超声波透射法在桩基检测中的应用

超声波透射法在桩基检测中的应用

陈慧伟

宁波正信检测科技有限公司 浙江宁波 315177

摘要：超声检测技术在近几年得到了快速的发展。同济大学于1964年开发了CTS-10超声波探伤装置，并在1965年通过大量实验，提出了“声时-振幅-波形”三指标的混凝土强度评价法；1979年开始，我国交通部、水力发电部先后将超声波探伤技术纳入了部批准的测试方法与技术规范。在1978年，提出了用“概率统计方法”对混凝土进行超声波检测；1984年，提出区分法。本文对超声波透射法检测桩基的基本原理进行了阐述，并对工程技术人员提出了几点意见。

关键词：超声波;判据;钻孔灌注桩;混凝土质量

前言：

试验结果表明，利用超声波透射技术可以检测出桩基身上的缺陷，并可对桩的质量进行判断。超声法因其携带方便，使用方便，而且其测量结果准确率高，可进行大范围的测量，并且与钻芯法相比，成本较低，因此，其在水利、矿业、交通、市政等桩基工程中被广泛使用。

1超声波检测技术原理

钻孔灌注桩基体为水泥石、水、空气等多相间的非均匀介质，且会产生空洞、裂缝、夹泥、夹砂、疏松、甚至断裂等病害，从而导致混凝土的声阻抗下降。

将混凝土作为一种弹性材料，其在混凝土中的传播也遵循了弹性波的传输定律。声信号通过与水的相互作用传递至测管，然后经过桩侧的水泥基体，进入接收端测管，然后与水的相互作用传递至接收探针。在超声测桩法中，由于流体或气体不具有剪切弹性，仅能在空气中传输纵波，所以在超声测桩法中，主要利用了纵波成分。

探针发出的声波在两个位置处会产生一个复合声场，而这些复合声场中的声波会沿着两个位置的不同路线，最后抵达两个位置，且每一个位置的时间都不一样。但是，在各种传播路线中，有一条路线是最短的，即被探测到的第一个路线，被称为“初至”。如果将声波在管道和水之间的传递时间和设备的延迟时间作为初始值，那么就可以得到相应的声音速度。

桩的断裂、离析等缺陷会导致混凝土材料的连续特性被打破，导致声场的传播轨迹变得更加复杂，使得声时变长，从而导致声场计算结果的波速变小。此外，由于水、空气的声阻抗比混合土小得多，当声音通过混凝土时，当遇到蜂窝、空洞、裂纹等缺陷时，会在其界面处产生反射与散射，使其能量衰减，从而导致其幅度与频率显著下降。此外，穿透或绕过缺陷的脉冲波与直接波具有不同的声程和相位差，两者叠加后相互影响，导致接收信号波形失真。综上所述，如果桩的一部分有缺陷，接收到的声波会岀现一些特性，如：速度降低，幅度降低，波形扭曲，接收信号的主要频率也会改变。

2超声波的现场检测

在对桩基础进行超声探伤之前，需要预先埋设一根声测管。声测管直径通常为50~60毫米，埋管数目应根据桩身直径大小确定，并沿着桩身断面的外部对称布置；要采用合适的方法进行加固，并且要尽可能地将它们的位置弄得平整，并在桩身成型后能够彼此平行；测量管道之间的接头要平滑过渡，以保证探针运动不受阻碍；每根测管的开口高度应该统一，开口高度超过桩身100 mm；测管中应该填满清水，充当耦合剂，下端是封闭的，避免渗漏，也可以将各声测管下端连通（当有异物进入测管内的时候，可以用高压水来疏通，这要比测管的下端封闭要好），上端加盖，避免异物落入管中造成堵塞。

在测试之前，用比探测头略大一点的钢条或铁条来清理声波探测管道，以确保传感器的上升和下降都是平顺的；测量从发出声音的瞬间到接受声音的瞬间的系统的滞后时间；为了在计算出真实的声时时时，排除了测量管道和水力耦合剂的声时校正值；在单桩水平方向上，声波沿桩的直线方向传递，要根据设计值，或者用测管法安装好后，两个测管处之间的净距进行计算。桩顶上的声测管在施工过程中容易产生倾斜，故JGJ106-2003（以下简称《规范》）第10.3.2.3条“不适宜在桩顶上进行相对于桩顶上的声测管外壁之间的净距”。

