基桩检测技术-超声波

基桩检测技术——声波透射法1． 相关标准、规范超声法检测灌注桩的方法涉及的全国性规程有：建设部行业标准《基桩低应变动测规程》（JGJ/T93-95）；中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003 J 256-2003）；中国工程标准化委员会协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）。

2． 混凝土超声检测原理超声波检测法是根据超声波在混凝土中传播后，其声学参数将发生变化，通过分析这些声学参数的变化，探测混凝土内部缺陷、裂缝及质量情况。

常用混凝土超声探测的声学参数有：1）波速v （声速）： 波速就是声波在介质中传播的速度。

tL v （1） 式中 L ——声波传播距离。

因为是以最先到达的波为准，L 是发、收换能器间的最短距离。

通过实体丈量得到；t ——声波传播时间（声时）。

声时由超声仪测得。

2） 振幅A ：接收波首波的幅度。

振幅以分贝（db ）表示，由超声仪上读出，也可凭示波器上的刻度（mm ）度量。

振幅参数是探测缺陷和裂缝的重要参数。

3） 收波主频率（简称频率）f ：发射换能器发出的超声脉冲波是复频脉冲波，它包含各种频率成分。

超声脉冲波在混凝土中传播过程中高频成分首先衰减，结果随着传播距离的增加，超声波的主频图1超声测试波形率不断下降。

接收波主频率的下降除了与传播距离有关外，还取决于混凝土内部缺陷、裂缝和质量。

因此，接收波频率也是一个有用的参数。

首波后面1~2个周波是直达的纵波，所以测定接收波频率时应当测定这1~2个波的频率。

可以通过移动游标的办法测定两个波谷（峰）的声时t 1、t 2，则频率f ：121t t f -= （2） 4） 波形：即波的形状。

正常的混凝土，超声波接收波形是衰减正弦波，其包络线大致为半圆形。

当混凝土内存在缺陷时，有时会出现畸变波，如图1所示。

波形受许多因素影响，在判断缺陷中只能作为一种辅助参数。

在结构物上布置换能器，让声传播线通过需要检测的部位，测量声波通过这些部位后，声学参数的大小及其变化情况，据此判断混凝土内部缺陷及质量情况。

3． 检测方法3．1 检测方法分类按照声波换能器在桩体中不同的布置方式，声波透射法可分为（1） 桩内跨孔检测；（2） 桩内单孔检测；（3）.桩外孔透射法。

常用的方法是跨孔检测。

跨孔检测是在桩内预埋两根或两根以上声测管把发射接收换能器分别置于两声测管中。

与小应变相比，这种方法的优势在于不受桩径、桩长限制，且对缺陷反应更为直观准确。

3．2 声测管的埋设声测管是预留的声波换能器的通道，需预先埋设在灌注桩中。

通常，直径1m 以下的灌注桩埋设2根，直径1~1.5m 的埋设3根，直径1.5m 以上的埋设3根。

声测管呈等边三角形（3根）或正方形（4根）布置彼此相互平行。

（图2）声测管通常用有缝钢管，使用套筒螺纹或套筒焊接的方法连接各段钢管。

钢管固定在灌注桩钢筋笼的架立筋内侧，底端焊死，一起埋入灌注桩。

声测管的直径以能保证径向换能器能在管中通畅上下提升为度。

增加声测管布置图3．3 检测步骤在检测管中注满清水，将径向换能器放入管中，从上至下逐段检测。

检测间距为20~50cm 。

每两根声测管组成一对检测面，如AB 、BC 、CA 。

测定参数为声时和振幅，同时注意观察波形。

在发现声学参数反常的部位应缩小测试间距，以10~20cm 的间距进行加密测量。

同时进行斜交叉测量3所示。

3．4 测试结果处理3．4．1 数据处理（1） 波速i vi ii t l v = （3）式中 l i ——测点i 处二根声测管内边缘间的距离；t i ——测点i 处的声传播时间，且有00t t t I i -= （4）式中I t ——超声仪上的声时读数；t 00——测试初读数，或称零读数。

图3 灌注桩的斜交叉测量 a ）局部缺陷；b ）层状缺陷（断桩）；c ）缩颈或声测管附着泥团a ）b ）c ）（2） 初读数标定在声测管中使用径向换能器检测时，t 00需专门标定，方法如下：(a) t 0(测试系统（换能器和仪器）产生的零读数)标定将二径向换能器置于水中，相互平行，高度相同，在彼此间相距为1l 、2l 情况下，测定其声时读数t 1、t 2。

则测试系统t 0可按下式计算：)()(0211221l l t l t l t -⨯-⨯= （5）(b) t 00计算w g d d d d t t )()(000112--++= （6）式中d ——径向换能器直径；d 1——声测管内径；d 2——声测管外径；v w ——水的波速，可取1480 m/s ；v g ——钢的波速，可取5940 m/s 。

