CC BY
32
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА . СИМПОЗИУМЕ. "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 i ода
s s fö Ю.Н. Бауков, А.В. Андреев, : ::::::::
У - - -: А.Ю. : Бауков, 2000 : ■ :
УДК 620.179:691.32 ^
;; Ю.Н. Бауков, А.В. Андреев, А.Ю. Бауков
И О ВОЗМОЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ Н СКРЫТЫХ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ И В ЗАЩИТНЫХ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПРОЗВУЧИВАНИЯ
П
роблема устойчивости и долговременной сохранности горных выработок является одной из кардинальных в комплексе проблем горного производства, особенно в условиях техногенных воздействий. К процессам, влияющим на устойчивость выработок, относятся процессы образования расслоений в кровле, появление пустот и зон пониженной прочности в закрепном пространстве, снижение прочности материала железобетонных, стальных и анкерных крепей, образование крупных трещин, каверн и других структурных дефектов в теле облицовки горных выработок, деформационные процессы в околовырабо-точном пространстве вследствие воздействия перераспределения внутренних напряжений, тектонических процессов и процессов третьего порядка.
В практике подземного городского строительства в качестве крепи используются преимущественно железобетонные конструкции, позволяющие осуществлять надежную гидроизоляцию подземных сооружений. Качество защитных железобетонных конструкций зависит от целого комплекса факторов. Одним из основных из них, влияющих на прочность и сохранность конструкций, является наличие в конструкциях скрытых протяженных структурных дефектов. К основных типам таких структурных дефектов можно отнести следующие: горизонтальная скрытая
трещина; внутренние объемные дефекты; вертикальная или наклонная трещина, выходящая на поверхность;
поверхностный слой бетона с низкими прочностными характеристиками.
Наиболее опасными с точки зрения возможного нарушения целостности покрытия и в то же время характеризующимися наибольшей сложностью обнаружения являются приповерхностные протяженные дефекты. Для их обнаружения с использованием неразрушающих методов контроля требуются или специальная аппаратура, например, толщиномеры, которые не всегда из-за высокой степени шероховатости поверхности бетона дают положительный эффект, или необходима разработка новых методов контроля на основе применения стандартной ультразвуковой аппаратуры.
Как показали многочисленные эксперименты, описанная в литературе методика обнаружения скрытых приповерхностных дефектов на основе построения годографов первых вступлений ультразвукового импульса неработоспособна, так как приповерхностный дефект в однородном бетоне на ультразвуковых частотах не может оказывать никакого влияния на прямую волну, регистрируемую в первых вступлениях. Однако определение наличия таких дефектов в бетоне возможно в случае проведения ультразвуковых измерений серийной аппаратурой контроля с визуализацией волновой картины (УК-10ПМС, УД2-16, УКБ-1М и т.д.) на основе использования следующих физических закономерностей.
Рассмотрим кинематические характеристики упругих волн, распростра-
няющихся в приповерхностном полупространстве при наличии в нем на глубине Н границы раздела в виде горизонтальной трещины, являющейся физической моделью верхней границы протяженного дефекта, в случае использования методики поверхностного прозвучи-вания, в частности методики линейного профилирования.
При наличии в объеме покрытия между излучающим и приемным преобразователями протяженного горизонтального поверхностного дефекта приемный ультразвуковой преобразователь будет в каждой точке профиля с горизонтальной координатой XI регистрировать следующие основные типы упругих волн (поперечные волны в границах данного вопроса рассматриваться не будут): а) продольная прямая волна Р с временем распространения ^; б) прямая поверхностная волна R с временем распространения Ы; отраженная от границы продольная волна ОР с временем распространения ^>р.
Особенностью волновых процессов при конкретных условиях ультразвукового профилирования является наличие интерференционных процессов между указанными волнами вследствие весьма малых расстояний между излучателем и приемником, что усугубляется значительной длительностью ультразвуковых импульсов, возбуждаемых стандартной аппаратурой контроля. Для исследования этих особенностей рассмотрим кинематические годографы указанных типов волн.
Теоретические годографы этих волн могут быть построены на основании следующих выражений:
х х л/х + 4Н2 (1)
tp = ~С~ ’ tR = ~С~ ’ toP = С '
Ср CR Гр
где Ср и Сц - скорость распространения Р- и R-волн, Н - глубина расположения дефекта.
На основании этих выражений были построены годографы для реальных условий проведения контроля в бетонном покрытии со следующими значениями скоростей: Ср = 3857 м/с; ^ = 2421 м/с. Общая длина профиля соответствовала L = 0,3 м; шаг профилирования Dx = 0,03 м; глубина расположения дефекта Н = 0,07 м. Годографы прямых Р- и R-волн имеют вид веерообразных отрезков прямых, годограф отраженной волны характеризуется формой гиперболы, которая
пересекается с годографом R-волны в точке с координатой х0 » 12 см.
Анализируя особенности годографов указанных волн, можно сделать следующие выводы. Начальная часть волнового импульса, регистрируемого приемным преобразователем, в зависимости от величины базы прозвучи-вания XI (без учета поперечной волны, которая при мощной R-волне маскируется последней) состоит из следующих составляющих.
