2018年第1期西南公路
超声波CT技术在某桥混凝土构件
无损检测中的应用
王君杨杰
(湖北省交通规划设计院股份有限公司湖北武汉 430051 )
【摘要】超声波检测技术因其穿透能力强、仪器简单及操作方便等优点被广泛应用于混凝土的无损检
CT技术是超声波透射法结合CT成像技术，利用仪器记录得到超声波从发射探头到接收探头之间 的传播时间，并通过反演获得剖面声速空间分布图像的一种方法。本文应用超声波CT技术对某桥0#块进行
测。超声波
无损检测，结果表明该方法的使用能对缺陷位置进行精确定位，并根据声速值对缺陷类别进行定量分析。
【关键词】无损检测；超声波检测；超声波CT技术；混凝土 【中图分类号】U446/U448.35
【文献标识码】A
0引言
在混凝土无损检测中，常用的几种方法包括回
幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有 关问题。
CT技术是用仪器在物体外部获得物理场数据， 再通过相关算法反演出物体的内部物理属性或状态 参数的空间分布图像的一种方法技术。其主要目的 是确定物体内部的精细结构和局部不均匀性。本文 用超声波透射法结合CT成像技术，利用超声波传播 的初至时间反演得到混凝土构件内部的物性分布， 定量地评价构件的质量和确定缺陷，对混凝土质量 的检测有着重要意义。本文将超声波CT技术应用于 某混凝土桥的无损检测，检测结果很好地揭示了混 凝土内部存在的缺陷位置，本文的方法在桥墩的质 量检测中应用效果也较好。
弹法、地质雷达和超声波检测等[1]。其中，回弹法 只能得到混凝土表面的质量信息，其内部情况无法 得知；地质雷达虽然可以对混凝土的内部缺陷进行 准确定位，但钢筋的屏蔽作用对其影响较大；超声 波检测技术具有穿透能力强、仪器设备简单、操作 方便及成本低廉等优点，因此，被广泛应用于混凝 土的无损检测。
桥墩都是在钢筋为骨架的基础上进行混凝土浇 筑，由于浇筑过程中混凝土搅拌不均，在混凝土材 料成型时，桥墩内部就会存在空隙、裂纹等缺陷， 这将影响混凝土的强度和刚度，降低桥墩的使用寿 命，留下安全隐患。因此，在混凝土浇筑完成后， 需要对其进行快速准确的质量检测，及时发现其中 存在的隐患及病害[2]。超声波检测技术是弹性波测 试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹 性波的传播理论上，该方法是以人工激振的方法向 介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在 一定的空间距离上接收介质物理特性调制的声波， 通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振
1
超声波CT的方法原理
基于射线理论的层析成像方法具有计算速度快、
效率高和成像效果较佳等优点，是目前应用较为成熟 的一种方法[3-5]。本文采用波前快速推进法（Fast Marching Methods，FMM )进行射线追踪，选用联合 迭代重建算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT )进行层析成像反演。1.1波前快速推进（FMM )射线追踪
【收稿曰期】2017-1卜21
【作者简介】王君（ 1985-)，女，安徽固镇人，硕士，主要从事工程物探方法及相关反演算法研究。
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王君，杨杰：超声波CT技术在某桥混凝土构件无损检测中的应用
快速推进法（FMM )是由Sethian等人提出的 用于求解哈密顿方程的方法，随后被用于计算初至 旅行时['反射旅行时、多次反射和透射旅行时 等。该算法稳定，当模型的速度出现较大变化的时 候，仍可得到较准确的解。FMM是通过有限差分格 式求解程函方程获得走时，
算法的基本思想是['假设程函方程的解在某 个可接受点集上是已知的，对于可接受点的邻近网 格点，逐个代入程函方程计算，值最小的那一个网 格点就是可以被接受的。
超声波从激发点逐步向外传播，走时逐渐增 大，且时间不可能有负值。程函方程表示的就是超 声波从此点至彼点的最小旅行时传播过程。我们首 先将激发点初始化，其走时保持不变。然后把激发 点的临近点的走时按从小到大的顺序存在一个数组 里[8]，保持该数组中走时最小的点不变，最后周围 未被固定的点按照如下步骤进行迭代：
(1 )将可接受点附近所有临近点通过程函方 程计算，得到旅行时最小的点；
(2 )将步骤（1 )中旅行时最小的点作为新的 可接受点；
(3 )将所有可接受点附近的点作为临近点考 虑；
(4)根据程函方程计算新的旅行时，如果比 原接收点的旅行时大，则保留原值，若比原值小， 则采用新值；