测试初读数实际上包括测试系统产生的零读数和由声测管中的水层、声测管的管壁产生的零读数。

扣除零读数后所得的声时就是声测管间混凝土的净传播时间。

以目前所用的仪器、换能器和2吋的声测管计，测试初读数大约10多微秒。

3．4．2 绘制深度～波速、振幅曲线根据所测结果绘制出各测试断面深度～波速、振幅曲线。

3．5 缺陷判断3．5．1 用波速参数判断在目前的有关灌注桩检测规程中，根据波速来判断灌注桩内缺陷的方法有两种：概率法和斜率法。

（1）概率法概率法是南京水利科学研究院罗骐先于1965年提出。

用于判断包括灌注桩在内的各类混凝土结构内部缺陷，目前载于各类超声探测缺陷规程中。

新修订的《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）中“灌注桩混凝土缺陷检测”一章中规定用概率法判断缺陷。

概率法的基本出发点是概率论。

其计算临界值的公式为：S K x x a L -=1 （7）在这里，不管测点多少，也不分单点或相邻点，K a 一律取2。

根据理论分析及一些试验结果，以平均值减2倍标准差作为判断缺陷的临界值误判的概率较高。

（2）斜率法斜率法是湖南大学吴慧敏于1984年提出。

该判断法的基本出发点是，桩内缺陷处波速明显变小，即声时明显变大，形成一突变。

为表示这种突变，将相邻测点声时之差Δt （Δt=t i -t i-1）除以测点深度之差Δd （Δd =d i - d i-1），既令：11----=∆∆=i i i i d d t t d t S （8） 若深度~声时曲线是以深度为纵坐标绘制，则k 是声时变化的斜率。

实际中，常用被称为PSD 的判据K ，其定义为：121)(----=i i i i d d t t K （9） 把声时差取平方实际上是把这种突变放大，另外，取平方后，K 值恒为正。

检测规程中要求绘制K~d 曲线，并按K 值的大小，结合振幅值判定缺陷区的边界。

但到底K 多大才能定为缺陷，规范并未给出。

创立者曾提出各类缺陷PSD 临界值的计算方法，但需要预先知道或假设缺陷物质（泥砂或其与水泥浆混合物）的波速。

对于某些缓变的缺陷，例如桩顶附近的低强区，PSD 值并不大，PSD 值容易漏判。

利用斜率法判断桩的缺陷时，由于将声学参数（声时）变为没有单位和物理意义的PSD 值作为判断依据，PSD 值的大小主要取决于相邻测点声时的差值，因此可以削弱因声测管不平行造成的测试误差对判断的干扰。

3．5．2 用振幅参数判断《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）中要求把振幅测值也按声速值一样进行概率法的临界值计算。

《基桩低应变动测规程》（JGJ/T93-95）中则提出一个振幅临界值A D 的计算式：（10）A(db)=A-6D式中A——各测点振幅平均值。

以各测点振幅平均值（分贝，db）值减去6 db作为临界值就是说，若波的振幅以高度计，则相当于以各测点振幅高度平均值的一半作为有无缺陷的临界值。

以各测点振幅高度平均值的一半作为有无缺陷的临界值似乎缺乏理论和实践依据。

由于在灌注桩检测中，振幅参数虽然很重要，也较灵敏，但其测值受各种因素影响，变动幅度较大，以上述标准判断缺陷，会有较多误判的可能。

3．5．3最低极值法最低极值法是北京的徐攸在提出。

该方法克服了以上两种方法的弊端。

例如有的灌注桩，混凝土强度没有达到设计的强度等级要求，但其均匀性较好，按以上两种方法，均可满足其要求。

反之，有的灌注桩混凝土强度普遍很高，但均匀性较差。

按以上两种方法分析，不能满足要求，但实际混凝土强度在最小处也必须满足设计要求。

因此，有必要根据设计要求的混凝土强度等级，提出最低声速（也可用波幅）限值，并要求各测点的实测声速均应超过该限值。

混凝土最低声速值宜由相同条件下的试块进行对比试验确定，在没有资料时可参照下表数值：3．5．4判断步骤：判断的步骤为：（a）以波速值进行概率法判断，结合PSD值的大小，找出可能是缺陷的部位;（b）分析振幅大小的变化，把那些波速低于临界值且波幅又明显偏低的测区定为有缺陷部位;（c）根据细测和斜测资料，确定缺陷的范围和大小;（d）根据缺陷在桩上的位置、成桩工艺和施工情况综合判定缺陷的性质。

特别提示：判断时，要注意各个测试面间的相互关系和验证。

例如，要确定缺陷为整个断面的层状缺陷时，必须是3个测试面（设3根声测管时）或6个测试面（设4根声测管时）都是层状缺陷才行。

有时附着在声测管上的泥团会同时使二个测试面测值低下，但并不是整个断面的缺陷。

3．6注意事项（1）声测管接头的影响影响结果：振幅骤减，声时增大。

特点：（1）只有一个测点；（2）影响二个测试面；（3）探头扶正器可探测到。

（2）斜测的重要性声测管处常挂泥团，通过斜测可避免误判为成层状缺陷。

（3）二项指标判断灌注桩检测中测量二项声学参数：声速和振幅。

应充分利用这二项参数进行判断。

混凝土离析，石子沉降，砂浆多，声速低，但振幅不低，混凝土强度并不一定低。

振幅低，声速不低，往往是混凝土气泡多，不一定是严重缺陷。

只有声速、振幅均突降，才是夹泥、沉渣与断层。

（4）波形反相探头靠声测管壁会发生这种情况，应加扶正器。

（5）尽量不要提测定强度因为管距不准，波速测值有误差，相关曲线也没有。