摘要：随着我国隧道工程规模的不断扩大，其施工的质量和安全受到了更广泛的关注。将瑞雷波运用于混凝土隧道的无损检测中具有多种显著优点。本文分析了瑞雷波的原理和其在隧道无损检测中的应用，旨在为该工程的发展提供参考。
关键词：瑞雷波；混凝土隧道；无损检测
混凝土隧道的主要材料便是混凝土，其质量直接关系到隧道的质量和安全。但是由于施工条件、人为因素等问题，很多混凝土结构的承载能力和安全性能存在一定的问题，严重时会引发塌方等安全问题，危及人们的生命安全。无损检测技术便是防止此类事故发生的重要的技术，混凝土质量检测方法众多，其中瑞雷波法是近些年来被广泛应用的无损检测方法。
1瑞雷波概述
1.1瑞雷波进行工程勘测的原理
弹性波在不同介质的界面上会有不同的反射、折射效果，并产生界面波，其中沿表面传播的被称为表面波。瑞雷波是面波的一种，其一般在介质的自由界面内传播，不同介质的物理特性决定了瑞雷波的形成和传播。瑞雷波传播时，其介质的质点震动平面与波的传播方向所在平面垂直，振动轨迹是逆时针的椭圆形，振幅随着深度的增加呈现出指数函数形的急剧减小，其传播速度比横波略小。瑞雷波最初是由英国学者瑞雷确定，所以被称为瑞雷波。
瑞雷波在进行工程勘测时，主要依据的原理是波在介质中传播会反映介质的相关信息，通过分析波的动态特征可以了解介质的内部情况，且不会对介质的形态和性能产生影响，所以瑞雷波被广泛应用于工程的无损检测，本文重点分析其在混凝土隧道无损检测中的应用。
横波速度Vs、纵波速度Vp、瑞雷波速度VR和弹性常数之间的关系如下（E是介质的弹性模量，v是泊松比，ρ是密度）：
由公式（3）可见，在介质不变时，瑞雷波和横波的传播速度成正比，所以可以使用瑞雷波的传播速度评价介质的性质和质量。
另外，瑞雷波的波长λ、瑞雷波传播速度VR和频率f之间的关系如下：
当速度不变时，频率越高，其波长越短，短波长的瑞雷波只能穿透介质的表层；相应的，频率越低，其波长越长，则该波长的瑞雷波几乎能穿透整个介质层。所以，在使用瑞雷波对混凝土质量进行检测时，首先要做的工作是对所采集的瑞雷波信号进行频谱分析，从而得出每个测量点瑞雷波的频谱特征，然后进行正演分析，并对所有不同频率的信号实行速度扫描，得到最优的速度和频率相关曲线图，此曲线图代表了实验中从表层到检测深度范围内连续的瑞雷波速度信息，然后观察不同厚度位置混凝土的瑞雷波传播速度，并将每个测量点的信息绘制成图，可以得到该工程所需的混凝土信息，利于之后无损检测的开展。
1.2瑞雷波特点
瑞雷波具有三种显著特点，为混凝土隧道无损检测提供了方便。第一，在分层介质中，瑞雷波具有频散的特点；第二，波长不同的瑞雷波穿透深度也不同；第三，瑞雷波的传播速度和介质的物理性质密切相关。下面将对这几种特点进行详细阐述：
1.2.1在分层介质中的频散特点
波的传播速度与频率有关的现象被称为“频散”。在均匀的弹性介质中，瑞雷波的传播速度约为横波速度的0.92倍，无频散现象，但是在分层的层状介质中，当波长较短时，瑞雷波的波速约为上层介质横波速度的0.92倍；当波长较长时，瑞雷波的波速约为最下层介质中横波速度的0.92倍；当瑞雷波的半波长接近介质的分界面距自由界面的深度时，频散曲线的变化较为显著，不同频率的瑞雷波穿透深度不同，使得激发一次瑞雷波可获得混凝土内不同深度的信息，此特点是瑞雷波进行地质勘探的理论基础。下图1是瑞雷波在分层介质中的频散特性：
图1：瑞雷波在分层介质中的频散特性示意图
1.2.2波长与深度的相关性特点
瑞雷波是一种表面波，其振幅随离开自由表面的距离呈指数形式衰减，研究表明：瑞雷波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长范围内介质震动的平均传播速度，所以一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长，该特点为瑞雷波的浅层勘探提供了理论依据。
此外，根据速度除以频率等于波长可知，不同的瑞雷波长对应不同的频率，通过检测不同频率下介质的瑞雷波速度，可以得到频散曲线，频散曲线的特征及其变化规律和地质条件相关程度较高，通过对频散曲线进行反演计算，可以得到某一深度内的地质情况，也能得出不同深度瑞雷波的传播速度。
1.2.3传播速度和介质物理性质相关性特点
经过理论公式推导可得，在同样的介质内瑞雷波的传播速度约为横波速度的0.92倍，可见瑞雷波的传播速度可以反映介质的物理性质和存在状态。瑞雷波传播速度与介质的密度、抗压强度等具有良好的相关性，为无损检测奠定了基础。
