振动与波动技术在工程质量检测中的应用

引言：在建设工程的质量鉴定及检测中，振动和波动测试方法技术占了极大的分量，它是工程科学和物理学的交叉学科，它以物理学的理论、方法及仪器设备来研究自然和人类活动对地质介质及国民建设的影响，评估和预测工程质量，为工程的选址、建设施工质量及工程后期的安全性作出科学的评价，在国家的工程建设中，振动与波动的测试技术起到了举足轻重的作用。

1、地震波勘查技术

以岩土弹性性质为依据的地震勘探技术是几十年来应用于油、气藏勘探、煤田和金属矿勘探中最重要的方法之一，它采用人工爆破产生地震波，强大的震波入射到地下弹性介质中遇到地层的界面时，便产生波的反射和折射回到地面被地面上不同位置的接收器所接收，通过仪器将综合的地震波记录贮存，经室内资料处理来完成勘探地下地质目的物的任务。

地震勘探在地质矿产和工程中得到广泛的应用，主要是勘探石油层、煤层以及大型的金属矿层位，勘查地层分层、基岩起伏形态、断裂构造及其性质、地下水含水层位，而在工程建设中常利用浅地震方法来进行工程选址、道路选线、地质灾害调查，地下岩溶探测等等，为工程选取最佳地块、线路以及最理想持力层的方案提供科学依据。

大亚湾核电站自1984年开工建设，1993年建成2×900KW压水堆型核电站，投产后直接面临一个核废料处理场的选址问题，这是我国第一个核电站核废料处置场，其必须具备场地相对稳定，无大的地震构造运动，地质构造简单，断裂构造不发育，水文条件单—，岩土力学性质好等条件。要完成此项地质调查工作，目前国内外均采用以地震勘探为主要手段的综合地球物理调查方法，而地震方法将起到主导的作用。

图1为核废料处置场选址工区采用浅地震勘查方法所取得的风化层分带及断层点的地震剖面图，从图中可以清晰地见到新鲜基岩，中风化基岩和全风化基岩的垂直分带，而且可以从同向轴的不连续处推断断层部位及性质，采用地震波方法得到的断裂构造同样被α卡探测证实。

2、超声波测试技术                                                         

声波是弹性介质的机械波，我们能听到的声波频率在20-2000Hz，而大于20000Hz的声波叫超声波，声波技术应用于工程建设的混凝土非破损检测始于上世纪40年代的英国和加拿大学者，后来很快在世界各国得以普遍推广，我国于60年代才应用于工程质量检测。     超声波仪器有信号发生器和接收换能器组成，当声频电振荡脉冲加在晶片上使之产生法向和径向的机械振动，从而在晶片表面产生—定频率的电脉冲，振动波经介质传播至接收换能器，将振动信号再次转成电信号而送入主机，如果介质均一而完整的，信号在中间的衰减和损耗极小，如果介质的某一部分存在缺陷，波在传播中产生散射、反射和衍射。能量也受到很大的衰减，从而使接收的时间变慢，幅值变低，而且波形杂乱，人们就利用这  样的原理来检测混凝土构件的强度、质量，缝裂深度等指标。

 超声波检测技术广泛地在工程质量评价中得以应用，如机场跑道和公路的混凝土路面，隧道拱顶和大桥箱式梁，大型建筑的混凝上柱、梁、台、板等构件的厚度、强度和缺陷范围及性质，目前可采用超声CT进行定量描述。 

采用超声波测试可以根据研究目的物的不同对构件进行对测，也可以进行斜测和平测，而目前大量的用于钻孔灌注桩的埋管超声测试，它对于检测成桩后的桩的完整性(夹泥、离析、断裂)以及确定桩底沉渣起到了决定性的作用。 

某大桥桥墩桩，桩径1200mm，桩长38.5m．嵌岩于中风化岩中，为了测试桩完整性，采用埋管超声波测试方法，从所测得的成果图发现从37.8m开始处波速从正常的4100m/s下降到2000m/s以下，而声幅值从正常的108db 下降到40db(图2)，说明桩底沉渣达70cm之多，如此定量的测试星反射波动测法所无法比拟的。     

 3、应力波反射波动测     

如前所述利用地震波可以对三维地下地质问题的地质构造、地层、石油层以及矿体进行探测，在工程建筑中特别是在江、河、海上大桥桩以及软弱地基高层建筑的基础桩的工程质量，利用应力波反射波法，可以快速地查明桩的完整性，包括断裂央泥、离析，缩径、扩径等，从而对桩的质量进行科学判断评价，以确保工程的安全。     