При х I х0, начальная часть импульса образуется Р-волной (первое вступление), S-волной и мощной R-волной, амплитуда которой значительно превышает амплитуду Р- и S-волн. Отраженная волна приходит после начала R-волны, т.к. при х < х0 О < tR. После того, как х [ х0, отраженная продольная волна начинает опережать поверхностную и можно предположить, что за точкой х = х0 отраженная волна интерферирует с началом R-волны и со вторыми фазами Р-волны. При условии изменения фазы отраженной от свободной поверхности дефекта волны явление интерференции создает эффект некоторого уменьшения амплитуды поверхностной волны и перемещения начальной фазы R-волны в стороны более высоких времен. Однако амплитуда отраженной от дефекта волны значительно меньше амплитуды поверхностной волны, поэтому ее влияние на годограф R-волны существенно сказывается лишь в начальной области расстояний х [ х0.
Аналогичный эффект интерференции будет наблюдаться и в области вторых вступлений Р-волны, в диапазоне времен между первыми вступлениями Р- и R-волн. При небольших расстояниях х после точки х0 отраженная волна будет интенсивно интерферировать с Ри S-волнами, что обязательно отразится на характере годографов фаз ультразвукового импульса в этом диапазоне времен. Именно на этих расстояниях отраженная волна, усиленная интерференцией с поверхностной волной, будет иметь значительную амплитуду и вследствие этого характер изменения годографов фаз в рассматриваемом диапазоне времен ультразвукового импульса в большой степени будет определяться отраженной волной.
Данные соображения позволили предположить о возможном влиянии приповерхностного дефекта на годографы фаз ультразвукового им-
пульса во вторых вступлениях продольной волны и в первых фазах поверхностной волны. С целью проверки данной гипотезы были проведены экспериментальные исследования на объемных моделях приповерхностных дефектов различной формы. Модель представляла объемный бетонный блок с размерами 585 х 555 х 310 мм, внутри которого на глубине от 50 до 70 мм были организованы структурные дефекты в виде полостей различной формы с горизонтальной ориентацией: вытянутый параллелепипед, эллипсоид, сфера, а также прямоугольная призма с наклонной верхней гранью. Максимальные размеры верхних поверхностей дефектов изменялись от 180 от 205 мм*.
Эксперимент заключался в продольном ультразвуковом профилировании на поверхности модели в зонах расположения дефектов. Линейные профили разбивались вдоль максимальных граней или максимальной осевой линии дефектов. Параметры профилей соответствовали параметрам расчетной схемы годографов, указанным выше. Измерения проводились серийной ультразвуковой аппаратурой с визуализацией волнового импульса: УК-10ПМС и УКБ-1М с использованием стандартных преобразователей с собственной частотой: 25 кГц, 60 кГц, 100 кГц. При измерениях осуществлялось прямое и встречное профилирование. В каждом пункте наблюдений на профиле с координатой х1 измерялись времена распространения следующих характерных точек регистрируемого на ЭЛТ ультразвукового импульса: а) начало первых вступлений продольной (р и рэлеевской (О) волн, а также начало последней фазы импульса перед вступлением R-волны ^10); б) амплитудной значение первой фазы R-волны ^ж) и амплитудное значение последней фазы перед вступлением R-волны (А). По результатам таких измерений строились годографы.
На годографах (как прямых, так и встречных) четко прослеживаются следующие особенности. Годографы Р- и R-волн (^ и А) вдоль всего профиля не изменяют свою прямолинейную форму. На годо-
* Модель изготовлена Степановой Н.М. и Алешиным Т.А., они же принимали участие в проведении эксперимента.
графах tOR, t10 и А в районе значений базы прозвучивания, примерно равной величине х0 = 12 см, наблюдается изменение формы прямолинейных годографов, заключающееся в ярко выраженном увеличении наклона годографа в пределах одной-двух величин шага профилирования. Далее имеет место небольшой прогиб кривой годографа, аналогичный прогибу гиперболического годографа отраженной от плоскости волны. На расстоянии, приблизительно соответствующем проекции второго края дефекта, годографы принимают свою первоначальную прямолинейную форму: годографы t10 и А -форму годографа Р-волны, годограф tOR - форму R-волны.
Указанные особенности поведения соответствующих годографов получены над всеми протяженными дефектами, кроме шарообразного. Причем над дефектом с наклонной плоскостью изменение формы годографа при прямом профилировании (по восстанию плоскости) начиналось в районе точки выхода на поверхность отраженного луча, соответствующего падающему лучу, который выходит из излучателя
под углом 4 - углом мак-
симального возбуждения поперечной $-волны. Тогда как на встречных годографах изменение их формы начиналось в районе проекции верхнего края плоскости дефекта.
Таким образом, результаты эксперимента полностью подтверждают предположение о возможности обнаружения приповерхностных протяженных дефектов при использовании методики поверхностного прозвучивания за счет регистрации процесса интерференции отраженных от дефекта волн с другими типами прямых волн. При этом данная методика позволяет не только выявлять наличие дефекта, но также оценивать протяженность дефекта и ориентацию его верхней грани относительно свободной поверхности объекта. Кроме того, форма проявления рассмотренных волновых эффектов позволяет автоматизировать процесс регистрации и идентификации дефектов с использованием ЭВМ.
/
Бауков Юрий Николаевич — доцент, Московский государственный горный университет.
Андреев Алексей Владимирович — студент Московский государственный горный университет.
Бауков Арсений Юрьевич — студент Московский государственный горный универси-
