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文章信息
- 洪晓江, 吴波涛, 向程龙, 吴佳晔, 王伟.
- HONG Xiao-jiang, WU Bo-tao, XIANG Cheng-long, WU Jia-ye, WANG Wei
- 孔道压浆密实度定性检测方法的适用性及优化
- Applicability and Optimization of Qualitative Detection Method for Duct Grouting Density
- 公路交通科技, 2023, 40(10): 73-78, 103
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(10): 73-78, 103
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.10.009
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文章历史
- 收稿日期: 2021-04-22
, 2. 四川升拓检测技术股份有限公司, 四川 自贡 643000;
3. 贵州交通职业技术学院, 贵州 贵阳 551400;
4. 西南石油大学, 四川 成都 610000
2. Sichuan Central Inspection Technology Inc., Zigong Sichuan 643000, China;
3. Guizhou Communications Polytechnic, Guiyang Guizhou 551400, China;
4. Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610000, China
预应力孔道压浆质量的好坏，对结构的承载力, 耐久性等均有非常重要的影响，因此其检测显得尤其重要。目前，冲击弹性波法已成为主流无损技术[1-4]，分为定性和定位检测两种方法。其中，定性检测用于快速检测, 压浆事故排查或无法使用定位检测的工况，而定位检测则用于精密检测以及缺陷定位[3-7]。
冲击弹性波法被广泛引入到山西、河北、福建等地方标准，以及公路学会、工程建设标准化协会等多个团体标准中[5, 8-12]，见表 1，同时，交通运输部、国家铁路局等制订中的行业标准也有望将此方法纳入。
| 标准名称 | 检测方法 | |
| 定性 | 定位 | |
| 山西地标DB 14/T 1109—2015 | √ | √ |
| 内蒙地标DB 15/T 1931—2020 | √ | √ |
| 浙江地标DB 33/T 2154—2018 | / | √ |
| 福建地标DB 35/T 1638—2017 | √ | √ |
| 江西地标DB 36/T 1197—2019 | √ | √ |
| 云南地标DB 53/T 811—2016 | √ | √ |
| 河北地标DB 13/T 2480—2017 | √ | √ |
| 中国工程建设标准化协会T/CECS G: J50-01—2019 | √ | √ |
| 中国公路学会T/CHTS 10012—2019 | / | √ |
上述所有标准均包含定位检测方法，但部分标准(如公路学会)[12]未引入定性检测方法，其原因是该方法的准确度受工况和分析方法影响较大。另一方面，由于定性检测快捷、方便，在实际中使用频率很高，如何提升定性检测方法的准确度, 进一步明确其适用范围则至关重要[13-14]。然而，国内外尚很少有文献对此做系统介绍，因此，本研究在作者长年的理论研究和工程实践的基础上，进行了较为系统的总结。
1 定性检测原理 1.1 基本原理定性检测是利用露出的钢绞线，在一端激发信号，另一端接收信号，见图 1。
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| 图 1 定性检测现场示意图 Fig. 1 Schematic diagram of qualitative detection site |
| |
