《NDT & E International》：Seismic anisotropy analysis across a vertical crack in concrete using a controllable high-frequency source
编辑推荐：
本研究开发了一种名为Seesaw Hammer的高频可调地震源，通过调整锤头质量和刚度实现频率控制，解决了传统方法不可靠的问题。实验证明该工具可有效检测混凝土中的垂直裂缝，并利用相位速度和Q因子分析不同流体（空气、水和聚乙二醇）填充裂缝时的地震各向异性差异，为混凝土结构无损检测提供新方法。
Nontawat Srisapan|Sananda Ray|Gregory P. Waite|Roohollah Askari
密歇根理工大学地质与采矿工程与科学系，美国密歇根州49931
摘要
在无损检测（NDT）中，可靠地检测混凝土结构中的内部缺陷仍然是一个挑战。传统的地震源，如锤子或重物下落，缺乏重复性，且无法产生足够高的频率以详细表征缺陷。本研究通过开发“跷跷板锤”（Seesaw Hammer）来解决这些问题，这种地震源能够产生可控的高频地震波。实验室实验通过改变锤头的重量和硬度验证了其重复性和频率可调性，结果表明较轻和较硬的锤头会产生更高的频率。因此，它适用于混凝土结构中的导波分析。我们在含有垂直裂缝的混凝土板上对“跷跷板锤”进行了测试，使用了两种配置：相对于裂缝方向的平行排列和垂直排列。数据采集了充满空气、水和聚乙二醇（PEG，一种定制的粘性流体）的裂缝。相位速度和质量因子（Q因子）分析显示，垂直排列配置导致较低的Q因子和相位速度。地震各向异性的程度（地震特性相对于裂缝方向的依赖性）随流体类型而显著变化。充满空气的裂缝表现出最高的各向异性和最低的Q因子，而充满PEG的裂缝则表现出最低的各向异性和最高的Q因子，这表明使用这种高频地震源进行的地震各向异性分析能够有效识别和表征垂直裂缝以及其中所含的流体。
引言
混凝土结构经常会出现裂缝，这些裂缝会使得水分和腐蚀性物质渗透，从而导致钢筋腐蚀和结构削弱[1]。在刚性路面上，裂缝可能表现为纵向、横向或角部断裂，通常由机械载荷或热应力引起[2,3]。荷载引起的裂缝发生在高应力区域，如板角，通常是由于反复的车辆通行和路基失效造成的。材料引起的裂缝则源于收缩、养护不良或化学反应，通常表现为广泛的地图状裂缝，这使得诊断变得复杂[3,4]。及早检测和表征这些裂缝，特别是内部和垂直裂缝，对于及时维护至关重要，以防止它们发展成严重问题，这也凸显了无损检测（NDT）的重要性。
无损检测（NDT）方法常用于裂缝检测，包括回弹锤测试、地面穿透雷达（GPR）、超声波脉冲速度、冲击回波、声发射、射线照相测试和红外热成像。然而，这些传统的NDT方法在检测隐藏裂缝时可能存在局限性，因为这些裂缝在表面并不明显。在这些技术中，地震方法被证明特别有效，因为它们利用弹性波传播来表征内部特性，如刚度和缺陷[5,6]。虽然地震反射和折射常用于深度勘探，但表面波方法，特别是表面波的频谱分析（SASW）和多通道表面波分析（MASW），常用于近地表工程[5,7]。这些方法利用导波（例如瑞利波和兰姆波）的色散特性来估计剪切波速度剖面并定位基础设施（如路面和桥面板）中的缺陷[[8], [9], [10], [11], [12]]。
这些研究的一个关键要求是产生能够分辨小而薄层缺陷的高频波。传统上，这是通过使用手动冲击源（如小钢头锤或球头锤）来实现的[13]。然而，这些手动方法在重复性方面存在显著限制。用户冲击速度和角度的变化会导致不一致的地震测量结果，从而影响高级处理所需的数据质量[13,14]。尝试使用自动化解决方案也面临挑战。尽管压电执行器和机电振动器提供了更好的重复性[15]，但它们在粗糙的混凝土表面上往往难以耦合。此外，地质技术研究中使用的落重系统通常设计用于较低频率，缺乏本研究中使用的高频率（>10 kHz）所需的精确控制[16]。这些落重系统还容易出现反弹问题，这会干扰主地震信号。因此，亟需一种能够结合冲击器的高能量与设备的重复性和频率控制的地震源。
