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水 利 学 报

２０２４年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０８ － ０９４２ － １３

细观尺度下表面波法检测混凝土表面裂缝深度研究

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孙林远 ，黄 昊 １，２ ，陈 康 １，２ ，甄 理 １，２ ，陈改新 １，２，３
（１．中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８；２．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
３．水利部水工程材料重点实验室（筹），北京 １０００３８）

摘要：基于表面波截止频率检测混凝土表面裂缝深度是一种有效的无损检测方法。目前通常使用频率透射比法来
识别截止频率，但该方法受混凝土细观结构影响较大，识别效果较差。为提高截止频率的识别精度，本文提出了
多道信号相移频散分析法，开展了表面波检测均匀介质和混凝土细观模型表面裂缝深度的有限元模拟，通过对比
研究频率透射比法和多道信号相移频散分析法的检测机理和识别效果，给出了截止频率的识别标准，最后分析了
骨料、孔隙率和检测频率对多道信号相移频散分析法的影响。研究结果表明，多道信号相移频散分析法的识别效
果较好，且不受细观结构和缝厚比的影响；骨料粒径、含量和弹性模量的变化基本不影响该方法对截止频率的有
效识别；当表面波波长小于构件厚度且孔隙率不超过 ４％时，该方法仍具备较好的识别效果。本研究可为实际工
程中混凝土表面裂缝深度的定量检测提供理论基础。
关键词：混凝土表面裂缝深度；细观结构；截止频率；频率透射比法；相移法频散分析
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文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４００９４
中图分类号：ＴＶ６９８．１５
１ 研究背景

水工混凝土结构在长期运行过程中难免出现表面裂缝 ［１］ 。在巨大的水压力作用下，其表面裂缝容
易发展为贯通裂缝，从而对结构的整体安全构成更为严重的威胁。因此定量检测混凝土表面裂缝深度
对评估及预测结构的安全状态至关重要。混凝土表面裂缝深度无损检测一般采用热成像、冲击回波以
及超声波等方法 ［２ － ４］ 。超声波法因其操作方便、检测效率高等特点，在混凝土表面裂缝深度检测方面
得到了广泛应用 ［５ － ６］ 。超声波在固体介质中可分为体波（纵波、横波）和表面波（Ｒ波），其中 Ｒ波是纵
波和横波在表面耦合的结果，与体波相比，Ｒ波具有衰减少、能量高、长距离传输等优势，特别适用
于混凝土表面裂缝深度检测。
通过分析 Ｒ波的传播时间、衰减和截止频率等指标可以得到与裂缝深度有关的信息 ［７ － ９］ 。相较于
其它指标，采用 Ｒ波截止频率检测混凝土表面裂缝深度的方法效果更好，精度更高。截止频率的概念
最早由 Ｈéｖｉｎ等 ［１０］ 提出，其核心思想是表面裂缝对 Ｒ波产生的低通滤波效应。Ｉｏｄｉｃｅ等 ［１１］ 通过试验和
数值模拟方法研究了不同表面裂缝深度条件下沥青混凝土中 Ｒ波的传播规律，并采用共振频率和截止
频率来计算裂缝深度，取得了较高的精度。Ｐｏｐｏｖｉｃｓ等 ［１２］ 和 Ｓｏｎｇ等 ［１３］ 通过试验研究了该方法检测混
凝土表面裂缝深度的适用性及准确性。目前通常采用频率透射比法来识别截止频率，该方法基于表面
裂缝对高频 Ｒ波的能量衰减原理，通过分析不同频率 Ｒ波通过裂缝前后的能量变化对截止频率进行有
效识别。混凝土是一种由骨料、砂浆和气孔等细观结构组成的复合材料，细观结构对频率透射比法识

收稿日期：２０２４ － ０２ － ２１；网络首发日期：２０２４ － ０８ － ０８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｄｏｉ?１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４００９４
基金项目：中国水科院基本科研业务费项目（ＳＭ０１４５Ｂ０４２０２１）
作者简介：孙林远（ １９９７ － ），博士生，主要从事水工结构检测评估和修补加固研究。Ｅ － ｍａｉｌ：６９４３３０１８３＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：黄昊（１９８２ － ），博士，正高级工程师，主要从事水工结构检测评估和修补加固研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｈ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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