通过分析能量、波速及频率3个弹性波参数的变化(分别对应全长衰减法FLEA，全长波速法FLPV和传递函数法PFTF)，可对预应力孔道压浆质量进行定性判定。随压浆质量的降低，上述3个参数有如表 2所示的反应[15-16]。
| 孔道压浆质量 | 各项反应(使用特性/方法名称/分项压浆指数表示符号) | ||
| 能量/全长衰减法FLEA/IEA | 波速/全长波速法FLPV/IPV | 频率/传递函数法PFTF/ITF | |
| 压浆密实 | 逸散较多，衰减大，振幅比小 | 波速低，接近混凝土波速 | 受信信号初动部分频率低 |
| 压浆差 | 逸散较少，衰减小、振幅比大 | 波速高，接近钢绞线波速 | 受信信号初动部分频率高 |
1.2 综合压浆指数If
为了定量反映上述3个参数的影响，引入了综合压浆指数If，其定义为FLEA, FLPV以及PFTF分别得到的压浆密实度参数的几何平均值：
|
(1) |
结合在大量检测项目上的数据，统计得出综合压浆指数If与压浆质量好坏有如表 3所示关系。
| 综合压浆指数If范围 | 备注 |
| If＞0.95 | 孔道压浆质量较好 |
| 0.8＜If＜0.95 | 孔道压浆质量一般，存在局部缺陷 |
| If＜0.8 | 孔道压浆质量较差，存在较大缺陷 |
但是，表 3所示的If与压浆质量好坏的关系仅为经验关系，在实际工程检测中，常常出现判定失误的情形。例如，在云南某高速道路对某预制箱梁(梁体长度30 m，混凝土强度C50)进行压浆密实度定性检测。现场采用单方向激振与受信，得到综合压浆指数0.958。根据《桥梁预应力管道注浆密实度检测技术规程》(DB53/T 811—2016)[11]，判定为Ⅰ类孔道。但开孔后发现，孔道内存在明显不密实的情况，见图 2。
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| 图 2 现场剖开照片 Fig. 2 Photo of opening |
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经调研，目前定性检测的结果离散较大，而且偏于过高估计压浆质量。换言之，检测的压浆质量如果较差，则真实的压浆质量很可能确实较差，但反过来就不一定。因此，有必要对定性检测中信号的产生、各分项检测的力学意义、影响因素、适用性及优化方法进行更深入的研究。
2 激振信号的品质保证理想的激振弹性波应沿着钢绞线向前传播，即P(纵)波模态。然而，由于钢绞线外露长度过长, 激振工具与钢绞线的摩擦, 钢绞线的横向振动等原因，激发的弹性波信号中附带较多的横向振动，也就是S(横)波模态，进而为测试带来较大的误差，见图 3。
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| 图 3 受激振影响的信号 Fig. 3 Signals affected by excitation |
| |
实践证明，采用专用的激振(导向)工具，可有效地提高激振弹性波中的P波成分。激振工具由激振导向器, 直径50 mm硬质钢球, 弹簧与橡胶垫等组成，见图 4。采用激振工具产生的波形收敛较好, 激振频率低(约1.4 KHz)，见图 5，表明该工具适合定性检测。
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| 图 4 专用激振工具 Fig. 4 Specialized excitation tools |
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| 图 5 使用激振导向器采集到的信号 Fig. 5 Signals collected by using excitation guide |
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3 FLEA(全长衰减)法 3.1 基本原理及力学意义
在孔道一端钢绞线上纵向激发的冲击弹性波在沿钢绞线向前传播的同时，通过钢绞线与压浆体的接触，其能量也向周围的混凝土中逸散。压浆质量越好，能量的逸散越多，到达另一端的能量(振幅)就越低。这就是FLEA法的基本原理[15]，其振幅比x的定义如下：
