蘇建洪，姚菲

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

聲阻抗對(duì)盾構(gòu)注漿沖擊回波規(guī)律的影響研究

蘇建洪，姚菲

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

摘要:基于盾構(gòu)中管片-注漿-圍巖模型和分層結(jié)構(gòu)中材料聲阻抗的相對(duì)值對(duì)沖擊回波測(cè)試結(jié)果有較大影響的原理，利用大型有限元軟件MSC.MARC建立4組(8種)不同注漿層與圍巖材料參數(shù)的SGS(管片-注漿-圍巖)模型，進(jìn)行瞬態(tài)沖擊數(shù)值模擬，研究不同聲阻抗值對(duì)SGS模型沖擊回波規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：注漿層聲阻抗的大小對(duì)回波特性影響極大，其與管片聲阻抗的相對(duì)值決定了所能探測(cè)到的界面，以及頻域圖上峰值頻率的顯著性。

關(guān)鍵詞：聲阻抗；SGS模型；沖擊回波法；數(shù)值模擬

沖擊回波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)使用瞬時(shí)應(yīng)力波來(lái)探測(cè)物體內(nèi)部的缺陷。20世紀(jì)80年代MarySansalon等[1]為了檢測(cè)板狀結(jié)構(gòu)首先提出了這種方法, 如今它已被應(yīng)用于很多土木結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。主要包括板狀結(jié)構(gòu)(如橋面、混凝土路面和墻體)、梁和柱、層狀物、柱狀物以及預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量[2-4]等。隨著城市地下空間開發(fā)與利用的發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于城市的地鐵隧道以及市政隧道工程中。在工程中采用壁后注漿技術(shù)，可以充填由于盾構(gòu)刀盤外徑大于隧道管片外徑造成的超挖空隙，而且能夠防止圍巖松動(dòng)、管片漏水、顯著減少地面沉降，盾構(gòu)管片壁后注漿質(zhì)量對(duì)襯砌上土壓力分布與地表沉降有重要影響[5]。注漿質(zhì)量缺陷作為一種不外露缺陷，其檢測(cè)方法成為一個(gè)急需的研究新領(lǐng)域，其中沖擊回波法成為一個(gè)值得研究的新方向。

1基本原理

沖擊回波法是利用瞬時(shí)機(jī)械沖擊(用一個(gè)小鋼球或小錘輕敲被測(cè)物表面)產(chǎn)生的低頻應(yīng)力波來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)的。這些波遇到聲阻抗有差異的介質(zhì)界面就會(huì)發(fā)生反射、折射或繞射，不同界面之間的來(lái)回反射就會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)共振，再由放置在沖擊點(diǎn)附近的傳感器接收共振引起的位移信號(hào)。通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)，將采集到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，用于確定內(nèi)部缺陷的深度和構(gòu)件的厚度。

對(duì)于由2種或2種以上材料組成的分層結(jié)構(gòu)，其材料的聲阻抗值對(duì)沖擊回波測(cè)試結(jié)果尤為重要。當(dāng)應(yīng)力波穿透2種不同聲阻抗材質(zhì)組成的界面時(shí)，一部分入射應(yīng)力波會(huì)被反射回來(lái)，另一部分入射應(yīng)力波會(huì)被折射進(jìn)入下一介質(zhì)中。反射波和折射波與入射波之間的關(guān)系如下[6]：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可知，反射系數(shù)的正負(fù)依賴于2種材料聲阻抗的對(duì)比值。當(dāng)Z1>Z2，則反射系數(shù)為負(fù)，意味著應(yīng)力波反射后相位發(fā)生改變，此時(shí)反射波對(duì)應(yīng)的傳播頻率f1(即介質(zhì)1的厚度頻率)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中:β為形狀系數(shù)，對(duì)于板取0.96；Cp1為介質(zhì)1中的P波波速；T1為介質(zhì)1的厚度。

當(dāng)Z1

(4)

式(3)與式(4)表明，介質(zhì)聲阻抗的相對(duì)值決定了厚度頻率的計(jì)算公式。此外，由式(1)和式(2)也可知，2種材料聲阻抗的不同也決定了界面上反射波的能量大小，從而決定了用沖擊回波法能否探測(cè)到該界面。因而對(duì)于分層結(jié)構(gòu)，材料聲阻抗的相對(duì)值對(duì)沖擊回波測(cè)試結(jié)果有非常大的影響。

在管片-注漿-土體(Segment-Grouting-Surroundingrock，以下簡(jiǎn)稱SGS)模型中，注漿層材料的聲阻抗值小于管片聲阻抗，即屬于Z1>Z2情況。但注漿層的具體聲阻抗值隨著材料配比的不同存在很大差別。此外，SGS模型中存在3層結(jié)構(gòu)，圍巖的力學(xué)性質(zhì)也存在不確定性，注漿層-圍巖界面可能會(huì)對(duì)回波信號(hào)產(chǎn)生影響。

注漿層-圍巖界面相對(duì)應(yīng)的厚度頻率fd根據(jù)下式計(jì)算：

(5)

式中:T1和T2分別為混凝土管片與注漿層的厚度，Cp1和Cp2分別為混凝土管片與注漿層中的應(yīng)力波波速。

2數(shù)值模型建立

基于本文的研究目的，模型的主要變量為材料聲阻抗的相對(duì)值。因此設(shè)計(jì)4種注漿層材料參數(shù)，2種圍巖參數(shù)，包括8種參數(shù)組合。將主要材料參數(shù)列于表1，參數(shù)組合列于表2。

表1　材料參數(shù)