在这项研究中，我们通过开发“跷跷板锤”来克服这些限制，这是一种新型的、可重复的、可调的超高频地震源，专门用于混凝土结构中的缺陷表征。与传统锤子、自由落体重物或压电设备不同，“跷跷板锤”利用固定枢轴机制严格限制冲击矢量，从而有效地标准化接触时间。通过可更换的锤头硬度和质量实现精确的频率调节，该设备能够产生可控的高频导波，这对于分辨混凝土中的薄层缺陷至关重要，且无需复杂的电子信号生成。首先，我们在厚度约为11.43厘米的实验室混凝土板上进行了实验，以优化和验证我们定制的锤子。该混凝土板由焊接金属网制成，金属丝在两个方向上间距为6英寸，每根金属丝的截面积为0.29平方英寸。我们在混凝土板上的首次实验通过调整锤头重量和硬度验证了其重复性和频率可调性，结果表明较轻和较硬的锤头会产生更高的频率。接下来，我们在一个尺寸为3米×3米×0.24米的混凝土板上使用了该锤子，其中嵌入了一个垂直方向的裂缝（30厘米×15厘米×0.2厘米）。裂缝外部连接有一根管子，用于注入流体。我们使用了三种不同的流体：空气、水和聚乙二醇（PEG，分子量为8000克/摩尔）的溶液，以展示“跷跷板锤”在分析地震各向异性、相位速度和质量（Q）因子方面的有效性。虽然数值模拟和受控物理模型已经探讨了流体特性与地震衰减之间的关系，但将这些原理应用于检测异质混凝土中的流体填充缺陷仍然具有挑战性。本研究将重点从简单的衰减测量转向地震各向异性的分析，特别是相位速度和Q因子相对于裂缝方向的方向依赖性。我们提供了实验证据，表明这种各向异性响应可以作为流体表征的诊断指标。本质上，我们展示了使用开发的“跷跷板锤”进行此类分析的可行性，证明了其在识别混凝土结构中裂缝内容方面的潜力。最终，这项研究旨在改进基于地震的NDT方法，显著提高检测和表征混凝土结构内部缺陷的准确性和分辨率。
部分摘录
可重复且可调的跷跷板锤
开发这种地震源的目标是创造一种价格低廉（低于100美元）的设备，其频率内容和冲击强度可以轻松调节。因此，设计了一种类似跷跷板的锤子（见图1），用于表征薄层混凝土中的缺陷，目的是以高频进行地震激发，以确保地震能量主要在层内传播。锤子的手柄由非常轻质的PVC管制成（见图1a–c），其末端
数据处理
我们共获得了24条虚拟地震迹线，这些迹线是通过保持四个接收器固定不动，仅移动锤子和触发传感器来获得的。对于每个地震源位置，数据采集重复了25次，并在之后进行叠加，以提高数据的信噪比。在数据采集过程中，实验现场存在间歇性的环境噪声，这些噪声与地震数据一起被我们的传感器记录下来。然而，通过使用信号平均（叠加）
结果
在本节中，我们展示了实验结果，首先优化了“跷跷板锤”，以证明其高频生成和重复性的能力。然后，我们将这种优化的地震源应用于三种不同流体中的垂直裂缝模型的相位速度各向异性研究，随后进行了每种流体条件下的Q因子估计。
锤子几何形状和锤头质量对频谱特性的影响
Kumar和Rakaraddi在参考文献[16]中的发现为解释本研究中开发的“跷跷板锤”的性能提供了有价值的背景。他们的研究表明，增加球形质量的下落高度会导致可测量波长的持续增加，从而通过表面波分析实现更深的地下特征识别。类似地，当前的结果表明，更长的锤子长度会产生更强的振幅结论
总体而言，开发的“跷跷板锤”证明了自己作为一种有效且廉价的工具，能够在受控的实验室环境中生成高频地震激励。实验结果表明，地震各向异性和衰减分析可以区分所测试的垂直裂缝模型的具体特性，突显了这种方法在薄混凝土板无损评估中的潜力。本研究中开发的“跷跷板锤”展示了
作者贡献声明
Nontawat Srisapan：撰写——原始草稿、研究、正式分析。Sananda Ray：撰写——审阅与编辑、正式分析。Gregory P. Waite：撰写——审阅与编辑、监督。Roohollah Askari：撰写——审阅与编辑、监督、研究、概念化。
生成式AI声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进语法和措辞。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资金来源
本材料基于国家科学基金会的支持，奖项编号为2021768。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Roohollah Askari报告称获得了国家科学基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢Choon B. Park博士（Park Seismic LLC）在理论指导方面的帮助，感谢Quang Ngoc Vinh Tran博士（密歇根理工大学）在实验结果讨论上的支持，以及Roger Turpening博士（密歇根理工大学，名誉教授）在数据采集方面的建议。