在探测中，通常使用跨孔平测方法，将收发两个测点放置在同一高度的两个测点上，并同时上升和下降，测点间距不应超过250毫米。检

3桩身质量的判别依据及缺陷的判定

利用超声波在混凝土中穿行所需要的初始到达时间，可求出声波速度。在两根声测管大致平行的情况下，在无内部损伤且质量均一的情况下，在两根声测管的各个断面上，其声波时值大致一致；在裂缝出现的情况下，通过裂缝的速度会显著增加，这是因为裂缝中的泥浆、水和空气的混合体在裂缝中的传播速度要比完整的混凝土慢得多。如果裂缝中含有的材料和混凝土的声阻抗不相同，则裂缝间的渗透系数非常低，按照惠更斯定律，声通过裂缝后，裂缝间的波线呈现出波折形。绕程比直向程长，使声波时变大，从而使声波速度降低。实践证明：声波速度的变化具有很大的规律，并能从某种意义上反应出桩的混凝土品质，因此声波速度是一项重要的缺陷判定指标。

当声波速度出现异常时，其临界准则是：

V1Vc（1）

当式（1）成立时，该点声速可判为异常。

在探测断面上，如果测得的全部测点的速度都很低，而且离散度很小，则建议使用低频极限准则：

ViVL(2)

然后，以同样条件下的保留样本为研究对象，进行了抗压、超声流速对比试验，并结合现场实际，确定了保留样本的强度。若式（2）成立，就能将该点作为低频的极限值。

其中一个重要的参数就是超声波在经过混凝土后的衰减。随着超声波信号幅度的减小，超声波信号在混凝土中的传播速度也随之增大。通过对混凝土中超声衰减机理的分析，提出了低强度区、离析区以及夹泥、蜂窝等缺陷会对混凝土中的超声进行吸收和散射，从而导致声波的接收幅度显著降低。可以通过所述接收波来直接观测所述幅度。声波与水泥稳定碎石的品质有关，其对缺陷区的反应较声波速度更敏感。因此，这一点在评定产品质量时，也是一个很重要的指标。

在幅度异常情况下，应当按照以下公式来计算临界值准则：

Am=(3)

ApiAm-6（4）

针对由声波时域和振幅衰减所决定的异常区，采用PSD法进行了全面的研究。PSD准则是由湖南大学的吴慧敏教授提出的一种新的准则，它的计算方法如下：

PDS=K·t=·=（5）

PSD标准的物理含义是：声时—深度图中两个相邻点的斜率与两个相邻时之差之积。通过数值在一定深度上的突变，并与振幅的变化相结合，判断出了异常点。

从PSZ表达式可以看出，这一准则对于声场时的放大是呈指数级的。因此，缺陷区的PSD值比声时更为显著，且采用PSD准则可有效地解决非并行、非均质等由声测管道引起的声时差异对缺陷判定的影响。但是，在声时读数出现误差时，则通过PSD将误差信号放大，从而导致判断失误。

此外，还可以用来判断混凝土的品质，但是，影响其品质的因素较多，只能凭经验判断，没有量化的方法。在我国，除了以上几种方法之外，目前对缺陷的判定主要采用了概率法、斜率法和NEP法。

桩身完整性的判断和分级，涉及到的因素很多，在判断的时候，需要结合相关的数据，如施工过程、施工记录等，也可以与钻孔岩心方法相比较，再根据桩身混凝土的声学参数临界值、标准、混凝土声速的低限值，以及桩身质量可疑点的加密试验，根据桩身完整性的划分（《规范》中表3.5.1)，以及检测断面的声学参数特点（《规范》中表10.4.7)，来进行判断。

4结语

随着现代化城镇建设的不断深入，大量的重大项目都需要用到超声技术来检验钻孔灌注桩的质量，施工企业对超声技术在钻孔灌注桩中的应用也有了一定的认识。因此，超声波投射技术有着广泛的应用前景，与常规的地震勘探方法相比，超声波透射技术具有更高的探测精度，尤其是在解决了深层钻孔灌注桩基底难以探测的问题上。但在现有技术水平上，对于钻孔灌注桩的超声法仍有许多不足之处，例如，与低应变法相比，仍有成本较高，检测速度较慢等不足，因而需要不断的发展和完善。

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