表2　參數(shù)組合

采用大型有限元軟件MSC.MARC完成模型的建立與計(jì)算。其中管片層厚度為320mm，注漿層厚度為100mm。采用平面分析方法，采用11號(hào)二維平面集成單元，以激勵(lì)點(diǎn)為原點(diǎn)，激勵(lì)方向線為對(duì)稱軸，建立SGS模型。在邊界單元處設(shè)置高阻尼以消除邊界反射對(duì)結(jié)果的影響。將激振力最大值和激振時(shí)間分別定為8N和40μs，總分析時(shí)間為0.008s，時(shí)間步長(zhǎng)4×10-6s。

圖2　SGS有限元模型Fig.2 Finite element model of SGS

3計(jì)算結(jié)果分析

選取距離激勵(lì)點(diǎn)8cm處節(jié)點(diǎn)，提取該處加速度、速度、位移時(shí)程曲線。以模型SGS-2-A為例，其速度時(shí)程曲線如圖3(a)所示。為消除瑞利波的影響，實(shí)際處理后的曲線為截去了瑞利波的部分，如圖3(b)所示。其余模型作類似處理，在此不再贅述。

(a)原時(shí)程曲線;(b)去除瑞利波后時(shí)程曲線圖3　SGS-2-A速度時(shí)程曲線Fig.3 Velocity Time-history curve of SGS-2-A

將去除瑞利波后對(duì)時(shí)程曲線作FFT變換，獲得對(duì)應(yīng)的頻域圖，如圖4所示。

圖4　SGS-2-A頻域圖Fig.4 Frequency domain of SGS-2-A

由圖4可見，除了在厚度頻率有效區(qū)域范圍(由計(jì)算確定，本文中處于1 000～8 000Hz之間)之內(nèi)出現(xiàn)了明顯的峰值，在有效區(qū)域外的低頻區(qū)域，也出現(xiàn)了一個(gè)峰值，該值是由于模型本身的彎曲振動(dòng)模態(tài)而非反射波引起[3]。在模態(tài)分析中，前幾階自振頻率均在1kHz以下，因此，進(jìn)行了以1kHz左右為截止頻率的高通濾波，用于消除這些強(qiáng)烈的低頻信號(hào)。

處理后的各模型頻域分析如圖5所示。

(a)SGS-1-A;(b)SGS-1-B;(c)SGS-2-A;(d)SGS-2-B;(e)SGS-3-A;(f)SGS-3-B;(g)SGS-4-A;(h)SGS-4-B圖5　各模型頻域圖Fig.5 Frequency domain

根據(jù)圖5可知：

1)注漿1與注漿2情況下，即注漿層聲阻抗遠(yuǎn)小于管片聲阻抗時(shí)(Zz/Z1<12%)，f1峰值十分明顯，fd則不明顯，頻域圖中干擾峰值極少，說(shuō)明管片-注漿層界面反射波能量值占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2)注漿3情況下(Z2/Z1=38%)，f1與fd峰值均能在頻域圖中找到對(duì)應(yīng)值，且較為明顯，頻域圖中出現(xiàn)較多干擾峰值，說(shuō)明在界面上發(fā)生了較為復(fù)雜的反射與折射。

3)注漿4情況下(Z2/Z1=63%)，fd峰值十分明顯，f1則不明顯，頻域圖中干擾峰值極少，說(shuō)明注漿層-圍巖界面反射波能量值占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

4)本文選取的兩種圍巖，計(jì)算所得頻域圖形狀上存在一定差別，但對(duì)應(yīng)的峰值頻率十分接近。

根據(jù)式(3)與式(5)，得到4個(gè)計(jì)算模型的峰值頻率理論值，與有限元模擬結(jié)果共同列于表3：

表3　結(jié)果對(duì)比

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為理論值

由表3可知，在頻域圖中能夠識(shí)別的峰值頻率上，數(shù)值模擬結(jié)果與理論值吻合較好。

4結(jié)論

1)隨著注漿層與管片層聲阻抗比值增大，注漿層聲阻抗越來(lái)越接近管片層，圍巖-注漿層界面厚度頻率越發(fā)地不明顯。界面沖擊波的反射從管片-注漿層界面占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽{層-圍巖界面占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2)研究結(jié)果表明，注漿層聲阻抗的大小對(duì)回波特性影響極大，其與管片聲阻抗的相對(duì)值決定了所能探測(cè)到的界面，以及頻域圖上峰值頻率的顯著性。

3)對(duì)于界面上存在復(fù)雜反射與折射的情況下讀取頻域圖中的峰值頻率，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行更多處理，由此需作進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)研究。

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Investigating the effect of acoustic impedance of the grouting rock in the shield tunnel Using impact-echo method

SU Jianhong，YAO Fei

(CollegeofCivilandTransportationEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

Abstract:Based on the segment-grouting-surrounding rock models in the shield tunnel and the principle that the materials’ acoustic impedance ratio has a great impact on the impact-echo test results, the segment-grouting-surrounding (SGS) rock models with different material parameters were established using finite element software MSC.MARC. The software was used to simulate the transient process of impact. The effects of different acoustic impedance values on SGS models were studied. The results show that the acoustic impedance of grouting layer has a great effect on the impact-echo characteristics. The acoustic impedance ratio of segment and grouting determines the interface that could be detected, as well as the significance of peak frequency on frequency domain.

Key words：acoustic impedance; SGS model; impact-echo method; numerical simulation

收稿日期：2015-10-11

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015B21414)

通訊作者：姚菲(1983-)，女，湖南鳳凰人，講師，博士，從事結(jié)構(gòu)隔震與結(jié)構(gòu)檢測(cè)研究；E-mail:yaofei215@sina.com

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)05-0938-05