大壩混凝土缺陷檢測技術(shù)與方法研究總體緒論

大壩混凝土缺陷檢測技術(shù)與方法研究總體緒論1.1 立項依據(jù)混凝土是目前工程建筑中最主要的結(jié)構(gòu)材料之一，由于設計、施工質(zhì)量控制不嚴、自然災害或結(jié)構(gòu)老化等原因，混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中不可避免地存在如裂縫、蜂窩、孔洞、磨損和侵蝕等損傷，危及整個結(jié)構(gòu)的安全，混凝土無損探測己成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的問題。20世紀80年代以來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)已突破了原有的范疇，涌現(xiàn)出一批新的測試方法，包括微波吸收、紅外熱譜、脈沖回波等新技術(shù)。目前，混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測基礎理論方面的研究主要集中在兩個方面，其一是混凝土強度理論及無損檢測常用物理量的關(guān)系；其二是混凝土結(jié)構(gòu)中波的傳播機理。但是由于邊界條件或初始條件極其復雜，致使物理波場與介質(zhì)響應的理論分析面臨較大困難。就彈性波檢測技術(shù)方面而言，在混凝土裂縫探測、路基基礎及工程質(zhì)量檢測方面，人們開展了很多深入的理論和實驗研究，在實驗條件下往往都能取得好的檢測效果，但真正能在實際工程中取得較好效果的研究成果并不多見。電磁波在混凝土介質(zhì)中的響應問題，關(guān)鍵是弄清電磁波對地下埋入目標電磁波散射特性，目前主要集中在模型和算法研究上；就實用性而言，目前還沒有關(guān)于復雜探測對象、淺表媒質(zhì)及干擾假目標之間電磁波相互作用的定量研究成果的報道，使我們對電磁波在淺層復雜介質(zhì)中的傳播及散射過程缺乏足夠認識。電磁波及聲波的無損檢測是以探地雷達和聲波反射為檢測工具，但探地雷達和聲波反射的數(shù)據(jù)處理和解釋工作，與對空雷達理論系統(tǒng)、地震勘探信號處理、以及日漸成熟的硬件技術(shù)相比較時，會發(fā)現(xiàn)其還遠未達到系統(tǒng)、成熟的階段。另外，我們發(fā)現(xiàn)：(1)混凝土是一種極為復雜的物理介質(zhì)，其介電常數(shù)等參數(shù)具有不確定性，人們對混凝土中電磁波及聲波作用過程與響應特征還不十分清楚，混凝土中波速無法準確確定。(2)雷達及聲波反射圖像處理上目前主要靠人工分析和識別，效率不高。并且由于人的主觀意識的作用常會出現(xiàn)誤判和錯判等問題，急需開發(fā)高精度的自動識別系統(tǒng)。(3)盡管作為探地雷達和聲波反射理論基礎的波散射理論研究已有諸多報道，但現(xiàn)有探測目標波散射的理論只能給出探測目標散射的體積效應，沒有目標局部細節(jié)信息。(4)根據(jù)實際問題的需要，求解區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)可能會達到上萬個。現(xiàn)有的理論和方法均滿足不了處理的要求，這對數(shù)學理論和方法提出了更高要求，必須研究快速、精細的正反演方法。此外，由于待反演參數(shù)向量維數(shù)的巨大，問題的非線性性和不適定性的程度都顯著增加，導致了解的個數(shù)或局部極小點的個數(shù)大量增加，因此還要考慮反演方法的全局收斂性問題。