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管波在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

2018-09-05

——轉(zhuǎn)載自任春山、楊懷玉、王闖(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

一、管波的概念

管波最早的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用是在聲波測(cè)井領(lǐng)域，是在管內(nèi)流體中傳播的聲波。有些聲波測(cè)井資料文獻(xiàn)將“管波”稱為“斯通利波”。其是在聲波全波列中的一種瑞雷波。其特征是頻率低〔3~5kHz、能量強(qiáng)、幅值大、衰減慢、傳播速度慢〔相速度和群速度接近孔中流體介質(zhì)速度的0.9倍）且與孔周圍巖土層的剪切波速度密切相關(guān)、頻散特性不明顯等,在彈性介質(zhì)中其幅值不隨距離增大而衰減。在全波列聲波測(cè)井記錄時(shí)窗內(nèi)所有的波列信號(hào)包括：縱波、橫波和斯通利波（如圖1所示）等多種成分的速度、幅度、頻率等信息。

管波在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

二、樁身中管波的傳播特性研究

1、管波的產(chǎn)生條件與傳播

管波是在尺寸有限的管內(nèi)流體中產(chǎn)生的一種致導(dǎo)波,產(chǎn)生的條件是管內(nèi)為有限尺寸,即管徑小于管內(nèi)液體縱波的波長(zhǎng)，如果管內(nèi)液體的縱波速度為1500m/s，管徑為40mm。管波的速度還取決于管壁固體介質(zhì)的彈性力學(xué)性質(zhì)，尤其是與管壁上橫波傳播有關(guān)的性質(zhì)。

管波速度與管壁介質(zhì)橫波速度、管內(nèi)流體縱波速度的關(guān)系式為：

管波在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

對(duì)管波的表述概括為以下三點(diǎn)：一是在尺寸有限的管內(nèi)流體中產(chǎn)生的聲波導(dǎo)只是在某些特定的低頻時(shí)被激發(fā)（離散模式波〕，而且有頻散；二是波的幅度與速度是“對(duì)偶”的^即幅度增加的同時(shí)其速度減小，反之亦然,管波的速度以管內(nèi)流體的縱波速度為上限值;三是管波幅度的基本變化規(guī)律是隨管徑的減小而變大、隨管壁介質(zhì)（地層或混凝土）的橫波速度的降低而增大、沿管軸方向傳播不發(fā)生幾何擴(kuò)展。

管波的幅值是隨距管壁的距離增加而減小的，其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，其長(zhǎng)軸方向與管軸平行,短軸方向與管壁法線方向一致。在貼近管壁時(shí)，橢圓的短軸最長(zhǎng),橢圓的面積也最大，表示管波的幅度（能量〕也最大，其速度也最慢；離開管壁移向管軸時(shí)，短軸逐漸縮短，橢圓的面積逐漸減小，表示管波的幅度（能量〕逐漸減小，其速度亦略有增加；在管軸方向上，短軸縮短為零，橢圓退化為直線（長(zhǎng)軸〕，管波“退化”為流體中的縱波。管波沿管壁進(jìn)行軸向傳播,在管壁固體介質(zhì)中從管壁向外呈指數(shù)衰減^在一個(gè)波長(zhǎng)的范圍均存在管波，如圖2所示。

管波在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

圖2管波傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2、樁身中管波的傳播特性

豎向透射法檢測(cè)與聲波透射法檢測(cè)類似，一般采用鋼管作為電火花震源探頭和聲波探頭的移動(dòng)通道，鋼管（即聲測(cè)管）內(nèi)徑一般為30~50mm，要求順直通暢，檢測(cè)時(shí)須灌滿清水。水的縱波速度為1500m/s，電火花震源的激振主頻率為1~5kHz出,則聲測(cè)管內(nèi)水。

三、樁身完整性特征分析

基樁樁身完整性檢測(cè)中，在預(yù)埋管內(nèi)灌滿清水，管波的傳播主要取決于管壁樁身混凝土介質(zhì)的彈性力學(xué)性質(zhì)，尤其是與樁身混凝土介質(zhì)的剪切特性有關(guān)，在樁身混凝土波阻抗變化界面處，管波同樣會(huì)產(chǎn)生反射與透射。

豎向透射法檢測(cè)是在管內(nèi)不同深度按一定的間距逐點(diǎn)進(jìn)行激振，通過(guò)安裝在樁頂?shù)慕邮諅鞲衅鹘邮諄?lái)自不同深度激發(fā)的沿樁身傳播至樁頂?shù)目v波信號(hào)和沿管壁附近介質(zhì)傳播的管波信號(hào)。由激振點(diǎn)沿樁身傳播的直達(dá)縱波在遇到混凝土缺陷時(shí)會(huì)攜帶因缺陷引起的波速下降、波幅衰減、頻率改變等彈性波特征信息；管波在傳播過(guò)程中遇到混凝土缺陷時(shí)發(fā)生反射與透射，其中透射波在通過(guò)缺陷后發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為沿樁身傳播的縱波;管波在樁端形成反射波和波形轉(zhuǎn)換的沿樁身向上傳播的縱波。樁頂傳感器接收來(lái)自樁身的—系列信號(hào)，組合形成反映樁身混凝土質(zhì)量的波列圖(如圖4所示〕，不同的波列圖同相軸影像特征反映了樁身混凝土完整性質(zhì)量（如圖5所示）。

管波在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究