桩视为一维杆件体，当在桩顶施加一个激励力时，受力的质点振动而形成波动，并以应力波形式从桩顶沿桩身往桩底传播直至桩底，当遇到存在有波阻抗的界面时(断桩、离析、扩径，缩径等)，应力波即会产生波的反射，人们根据桩底反射的时间来求得桩材料的纵波速度，来估算混凝土强度等级，同时根据缺陷处的反射子波时间来推算缺陷的部位和性质，从而达到评价桩身完整性的目的。 

图3所示是震惊全国的杭州钱塘江下沙标准堤沉桩的烂泥工程桩动测曲线，根据对桩的质量检测，图3a为完整桩，设计桩长为4m的混凝土沉桩，桩底反射明显，桩身完整，中间没有子波，而图3b的反射波的分析，在2m处出现桩底反射，表明该桩仅只有2m的混凝土，以下为泥土，用这样的质量的桩来作防浪挡水桩，其危害性可想而知。

4．瑞利波测试技术     

众所周知，自由表面介质在某一脉冲荷载作用下，其弹性界面上将会产生反射波，透射波和折射波，统称之体波。同时还存在着沿界面附近有一定强度、其质点运动轨迹以逆时针方向椭圆极化波，它称之为瑞利波。它以园柱波的形式从震源向外传播，其波速小于横波速度，振幅随深度而衰减。 

在匀质地基基础中，瑞利波的传播速度及其引起的位移和应力分布规律取决于基础介质的剪切波速度和泊松比。人们从瑞利方程中可以得知：瑞利波和剪切波之间的关系为： 式中：K(η)为校正系数，它依赖于岩土的泊松比    Vs：为岩土的横波速度   

 当岩土泊松比为0.25，0.33，0.40，0.50时，其K1值分别为0.920，0.933，0.943，0.953。—般的岩土的泊松比为0.25，而土的泊松比在0.45~0.49之间，随着泊松比接近于0.5，其瑞利波速度越趋近于剪切波速度，特别是对土而言，可视为二者近视相等。工程中利用瑞利波进行施工质量探测，是基于瑞利波速YR和弹性介质有关，人们可以通过测试岩土的瑞利波速度后并通过确定其纵波速度的基础上，就能对岩土的各种模量和许多参数进行计算，如动弹性模量、动剪切动弹模量、动泊松比，可求取复合地基的密实度、地基承载力，可求取沥青道路、混凝土路面厚度和强度以及下覆填层的不均一或软弱层情况，在填层中利用瑞利波可以较精确地探测其不密实的部位和深度。  

图4  是我省某一大型变电站地基测试记录，基础采用开山碎石回填分层压实，而要求碎石应小于20cm，但在施工中，施工单位根本不按设计施工，致使大小不等的巨石块填于基础之下，为确保上部建筑的安全性，业主对碎石基础开挖验证，发现许多地方存在架空的巨石，大的有l~1.5m，为此要求对整个场地进行瑞利波测试，从测试波形中可见地基密实的和存在空洞的完全不同，从而圈定围填，地基密实的范围以及不密实的部位，为下步基础处理方案提供可靠的依据。     

5．振害烈度测试技术                                                       

在城市及工程建设中常会遇到工程振动及爆破危及建筑物、仪器设备以及生命财产的安全问题，为使工程在安全条件下施工，在施工中的振害测试成为确定爆破能量指导施工安全的主要手段。     

当在某处进行人工爆破(或打桩)时，地层中各质点产生受迫振动并以被动的形式从震源向地层半空间传播。在震源区以体波为主，到达一定距离后面波便成了主导波。在各地层质点受迫震动时，土体单元承受着正应力应变和剪应力应变，实际体系可视为具有单位截面和高度的土柱。假定整个土体质量集中于该层中自上而下的若干离散点，当土中某一单元激震产生能量不同的振动时，其震动波的工程特性常以震动振幅、频谱和持续时间来表示。它与地层结构、震源机制和介质层动力特性有关。当震动超过某一限定值时，地层土体所受到的瞬时地震荷载将超过其本身的极限值，而使地基基础和上部建筑构件失稳，从而危及建筑构件的耐用性，甚至于直接危及人身和财产的安全。     

爆破引起的震动波在地层中的传播是一个复杂的动力学过程。炸药性能、装药量、装药结构、起爆形式及堵塞条件都将影响爆破地震效应，而岩土结构和性质亦是影响爆破地震效应的主要因素。