因而，對聲波及電磁波在有耗色散介質(zhì)中傳播理論為基礎的混凝土無損探測方法進行深入、系統(tǒng)的研究，具有十分重要的理論意義和實踐意義，發(fā)展可視性強、識別精度高的數(shù)值反演成像方法并形成可操作強的檢測軟件。1.2 國內(nèi)外混凝土缺陷檢測技術(shù)與方法研究及應用現(xiàn)狀早在30年代初，人們就開始探索和研究混凝土無損檢測方法，并獲得迅速的發(fā)展，1930年首先出現(xiàn)了表面壓痕法，1935年格里姆（G·Grimet）.艾德（J·M·Ide）把共振法用于測量混凝土的彈性模量。1948年施米特（E·Schmid）研制成功回彈儀。1949年加拿大的萊斯利（Leslide）、切斯曼（Cbeesman）和英國的瓊斯（Jons）、加特費爾德（Gatfield）首先把超聲脈沖檢測技術(shù)用于結(jié)構(gòu)混凝土的檢測，開創(chuàng)了混凝土超聲檢測這一新領(lǐng)域。接著，又使用放射性同位素進行混凝土密實度和強度檢測，這些研究為混凝土無損檢測技術(shù)奠定了基礎。隨后，許多國家也相繼開展了這方面的研究，如前蘇聯(lián)、羅馬尼亞、日本等國家在50年代都曾取得許多成果。60年代，羅馬尼亞的費格瓦洛（I·Facaoaru）提出用聲速、回彈法綜合估算混凝土強度的方法，為混凝土無損檢測技術(shù)開辟了多因素綜合分析的新途徑。60年代聲發(fā)射技術(shù)被引入混凝土檢測體系，呂施（H·Rusch）、格林（A·T·Green）等人先后研究了混凝土的聲發(fā)射特性，為聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用打下了基礎。80年代中期，美國的MarySahsatone和NicholasJ·Garino，實現(xiàn)了在水泥混凝土等集結(jié)型非金屬、復合材料中采用機械波反射法進行無損檢測的目標，此外，無損檢測測的另一個分支－鉆芯法、撥出法、射釘法等半破損法也得了發(fā)展，從而形成了一個較完整的混凝土無損檢測方法體系。GPR技術(shù)對于混凝土結(jié)構(gòu)的探測以英國利物浦大學土木系的J.H.Bungey和S.G.Millard[1]等人所做的各種類型研究為代表。J.H.Bungey等使用一種具有和混凝土相似的電磁性質(zhì)和導電性能的油水乳膠體來代替混凝土，通過試驗研究了在乳膠體內(nèi)不同直徑、不同埋深的鋼筋所測得的雷達圖像對鋼筋的保護層、鋼筋間距、埋深及鋼筋對其下的鋼筋和空洞的影響做了深入細致的研究并得出了具有指導意義的結(jié)論。從理論的角度看，Cui等[2]在頻域積分方程Born近似的意義下設計了一些有效的反演算法。J.R.Ernst等[3]研究了跨孔雷達數(shù)據(jù)的全波形反演，用共軛梯度法實現(xiàn)了介電常數(shù)與電導率的同時反演，雖然所使用的反演理論和方法較為經(jīng)典，但其結(jié)果充分說明了全波形數(shù)值反演方法相較于射線方法和逆散射方法的優(yōu)越性，令人振奮。F.Soldovieri等[4]在探測火星地表下的介質(zhì)結(jié)構(gòu)時，提出了GPR結(jié)合微波斷層的新技術(shù)，得到了滿意的結(jié)果。O.Brandt等[5]將探地雷達的應用領(lǐng)域進一步擴大，他們通過對南極洲等地進行雷達探測，研究了冰川消融的問題，為環(huán)境問題的研究提供了一個新穎而有力的工具。在以Maxwell方程為理論依據(jù)的基礎上，M.Fragiacomo等[6]提出了一種新的有限元模型對鋼筋混凝土橫梁進行探測。H.Diab等[7]對一般的Maxwell方程進行了修改和拓展，并將這種模型成功地應用于玻璃鋼混凝土界面的探測。