第八章 超声波检测技术工程应用(2011-2-7)

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（二）桩内单孔透射法 钻孔取芯后形成一个检测孔道，采用单孔测量。超声波从水中及
混凝土中分别绕射到接收探头，所得到的接收信号为水及混凝土中传 播而来的信号叠加，分析这一叠加信号，并测出不同声通路的声时、 波高、频率等物理量，即可分析孔道周围混凝土（8-10cm）的质量情 况。 用这一方式进行检测时，必须进行波形分析，排除管中的混响干 扰，测量较为困难，而且检测有效范围不大，当孔中有钢质套管时， 则不能用单孔测量。
第七章 超声波检测技术工程应用
结构混凝土的声学检测始于1949年；目前已成为混凝土
无损检测的重要手段；
20世纪70年代，声波透射法开始用于检测混凝土灌注桩 的完整性； 基本方法： 基桩成孔后，在灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根 声测管作为声波发射和接收换能器的上下通道，在桩身混 凝土满足养护期后，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定 的间距逐点检测声波穿过桩身截面的声学参数，能过对检 测数据进行分析、处理和判断，确定桩身混凝土缺陷的位 臵、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性 和均匀性，评定桩身完整性等级。
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声波穿过正常砼后的接收波形特征：
• 首波陡峭，振幅大； • 第一周波的后半周即达到较高振幅，包络线呈半园形； • 第一个周期的波形无畸变。
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声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征：
• 首波平缓，振幅小；
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平测普查
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对可疑测点的细测（加密平测、斜测、扇形扫测）
根据声时、波幅及主频待等声学参数，找出可疑测点；
加密平测：换能器提升步长为10-20cm，确定异常部位的纵向范围；
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• 第一周波的后半周甚至第二个周期，幅度增加仍不
够，接收波形的包络线呈喇叭形； • 第一、二个周期的波形有畸变。
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判定砼质量的几种声学参数的比较：
• 声速：较稳定，重复性好，受非缺陷因素小，同一根桩的不同 剖面、同一工程的不同桩之间可以比较；但对缺陷的敏感度不及 波幅。 • 波幅（首波幅值）对缺陷很敏感，判定缺陷的重要参数；但它 受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等因素影响，不稳定，
波幅与砼的质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏
感，是判断缺陷的重要参数。
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接收频率 脉冲声波是复频波，具有多种频率成份； 在砼中各种频率成分的衰减程度不同，高频衰减比低频快，
导致频漂； 接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量；缺陷越大， 由于衰减严重，主频也会明显降低； 接收波频率一般以首波的第一个周期为准（现场直接在示波 器读出，或用频谱分析得到）
影响声速的因素：
砼内部的缺陷
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波 幅 波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一。与砼的粘 塑性有关，波幅越低，衰减越大。 当砼中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时， 吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。
波幅可直接在接收波上观察测量，一般只测量首波（即接收 信号的前半个周期）的波幅为准。
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频
率
周期法（模拟式声波仪）：
频谱分析法（数字式声波仪）
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三、现场检测
（一）声测管的埋设要求
平面布局
D<=800
盲区
800<D<=2000
D>2000
有效检测区
检测剖面编组：1-2; 1-2, 1-3,2-3; 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3-4;
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波
形
当砼内存在不同的缺陷时，由于声脉冲在缺陷界面处的反射 折射等，形成波线不同波束，这些波束由于传播路径不同，或由于 界面上产生波形转换等原因，使用得接收的声时不同，接收波成为 许多同相位或不同相位波束的叠加，导致波形畸变；
接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据。
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加对缺陷桩在桩横截面上的分 布状况的推断
• 对单一检测剖面的平测、斜 测结果进行分析，可以得到缺陷在 该检测剖面上的投影范围。缺陷在 空间的分布是一个规则的几何体， 要进一步确定缺陷的范围（在横截 面上的分布范围），必须综合分析 各个检测剖面在同一高程或邻近高 程上的测点的分析结果。 • 缺陷的纵向尺寸可以较准确 地检测，而在横截面上的分布只能 是一个粗略的推断。
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特点（优点）：
检测全面、细致（声波检测的范围可 覆盖全桩长的各个横截面）；信息量相当 丰富，结果准确可靠； 不受桩长、长径比的限制，一般也不 受场地条件限制。
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只能用于同一测点的比较，在同ຫໍສະໝຸດ Baidu桩的不同剖面或不同桩之间没
有可比性。
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•
主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪
器设备状态等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖
面内各测点的相对比较，在不同剖面或不同桩之间不 具可比性，不太稳定，一般作为声速、波幅的辅助判 断。 • 接收波形对砼内部缺陷较敏感，现场检测时，除了
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平行度（直接影响检测结果的可靠性和试验的成败） 管材的选择