|
(2) |
式中，Ea，Eb分别为接收信号与激振信号的振幅; L1为孔道长度; L0为孔道长度基准值(一般取10 m)。
3.2 主要影响因素及检测精度的提高FLEA法需要测试钢绞线两端弹性波信号的幅值，而幅值的测试是波动/振动信号测试中误差最大的参数。其误差因素众多，但可以分为两类，即随机误差和系统误差(也称固定误差)。其中，通过增加测试次数并取均值，随机误差可随之降低。而系统误差无法仅通过增加测试次数来降低，还需要引入双向激振的方法。
在频道0和1分别采集信号，得到的信号振幅比分别为x0和x1，计算用振幅比x[17]为：
|
(3) |
通过这样的处理，可以有效地消除由传感器安装，放大倍率不一致等因素引起的系统误差。例如，重庆某现浇预应力梁体进行定性检测，在0通道和1通道分别采集信号。从分析结果来看，精度得到了明显提高，见表 4。
| 分析方式 | 能量比 | 单项指数 |
| 0通道受信单向分析 | 0.044 714 64 | 0.86 |
| 1通道受信单向分析 | 0.016 978 62 | 1.00 |
| 双向激振分析 | 0.026 | 0.967 |
3.3 其他影响因素及适用范围
此外，采用FLEA法进行分析时，如果激振时引起钢绞线的横向振动，会造成受信信号的不稳定。图 6为某薄板状结构横向预应力束上得到的信号，首波微弱而后续信号强烈。
|
| 图 6 受结构物振动影响的受信信号 Fig. 6 Reception signals affected by vibration of structure |
| |
需要说明的是，式(2)的振幅比用10 m作为长度基准值，其前提是弹性波在传播过程中的距离(几何)衰减为线性。而在工程实践中发现，该特性在梁长很长(如大于50 m)或很短(小于5 m)时有较大偏差。因此，FLEA法不适合长度太长或太短的梁体。
4 PFTF(传递函数)法 4.1 基本原理及力学意义对周围有浆料包裹的钢绞线进行激振时，其自振频率f1可以概念性地表示为：
|
(4) |
式中，K为参与振动的钢绞线/包裹体的刚度；M为参与振动体的质量。
另一方面，如果对于完全没有浆料包裹或悬空钢绞线，其自振频率f2可以表示为：
|
(5) |
式中，L为自由钢绞线的长度(或压浆缺陷长度)；T为钢绞线的张力；ρ为参与钢绞线的线密度。如压浆料与梁体结合好，则自振频率f1起主导作用，测试得到的受信信号的频率与激振信号的频率相近。而且，由于高频信号的衰减快于低频信号，因此理想状态下接收端的信号自振频率应略低于激发端。
反之，如果钢绞线与压浆料脱离，则f2起主导作用。由于钢绞线的张力大，通常压浆缺陷长度(近似为)也较短，因此一般有f2>f1。所以，压浆缺陷一般会导致接收端信号频率的提高，这就是PFTF法的基本原理[15, 18]。
4.2 主要影响因素及适用范围如前所述，压浆缺陷的长度(L)对PFTF法的分析有较大的影响。当L较长时，f2会大幅降低甚至低于f1。此时，PFTF法可能会导致严重的误判。
此外，无论激发还是接收所产生的振动影响范围都比较有限，根据工程经验，其影响范围一般为端头0.5~2 m左右，这也是PFTF法的适用范围。
5 FLPV(全长波速)法 5.1 基本原理及力学意义一般情况下，随着压浆密实度的增加，P波波速会逐渐减小，当压浆密实度达到100%时，测试的锚索P波波速接近混凝土中的P波波速。采用前文所述方法进行激振和受信，通过波速的变化可判断预应力管道压浆密实度情况[15]。
基于等效模量的原理，压浆密实度Sr与测试波速V的关系可以表达为：
|
(6) |
式中，As，A分别为钢绞线的横截面积和孔道的横截面积；Vs，Vg分别为钢绞线和压浆料的弹性波波速。其中，Vs取5.01 km/s，Vg则通过试块测试。ρs，ρg分别为钢绞线和压浆料的密度，可分别取7 800 kg/m3和2 400 kg/m3。
ζ为修正系数，反映孔道壁(PVC或铁皮)以及周围混凝土的影响，可通过压浆饱满孔道(Sr=1)的实测波速Vf来标定：
|
(7) |
将式(7)代入式(6)中，有：
|
(8) |
故只需测出Vf和Vg，即可得到压浆密实度Sr。