目前工程界一般采用经验公式来估算爆破地震的主要参数，其公式为   

 式中，A为最大振幅值，W为爆破的装药量(Kg)，R为测量点距爆破源的距离(m)，Ki、ai为待定常数。爆破时某一点的质点最大振动速度公式为

 式中，K、a为特定常数，w、R同(1)式。     通常根据不同质点速度，并通过多次试验由最小二乘法算得待定系数K、a的值。

 然而，对于因不同炸药量在地下爆破而在某一点所引起的质点运动加速度，最科学的办法是在某一点上埋设拾震器，通过测量其振动幅值来计算该点的最大加速度(或振动速度)，从而取得该点的地震烈度。 

杭州X X厂为将厂东部相对高差28m的古城山建造成1万m2的轨钢车间，需要将该山爆破成二个平台．但在距工地35m处有35Kv的高压输电铁塔，距70m处有几间民房。为此既要发挥爆破的最大效益，又要确保这两处建筑设施的绝对安全。这是爆破工程必须兼顾的。于是首先在爆破试验阶段进行爆破烈度测试。在试验时将采用不同装药量(850Kg、1107Kg、1164Kg)来测试各点的速度和振幅以及计算各点的地震烈度。表1为采用1164 Kg药量进行爆破时，所测得的地面质点振动速度和地震烈度值。从表中可见，采用此炸药量，在距爆破点30m之内，地面振动速度均大于3cm/s，地震烈度达到了VI。显然，按这样的药量进行爆炸，对铁塔的安全有相当的威胁。此时民房附近测得的地震速度小于1cm/s，相当于III—IV级地震烈度。可以预计此装药量对民房基本上没有什么危害。当采用850Kg装药量起爆时，在铁塔附近测得的地震速度己降至1—1.3cm/s，相当于IV级地震烈度，如此量级的装药量进行爆破完全可以保证输电铁塔和民房的安全。 

   6．电磁波法测试技术 

交变的电场产生交变的磁场，形成空间存在的电磁波，人们利用不同波长的电磁波特性，在地球物理方法领域中广泛得到应用，如大地电磁测深可以探测到l0~20km的地壳深处的信息，又如电磁频率测深可以探测几百米至上千米的地层矿层以及构造的特性，在地磁波测试技术中，近年来用于探测地下管线和洞穴成为一种常用的手段。探地雷达是利用航空雷达原理探测地下目的物的一种高频电磁波(频率范围10-1000MHz)测试系统，它利用发射天线发射出高频短脉冲电磁波，当发射能量遇到地下电磁波均匀的层位和目的物时，有一部分能量反射回地面被接受天线所接收，而另一部分则穿透更深的地层，人们通过接收信号的放大，存贮处理后，从显示记录上来分析析判断地下隐伏目的物的形态和特征，它主要用于浅层覆盖层的分层，建筑地基及填基岩埋深探测，高速公路质量检测，围堰高喷成墙完整性检查，碾压混凝土质量检查，隔流堤渗漏部位探测，以及地下管线，地下洞穴古墓人文等调查。

   图5为深圳---香港跨海大桥西部通道围海海堤形态的探地雷达测试。由于大堤碎石堤坝坝要求置于淤泥层底部的粘土层中，故采用探地雷达可以测试水下大堤的形态、深度以及堤底下淤泥的残留厚度，以检查大堤的施工是否符合设计的要求。为长达6Km的海堤质量验收提供科学依据。     

结束语 

人类的活动离不开振动和波动，而振动和波动在国民经济建设中得以广泛的应用，许多科学工作者长期以来从事振动和波动的研究，不断地致力于这一学科的发展和工程应用，使波动理论和测试技术在工程建设中开拓了广泛的应用领域，为更好地促进该学科的发展我们应该做更多的工作：       

 1) 在工程建设中，普及振动和波动测试知识以及技术，重视振动和波动测试方法，更多更好地为工程建设提供科学的依据；    

 2) 加强振动和波动方法技术研究以及规范管理，抓好制定各类波动测试的规范和规程；     

3)  深入开展波动和振动工程的基础理论与机理的研究，使之成为规范化，学科化。    随着知识时代的来临，振动和波动必将得到广泛的重视和应用，在我国的国民经济建设中将起到越来越大的作用。     

 
参  考  资  料  :

1、 赵竹占 地球物理勘查技术在广柑核电站废料处置场选址中的应用 《地质与勘探》2000(1)  5l-53 

2、赵竹占 表面波谱分析法在评价地基处理效果中的应用  《物探与化探》1994（5） 326-330 

3、赵竹占 瞬态激振桩时程曲线识别基桩的缺陷与类型《勘察科学技术》1993（6）57-60

4、赵竹占 探地雷达在嵊泗外海防浪堤工程质量检测中的应用 《中国建设科技文库》1998 中国建材工业出版社  423

 5、闻邦椿等  波及波能利用技术的最新发展《振动工程学报》2000（1）1-3