为了使探头能达到检测部位，必须预留若干检测通道。因此，
在采用超声检测时，必须在灌注混凝土前预埋声测管，混凝土硬化 后无法抽出，该管道即成为桩的一部分，也是声通路的一部分，影 响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局，决定了检测的 有效面积和探头提拉次数。所以声测管的预埋是影响检测方式和信 号分析判断的基本问题。 声测管材质的选择应考虑声能损失和安装定位的。
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第一部分
现场检测技术
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一、超声波检测砼灌注桩的几种方式
根据声波换能器通道在桩体中不同的布臵方式，分为： （一）桩内跨孔法或双孔法： 发射探头和接收探头分别臵于两根（或两根以上）管道中，超 声脉冲穿过两管道之间的混凝土，超声波束从发射探头到接收探头 所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布臵合理。
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斜
测：
让发、接收换能器保持一定的高程差，在声测管内以相同步长 同步升降测试，而不是象在平测那样将发、接收换能器在检测过程 中始终保持相同的高程。（单向斜测、交叉斜测）
由于径向换能器在纵向 测面内具有指向性，发、 接收连线与水平线角度 不能太大
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（三）桩外孔透射法 当上部结构已施工，在桩内无法检测时，可在桩外的土层中钻一 孔，埋入套管作为检测通道。强功率的低频发射探头，超声脉冲沿桩 身向下传播，增压式接收探头从桩孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身并 穿过桩与测孔之间的土进入接收换能器，逐段测读各物理量，即可作
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扇形扫查测量 在桩顶或桩底斜测范围受限 制时，或为减少换能器的升降次 数，作为一种辅助手段可用扇形 扫查测量。一个固定，一个上下 移动。由于扇形测量的测距不一 样，因此各测点的波幅值没有可 比性，只能根据相邻测点值的突 变来发现测线是否遇到缺陷。
逐点读取首波的声时、波幅外，还应密切观察接收波 的形态，它反映了接、收换能器之间声波在砼各种声
波传播路径上的总体能量。
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（二）声学参数的现场检测
声 速
根据测距和声时来计算，因此声速的测度精度取决于测距与 声时的测量精度。 测距即是声测管外壁间的距离，一般用卷尺在桩顶面度量， 这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距。 因此，声测管的平行度对声速测试的影响相当大。
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局部缺陷
在平测中发现某测点处有 异常（实线表示），进行斜测， 在多条斜测线中，如果仅有一 条测线（实线）测值异常，其 余皆正常，则可以判定，这只 是一个局部的缺陷。
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缩颈 若在平测中发现某些测点 处有异常（实线表示），进行 斜测。如果斜线中仅在通过异 常平测点发收处的实测值异常， 而穿过两声测管连线中间部位 的测线正常，则可判定桩的中 心部位是正常的，缺陷应出现 在桩的边缘，即在声测管附近， 可能为缩颈。
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为分析桩身质量的依据。同于超声脉冲在混凝土及土层中的衰减现象 ，这种方法的可检深度受仪器穿透能力的限制。
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二、砼的声学参数及检测
检测中常用的声学参数包括：声速、波幅、频率、波形。
（一）声学参数与砼质量的关系
声 速 砼的强度 砼原材料性质及配合比； 龄期 温、湿度等更化环境 施工工艺
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（二）测试方法步骤
平测普查： １．将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，并按 顺时针方向进行剖面编码； ２．将发、接换能器分别置于某一剖面的二声测管中，并放 至桩的底部，保持相同的标高； ３．自下而上将发、接换能器以相同的步长（一般不宜大于 250mm）向上提升。每提升一次，进行一次测试，实时显示和记 录测点的声波信号的时程曲线，读取声时、首波幅和周期值（模 拟式）或显示频谱曲线和主频值（数字式）； ４．在同一桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和 仪器设置参数应保持不变，从而使测得的数据有可比性。

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层状缺陷（断桩） 若在平测中发现某些测点处有异 常（实线表示），进行斜测。如果斜 线中除通过过异常平测点发收处的测 线值异常外，所有穿过两声测管连线 中间部位的测值均异常，则可判定该 声测管间缺陷已连成一片。 若三个测试剖面均在此高程处出 现这种情况，且测值异常非常大，则 可判定为夹泥层或断桩。
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注意事项： • 声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥浆在1MPa压力下 不会渗入管内，且上端应加盖。 • 声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应互相平行 。 • 在检测管内应注满清水。 • 现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间
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根据计算和试验，采用钢管时，双孔测量的声能通过率只 有0.5%，塑料管则为42%，可见采用塑料管时接收信号比采用钢 管时强。但由于在地下水泥水发热不易发散，而塑料温度变形 系数较大，当混凝土硬化后塑料管因温度下降而产生纵向和径 向收缩，致使混凝土与塑料管局部脱开，容易造成误判。 试验证明，钢管的界面损失虽然较大，但仍有足够大的接 收信号，而且安装方便，可代部分钢筋截面，还可作为以后桩 底压浆的通道，所以采用钢管作声测管是合适的。 塑料管的声能透过率较高，如能保证它与混凝土良好粘结 的前提下，效果更佳。
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声
时
声时：在被测介质中传播一定声距所需的时间。 １． 手动测读
２．
自动测读
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波
幅
表示首波信号能量的大小。
一般用分贝（dB）表示法，将测点首波信号 峰值与某一固定信号量值的比值取对数后的量值作 为该测点波幅的分贝值。