(5 )重复步骤（4 )循环计算、比较，直至遍 布所有网格点。
1.2联合迭代重建算法（SIRT)
联合迭代重建技术最早是由Gilbert提出的，与 其他算法不同，SIRT是在一次迭代过程中对所有的 模型参数同时进行修正，同时用方程组中所有的方 程。该方法的计算流程为[9]:
(1 )给出一组初值；
(2 )计算估测值与观测值的差；(3)
计算慢度，在每次迭代后，可以根据地球
物理资料对慢度做某种约束，比如可以约束某个像元 在一定范围内，也可以对模型做必要的光滑处理。
(4)
判断迭代结果是否满足终止条件（误差达到预定要求），满足即可停止迭代，不满足
则重复步骤（1 )〜（4 )。1.3超声波CT的算法流程
超声波探测采用一发多收方式，对采集的数据 先进行仪器自动判读初至时间，再进行人机交互修 改。将拾取的初至时间作为原始数据进行超声波CT 计算，具体算法流程见图1所示。
图1 超声波
CT算法流程图
2实例分析
由于某桥〇#块的腹板外墙部分区域成蜂窝状，
因此需要对混凝土浇灌质量进行检测，主要检测目 的是探测〇#块中隔墙、腹板的混凝土密实度及缺 陷。本次检测采用武汉岩海的RS-ST01C型非金属超声 检测仪，使用声波换能器点测方式，在中隔墙、腹板 上布置测线，逐点探测。工作参数为：检测点间距： 5~10cm；声波换能器频率：20kHz；采样长度：512个 时间米样点；发射电压：500V；触发方式：连发。2.1观测系统设计
基于射线的层析成像方法对于观测系统有较高 要求，只有在射线分布均匀且密实的情况下，才会 有足够多的数据信息保证反演结果的准确性[10]。某 桥0#块的结构示意图见图2所示，为了得到较大范 围的射线分布，根据实际情况，我们采用一边单点 发射，一边多点接收的观测系统，射线覆盖示意图 如图3所示。
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如，
西南公路
图3
射线覆盖示意图
2.2超声波CT
本文利用上述方法原理对某桥0#块进行超声波 CT检测，用以探测0#块中隔墙、腹板的混凝土密实 度及缺陷，现以右侧腹板为例进行说明。具体的工 作步骤如下：
(1 )使用非金属超声检测仪进行超声波数据 采集，测线布置如图4所示；
小里程方向
大里程方向
高度
5.58m
5.08m4.58m4.08m3.58m3.08m2.58m2.08m1.58m
图4 某桥0#块右侧腹板超声波测线布置示意图
(2 )拾取声波初至时间；
(3 )根据野外观测系统，进行二维超声波 CT计算；
(4 )对超声波CT结果进行分析解释。2.3结果分析
我们在该桥混凝土构件随机选取了 4个位置进 行取样。实验室切取出了 8组芯样，对混凝土芯样进 行超声波测试，测试结果如表1所示。由表中数据可 以得知，正常声波速度在4700m/s~5500m/s之间。
表1
超声波芯样测试波速表岩块岩块mm长度 波波速2编号/
m-s
速1 平均波速
/
/
m-s
波m-s速3/
/
m-s
1-1102.05455.05152.05455.05354.01-298.55267.85596.84713.25192.62-1102.55177.35177.35177.35177.32-2101.04832.94832.95101.54922.43-1100.55076.35076.35076.35076.33-299.55025.74522.34761.14769.74-1.55812.15424.65085.45440.74-2
102.5
5481.7
5481.7
5177.3
5380.2
28
右侧腹板（大里程方向）层析成像结果如图 5所示，该腹板除顶部及底部剖面出现部分波速异常 外，整体波速较高，混凝土密实度较好。腹板底部 剖面右侧（X方向11.0~11.8m)出现大范围低速
异常区，说明该区域混凝土密实度较差；其余几处 小范围低速区域应为底部波纹管影响。腹板顶部剖面97整体波速较低，且出现大范围低速区域，应为波纹管影响造成。
«>«»〇/ ry «0 00 O c\\»
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«> -C
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o o o o11111111111111111 II^M 流图5
右侧腹板（大里程方向）层析成像图
右侧腹板（小里程方向）层析成像结果如图 6所示，且波速分布均匀性较差，距端点4.05m以下 区域（剖面80~85)超声波波速整体高于距端点 4.55m以上区域（剖面86~88)，上部混凝土密实度 略差于下部，波速范围约4300m/s~5400m/s。
