。

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圖1 Cscan技術(shù)原理示意

Cscan現(xiàn)場(chǎng)采集

Cscan混凝土檢測(cè)設(shè)備如圖2所示

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圖2 Cscan混凝土檢測(cè)設(shè)備

Cscan法的數(shù)據(jù)采集方案主要基于散射波的特點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的要求來(lái)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(diǎn)解決每個(gè)數(shù)據(jù)近激發(fā)點(diǎn)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(cè)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(hào)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(dòng)，每次滾動(dòng)步長(zhǎng)為50 cm。因?yàn)樵趩蝹€(gè)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(hào)，進(jìn)而易于方向?yàn)V波，同樣保證了排列長(zhǎng)度大于1/4波長(zhǎng)，防止出現(xiàn)假頻。雖然使用檢波器拖纜的效率比使用獨(dú)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(cè)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(shí)，進(jìn)行時(shí)間校正；

② 調(diào)整時(shí)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?yàn)V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(duì)混凝土構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行成像；

⑦ 對(duì)偏移圖像進(jìn)行工程解釋。

方向?yàn)V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(lèi)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(shí)特征的信號(hào)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(shí)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(shí)間-空間域原始信號(hào)轉(zhuǎn)變成時(shí)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(chǎng)采集混凝土內(nèi)反射波/散射波的原始信號(hào)及雙曲濾波后的信號(hào)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(hào)

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圖6 原始信號(hào)雙曲濾波后的信號(hào)

速度掃描技術(shù)：

對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行速度掃描，反演出激發(fā)點(diǎn)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?；炷翗?gòu)件的二維波速掃描結(jié)果界面如圖7所示，極值點(diǎn)能量強(qiáng)表示存在強(qiáng)反射/散射界面。黑色極值點(diǎn)（圖中十字所標(biāo)注的點(diǎn)）表示彈性波阻抗差為正，即極值點(diǎn)所在界面為增速界面，反之為減速界面。極值點(diǎn)的選擇方式為自動(dòng)+交互(算法自動(dòng)拾取與手動(dòng)選點(diǎn)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(cè)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(diǎn)

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(duì)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：

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。

紅色條紋表示正反射，說(shuō)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(shí)性好，彈性模量高，剛性強(qiáng)。

藍(lán)色條紋表示負(fù)反射，說(shuō)明對(duì)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(shí)性差，彈性模量低，剛性弱。

組合的藍(lán)紅條紋表示條紋部位混凝土不均勻、欠密實(shí)。

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(jiān)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(shí)、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(hào)存在正相關(guān)關(guān)系。檢測(cè)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(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及驗(yàn)證

對(duì)某下沉式LNG儲(chǔ)罐基坑進(jìn)行混凝土密實(shí)性檢測(cè)。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(cè)時(shí)儲(chǔ)罐外圈有結(jié)構(gòu)物正在施工，無(wú)法檢測(cè)最大直徑的位置。儲(chǔ)罐基坑混凝土密實(shí)性檢測(cè)測(cè)線布置如圖8所示。

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

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。

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(jì)值基本一致。

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?yàn)楣橇狭６冗^(guò)大、或?yàn)檎駬v不足所致。

圖9 儲(chǔ)罐基坑混凝土測(cè)線偏移圖像

儲(chǔ)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：

剖面內(nèi)混凝土波速為1900~3700 m/s，均勻性較差；現(xiàn)場(chǎng)分幾個(gè)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。

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。

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。

圖10 儲(chǔ)罐基坑混凝土剖面波速圖像

為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，在水平距離為3米處鉆取芯樣，芯樣長(zhǎng)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(cè)的結(jié)果基本一致。