在國內(nèi)，GPR技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用研究以實際工程為主，例如徐美庚等[8]對后張預應力混凝土鐵路橋梁構(gòu)件進行檢測，得出了梁體腹板內(nèi)最外層鋼筋骨架分布及其保護層厚度、預應力鋼束的分布和位置，預應力管道灌漿與未灌漿雷達圖像的比較。謝雄耀等[9]在原上海匯豐銀行大樓的加固中，使用900MHz和1200MHz的高頻天線探測出了混凝土保護層的厚度、樓板厚度及內(nèi)部的鋼筋間距、梁內(nèi)型鋼尺寸及箍筋間距。在理論方面還沒有基于探地雷達的混凝土檢測方面的成果，一些工作是一般性的。例如，劉四新等[10]研究了用有限差分法進行頻散介質(zhì)中雷達波的數(shù)值模擬，并提出了一種新的吸收邊界條件。周奇才等[11]利用基于時間域有限差分法（FDTD）模擬軟件GprMax2D，進行探地雷達地質(zhì)圖像模擬，并進行復雜地質(zhì)條件下的雷達圖像識別。肖明順等[12]引入一種新的吸收邊界：單軸各向異性理想匹配層（UPML），實現(xiàn)對有損耗介質(zhì)中雷達波傳播的數(shù)值模擬，UPML的計算精度都較Mur二階吸收邊界和GPML高。底青云等[13]用有限元方法研究了有耗介質(zhì)時域GPR速度與介電常數(shù)的聯(lián)合反演。王兆磊等[14]從二維Maxwell方程出發(fā)，推導出波形反演公式，實現(xiàn)了介電常數(shù)與電導率的同時反演。在超聲波及聲波反射方面，楊文采等采用帶阻尼的LSQR迭代算法進行反演成像[15],將聲波CT技術(shù)用于首都機場高速公路某鋼筋混凝土橋臺的質(zhì)量檢測,取得了良好的效果;王五平等用聲波層析成像方法檢測了混凝土灌注樁的質(zhì)量[16];何良軍用彈性波層析成像檢測混凝土橋墩灌漿加固情況[17];趙明階用超聲波層析成像方法對混凝土損傷情況進行了研究[18];Bondetal.用聲波走時成像對混凝土壩體質(zhì)量作了研究[19];張震夏等用聲波CT對混凝土大壩缺陷進行了檢測,所用電火花震源產(chǎn)生聲波穿透距離可達近百米,實際應用表明:其自行研發(fā)的ST-2100聲波CT系統(tǒng)優(yōu)于日本OYO的層析系統(tǒng);劉國華等將聲波CT用于檢測某商住樓混凝土柱的強度缺陷[21],取得了較好的效果。以上研究對CT技術(shù)在混凝土檢測中的應用起到了很大的推動作用。1.3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線1、混凝土中聲波及電磁波作用過程與響應特征研究針對混凝土的缺陷問題，研究電磁波及聲波與混凝土缺陷的波場響應過程，研究混凝土缺陷的波散射特征，為數(shù)據(jù)處理提供理論支撐。2、混凝土無損檢測模型研究混凝土探地雷達及聲波反射無損探測模型來源于探地雷達波方程和聲波方程，它描述了電磁脈沖和聲波在媒質(zhì)中的率。5、混凝土無損檢測反問題研究反演工作，是一個大規(guī)模的計算問題?；炷潦且环N非均勻各向異性復合材料，其無損探測問題是一個對分辨率要求很高的問題，想要實現(xiàn)穩(wěn)定、快速、高效、全局收斂的精細反演方法是一個非常困難的問題，必須考慮用特殊的方法從多個方面綜合加以解決。這主要包括：以Maxwell方程及聲波正問題為約束的有界變分正則化泛函的構(gòu)造，它可有效克服Tikhonov正則化方法過度光滑的問題，適合于對邊界不光滑介質(zhì)和裂縫的檢測；反演過程中敏感度矩陣與向量的乘積的計算問題（從而大幅度減少存儲量）；稀疏矩陣技術(shù)的應用，從而實現(xiàn)全局收斂反演并最大幅度地提高效率等。6、實際資料處理初步處理工程勘探與檢測的實測資料，形成成像