1.3瑞雷波检测方法
瑞雷波的检测方法一般分为稳态法和瞬态法两种，两种方法的区别在于震源不同。稳态法是在激烈震动时产生相对单一频率的瑞雷波，再以单一频率波的形式传播，根据时间差或者相位差可以计算此频率面波的传播速度，改变震源的频率，则会得到不同的速度，然后进行测量和计算。瞬态法利用瞬态冲击力作为震源产生一定频率范围的瑞雷波，并以复波形式传播，在离震源一段距离的地方用传感器记录瑞雷波的垂直分量，对记录的信号进行频谱分析和处理，然后计算并绘制频散曲线，之后根据频散曲线的特点解决工程勘测等问题。
稳态法的优点有：资料处理简便、测量结果准确、不易受其它类震波的干扰等，其缺点有：施工速度慢、对震波要求较高，需要能产生稳定频率的机械震源。瞬态法的优点有：仪器要求简单、施工效率高等，但需要解决通过低频信号的激发来增强勘测深度的问题。
2瑞雷波在混凝土隧道无损检测中的应用
2.1工程实例
某高速公路隧道通车运营已经12年，出现了一些程度不一的损坏，将于近期对其进行加固维修，在维修前采用瑞雷波法对其进行了无损检测，下面是无损检测的结果。
2.2隧道洞穴和岩石断层检测
风化层底板、第四底板、洞穴、断层及破碎带的波场特征清晰，较容易判断。断层的情况为：同相轴错断、分叉、合并和扭曲；空洞的情况为：类似眼球状反射同相特征，且顶部反射能量较强；洞穴的情况为：似眼球状反射同相特征，顶层和底部反射的能量相当，眼球状内呈现散射状态。
2.3隧道衬砌强度检测
由衬砌强度检测的结果可知，衬砌强度有垂直分块现象出现，且一些分块间强度差异较为明显，最小强度为40.6 JPa，最大强度为56.8 MPa，平均强度为53.4 MPa。
2.4隧道衬砌质量检测
根据浅层地震反射深度剖面可知，整条反射同相轴连续性好，能量分布均匀，裂缝、疏松体和施工缝反射同相轴较为清楚，易于分辨，且具有明显的波场和能量特征。测线西边位置有9条明显的近水平裂隙和2处疏松体，其范围分别约为桩号795088米、标高3590372. 2米和桩号950100.5 米、标高359.5~372.2米。测线的东边位置有5条明显的近水平裂隙。
2.5隧道防渗墙连续性及厚度检测
根据隧道防渗墙连续性及厚度检测剖面可知，其中主要存在3组反射同相轴，分别为防渗墙顶板、底板和粘士层底板（即细砂层顶板）反射同相轴，墙体较为清楚、易于分辨，顶板埋深约为1.3~2.5米，底板埋深约为13015米。防渗墙顶板反射同相轴能量有一定的横向变化，表明墙的顶部有一定的厚度变化，防渗墙底板反射同相轴能量基本不变，表明墙的底部厚度和强度基本不变。
由上述可见，瑞雷波法可以简便清楚的检测隧道的混凝土结构的质量和问题，并且不会对材料产生损伤。
3瑞雷波法在检测混凝土质量时存在的问题
3.1瑞雷波速与混凝土介质并非逐点对应
瑞雷波法反映的是瑞雷波穿透深度范围内介质的物理性质，其所代表的是在深度范围内介质的平均速度，并不能全面反映出介质的真实性质，只能反映出多层介质叠加后的综合情况，缺乏严谨性。也就是说，用速度无法准确判断介质内部某一点的性质，在后续推定混凝士内部缺陷位置时同样无法得到准确可靠的结论。此情况的解决办法是利用瑞雷波速度反演介质的横波速度，因为横波速度是介质的体波速度，能和介质建立起逐点对应的分布关系。在掌握混凝土横波速度与混凝土强度之间的对应关系后，便可以将混凝土结构内的横波速度分布转变为混凝土结构内的强度分布。
3.2对混凝土横波速度的测试精度不够
只有对不同强度的混凝进行力学试验和横波速度测试才能得出准确的混凝土横波速度和混凝土强度间的对应关系，但是目前存在横波表相识别困难、到时判读困难等问题，会导致混凝土横波速度与强度之间对应关系的不确定性。对此，应该对实验室横波测试技术进行研究和改进。
4小结
瑞雷波具有以下三种特性：在分层介质中的频散特点、波长与深度的相关性特点、传播速度和介质物理性质相关性特点，这些特性使得其适用于混凝土隧道无损检测，本文分析了其原理、特点和应用，也提出了其中存在的一些问题，希望对隧道工程建设有所帮助。
参考文献：
[1]胡杨建，戴圣然，刘虹丹，田裕鹏，黄平，杨颖.基于瑞雷波的无损检测理论技术研究[J].机械制造与自动化，2018，47（05）：232-234+241.
论文作者:曹小龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/18
标签：介质论文; 混凝土论文; 速度论文; 波长论文; 隧道论文; 频率论文; 深度论文; 《基层建设》2019年第9期论文;