王君，杨杰：超声波CT技术在某桥混凝土构件无损检测中的应用
TT^^TII III! Hill HUM 他
图6
右侧腹板（小里程方向）层析成像图
通过实际揭示图（图7 )，可以看到腹板顶部存 在大量波纹管，且侧切剖面显示混凝土密实度较好， 由此可以判定超声波CT成果图中剖面87~88出现大 范围低速异常区域是由混凝土内部波纹管影响所致。
波纹管
图7
右侧腹板（小里程方向）顶部实际揭示图
结合超声波CT结果及实际揭示综合分析（图 8)，剖面 80: X 方向 0~0.4m、Y 方向 0.2~0.6m 推 测为混凝土密实度稍差，其他区域波速相对较低区 域应该为表面混凝土不密实造成；虽然在剖面81、 82和85邻近位置揭露显示表层混凝土不密实，但因 测线布置基本未穿过不密实区域，故超声波CT结果 整体显示两个剖面处波速值范围为4800~5300m/s ; 剖面83: X方向0~0.2m、Y方向0~0.6m，X方向 2.6~2.8m、0~0.4m/0.6~0.8m，两处低速异常区域推 测为混凝土密实度差；剖面84: X方向2.4~2.6m、 Y方向0.2~0.4m低速区域推测为表层混凝土不密实 造成；剖面86:又方向3.0~3.2—3.4~3.6瓜、丫方向 0.6~0.9m低速异常区域推测为混凝土密实度较差， 剖面左侧出现的低速异常区域推测为波纹管影响。
图8
右侧腹板（小里程方向）实际揭示与超声波
CT结果对照图
4结论
本文将二维CT技术应用于某桥0#块的超声波
无损检测，通过合理的观测系统布置，应用波前快 速推进（FMM )和联合迭代重建算法（SIRT )进 行正反演计算。实际资料对比分析表明该方法能够 较好地探测到混凝土构件的缺陷异常位置。
(下转第38页）
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西南公路
(3)④-4滑坡目前基本稳定，由于前缘临 空，在暴雨工况下可能在前缘发生牵引式滑坡。
排，中部设置3排；④-4滑坡临空面设置挡土墙。 同时，考虑到高速公路互通环境保护及美观要求， 在抗滑桩顶设置钢筋混凝土格子梁，其上铺设耕植 土并绿化。
4处理措施建议
根据Geostudio计算结果，得出在天然工况下滑
坡处于欠稳定〜基本稳定状态，在暴雨工况下均处 于不稳定状态。并搜索得到潜在最危险滑面与次危 险滑面，以及可能产生最大变形的位置。因此，在 滑坡治理设计中，应当考虑坡脚抗滑与坡顶锚固相 结合的设计思路。为提高高速公路安全系数，也可 考虑修改路线方案。
抗滑桩是治理滑坡的有效工程措施，在地质灾 害治理中广泛应用'随着滑坡治理技术的进步，微 型钢管桩在工程滑坡治理中将得到更广泛的运用[4]。 同时，由于4#滑坡群属于土质滑坡，降雨入渗会引 起边坡土体内的孔隙水压力增大，导致边坡内基质 吸力和黏聚力减小，造成边坡失稳诱发滑坡，在滑 坡防治总体方案的基础上应进行排水工程设计，结 合工程地质、地下水及降雨条件制定。
综上所示，建议对④-1滑坡和④-2滑坡、④- 3滑坡在互通开挖前对其中上部采用挡土墙、微型钢 管桩+截、排水措施的方案进行治理，开挖后在坡 脚位置设置挡土墙；④-4滑坡采用挡土墙+截、排 水的方案进行处理。其中，微型钢管桩建议在④- 3滑坡设置3排，④-1滑坡和④-2滑坡上部设置3
5结论
文章通过采用基于极限平衡原理的Geostudio中
的SLOPE/W模块对新市互通4#滑坡群稳定性进行研 究。得出以下结论：
(1 ) 4#滑坡群在天然工况下处于欠稳定〜基本 稳定状态，其中④-4滑坡目前基本稳定。
(2) Geostudio搜索得到潜在最危险滑面，同 时也搜索到次危险滑面。其中④-1滑坡两处次危险 滑面分别在滑体中部与上部，且滑面深度较大，应 当引起重视。④-2滑坡的最危险滑面为④-3滑坡坡 脚位置剪出，次危险滑面在④-2滑坡中部发生。
(3)
根据计算结果，建议采用挡土墙+微型管
桩+截、排水方案对滑坡进行治理。
参考文献
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(上接第29页）
右侧腹板的小里程方向超声波CT波速整体低于 大里程方向，整个右侧腹板波速分布均匀性较差。 右侧腹板（小里程方向）超声波CT结果与实际揭示 进行对照后发现：多处混凝土表面不密实，内部结 构密实度好于表层。本文分析认为，右侧腹板的上 部（小里程和大里程方向）出现的波速较低位置应 为混凝土内部波纹管影响所致；右侧腹板（小里程 方向）下部出现的波速相对低值是因为该处混凝土 表面的不密实导致。
参 考 文 献
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