5.2 主要影响因素及适用范围如式(8)所述，采用一套典型参数进行计算, Vg取4.30 km/s和4.45 km/s(ζ取1)，Vf分别取4.35 km/s和4.40 km/s。测试波速随压浆密实度的变化为：在0~40%时，测试波速明显提高。但当压浆密实度超过40%以后，波速的变化就非常缓慢，如图 7所示。
|
| 图 7 波速随压浆质量变化 Fig. 7 Wave velocity varying with grouting quality |
| |
由此可见，FLPV法适用于检测明显存在压浆缺陷的工况。
6 综合优化 6.1 基于标定的判定基准优化关于定性检测判定的基准值，相关规程都给出了参考，如《公路混凝土桥梁预应力施工质量检测评定技术规程》(DB35/T 1638—2017)[9]，见表 5。
| 分析方法 | 项目 | 全压浆 | 未压浆 |
| FLPV | 波速/(km·s-1) | 混凝土波速① | 5.01② |
| FLEA | 能量比x | 0.02 | 0.20 |
| PFTF | 频率比ξ | 1.00 | 3.00 |
| 接收频率fWR/kHz | 2.00 | 4.00 | |
| 注：①在梁体混凝土处实测得到的波速；②根据钢绞线的模量(196 GPa)推算，并结合实际验证。 | |||
需要说明的是，在国内大多数省份，经大量工程统计，常规C50混凝土波速约为4.1~4.3 km/s范围，但现场往往还是需要进行混凝土波速标定。例如：云南某高速公路的梁场试验T梁，设计强度C50，孔道压浆密实。现场进行不标定和标定的两种测试。其孔道实测波速为4.662 km/s，混凝土标定波速为4.654 km/s，不标定时使用4.3 km/s作为混凝土基准波速。测试结果如表 6所示，标定后的检测结果精度明显提高。
| 分析 | 分项指标 | 综合压浆指数If | |
| 波速标定前分析结果 | IPV | 0.490 | 0.788 |
| IEA | 1.000 | ||
| ITF | 1.000 | ||
| 波速标定后分析结果 | IPV | 0.977 | 0.992 |
| IEA | 1.000 | ||
| ITF | 1.000 | ||
6.2 适时选择分析方法
综上所述，不同方法的适用范围存在差别，可视具体情况选择分析方法。例如，重庆某现浇梁体跨度达180 m，属超长距离。当采用3种方法均参与计算时，分析结果表明其有明显的压浆缺陷，见表 7。
前述已经说明，传递函数法影响范围有限且易受激振影响，全长衰减法不适用于梁体很长的结构。若只采用FLPV法进行分析，检测目的变更为检测孔道内的大范围压浆缺陷。则其综合压浆指数为0.966，表明该孔道压浆质量较好。经定位检测验证，该梁体确实不存在大范围压浆缺陷。
需要说明的是，在仅使用一种或两种分析方法时，不宜继续使用前文式(1)所述If计算方法，可变更为：
经过对定性检测各方法的原理梳理和现场实践经验总结，各方法的优缺点和适用性见表 8，必要时可选用其中的一种或两种。
| 分析方法 | 优点 | 缺点 |
| 全长衰减法(FLEA) | 测试原理明确、对压浆缺陷较为敏感 | 结构影响因素多，结果离散性较高，不适用于较短或独立板状结构 |
| 全长波速法(FLPV) | 测试结果较为稳定，适合测试大范围缺陷 | 对小缺陷钝感 |
| 传递函数法(PFTF) | 能够测试锚头附近的压浆缺陷，解析方便 | 测试范围局限在端头附近 |
7 结论
结合现行各规程对定性检测方法的收录情况，分析定性检测方法在行业中的应用情况，针对孔道压浆密实度定性检测方法的适用性及优化进行了对比分析，得出以下结论：
(1) 冲击弹性波定性检测方法的综合评价指标结果离散较大，偏于过高估计压浆质量，信号品质受激振影响大的问题。
(2) 全长衰减法的检测结果易受结构和系统误差影响，可通过采用双向激振和受信，降低全长衰减法的系统误差。
(3) 传递函数法的分析易受压浆缺陷的长度影响，可通过使用专用的激振工具，提升信号品质，提升传递函数法的分析精度。
(4) 通过建立判定基准，提升了判定的准确性。
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