基桩的声波透射法检测

基桩的声波透射法检测
1．基本原理及方法
混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。

对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，造成传播时间延长，使声时增大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变，利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化，来分析判断桩身混凝土质量。

声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2～4根声测管。

将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量，就可判断桩身结构完整性。

2．适用范围
声波透射法适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性，因为桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。

其
桩长不受限制。

3．仪器设备
（1）试验装置
声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发
射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上
换能器标高控制绞车和数据处理计算机。

其装置见图
37－21。

（2）超声检测仪的技术性能应符合下列规定：
接收放大系统的频带宽度宜为5～50kHz，增益应
大于100dB，并带有0～60（或80）dB的衰减器，其
分辨率应为1dB，衰减器的误差应小于1dB，其档间误
差应小于1％。

发射系统应输出250～1000V的脉冲电压，其波形
可为阶跃脉冲或矩发射系统应输出250～1000V的脉冲
电压，其波形可为阶跃脉冲或矩形脉冲。

显示系统应同时显示接收波形和声波传播时间，其显示时间范围宜大于300μs，计时精度应大于1μs，仪器必须稳定可行，2h中声时漂移不得大于±0.2μs。

（3）换能器应采用柱状径向振动的换能器，将超声仪发出的电脉冲信号转换成机械振动信号，其共振频率宜为25～50kHz，外形为圆柱形，外径Φ30mm，长度200mm。

换能器宜装有前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为5～50kHz。

绝缘电阻应达5MΩ，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。

桩径较大时，宜采用增压式柱状探头。

（4）声测管是声波透射法检测装置的重要组成部分，宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管，其内径宜为50～60m。

4．测试技术
（1）预埋声测管应符合下列规定：
桩径0.6～1.0m应埋设双管；1.0～2.5m应埋设三根管；桩径2.5m以上应埋设四根。

见图37－22声测管布置方式。

声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥冰在1MPa 压力下不会渗入管内。

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。

（2）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t 0，并应按下式计算声时修正值t ˊ：
t ˊ=(D-d)/V t +(d-d ˊ)/V w (37-52)
式中 D ――检测管外径（mm ）； d ˊ――检测管内径（mm ）；
d ――换能器外径（mm ）； V t ――检测管壁厚度方向声速（km ／s ）；
V w ――水的声速（km ／s ）； T ――声时修正值（μs ）。

将发、收换能器置于水中，间距0.5m 左右，接收信号波幅调节到二或三格，改变发、收换能器间距，测量不同距离的声时值，按时距曲线求出t 0值。

（3）检测步骤应符合下列要求：
接收及发射换能器应在装设扶正器后置于检测管内，并能顺利提升及下降。

测量时上述发射与接收换能器可置于同一标高，当发射与接收换能器置于不同标高时，其水平测角可取30°～40°。

测量点距20～40cm 。

当发现读数异常时，应加密测量点距，以保证测点间声场可以覆盖而不至漏测。

发射与接收换能器应同步升降。

各测点发射与接收换能器累计相对高差不应大于2cm ，并应随时校正。

检测宜由检测管底部开始，发射电压值应固定，并应始终保持不变，放大器增益值也应始终固定不变。

调节衰减器的衰减量，使接收信号初至波幅度在荧光屏上为2或3格。

由光标确定首波初至，读取声波传播时间及衰减器衰减量，依次测取各测点的声时及波幅并进行记录。

一根桩有多根检测管时，应将每2根检测管编为一组，分组进行测试，见图37－22。

每组检测管测试完成后，测试点应随机重复抽测10％～20％。

其声时相对标准差不应大于5％；波幅相对标准差不应大于10％。

并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。

测量的相对标准差可按下式计算：
∑
=-=n i m ji i t n t t t 12'
2)(σ (37-53)
∑
=-=n i m ji i A n A A A 12'
2)(σ (37-54)
式中σt ˊ――声时相对标准差；σA ˊ――波幅相对标准差；
t ˊ――第i 个测点声时原始测试值（μs ）；A ˊ――第i 个测点波幅原始测试值（dB ）； t ji －－第i 个测点第j 次抽测声时值（μs ）；A ji ――第i 个测点第j 次抽测波幅值（dB ）。

5．检测数据的处理与判定
（1）由现场所测的数据应绘制声时－深度曲线及波幅（衰减值）－深度曲线。

其声时t c 及声速V P 应按下列公式计算：
t c =t-t o -t ˊ (37-55)
V p =l/t c (37-56)
式中 t c ――混凝土中声波传播时间（μs ）；t ――声时原始测试值（μs ）；
t 0――声波检测仪发射至接收系统的延迟时间（μs ）；t ˊ――声时修正值（μs ）；
l ――两个检测管外壁间的距离(mm)；V P —混凝土声速（km ／s ）。

（2）桩身完整性应按下列规定判定：
应采用声时平均值μt 与声时2倍标准差σt 之和作为判定桩身有无缺陷的临界值；并应按下列公式计算： ∑==n
i ci t n t 1μ (37-57) ∑=-=n
i t ci t n t 12
)(μσ (37-58) 式中 n ――测点数； t ci ――混凝土中第i 测点声波传播时间（μs ）；
μt ――声时平均值（μs ）； σt ――声时标准差。

亦可按声时－深度曲线相邻测点的斜率K tz 及相邻两点声时差值Δt 的乘积K tz ·Δt 作为缺陷的判据： K tz =(t ci -t ci-1)/(Z i - Z i-1) (37-59)
△t=t ci -t ci-1 (37-60)
K tz ·Δt =( t ci -t ci-1)2/( Z i - Z i-1) (37-61)
式中 t ci ――第i 测点的声时（μs ）； t ci-1――第i －1测点的声时（μs ）；
Z i ――第i 测点的深度（m ）； Z i －1――第i －1测点的深度（m ）。

K tz ·Δt 值能在声时－深度曲线上明显地反映出缺陷的位置及性能，可结合μt ＋2σt 值进行综合判定。

波幅（衰减量）比声速对缺陷反应更灵敏，可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷临界值。

波幅值以衰减器的衰减量q 表示。

波幅判断的临界值q D 有下列关系：
q D =μq -6 (37-62)
∑==n i i q n
q 1μ (37-63) 式中 μq ――衰减量平均值（dB ）；q i ――第i 测点的衰减量（dB ）；n ――测点数。

对超越临界值的测区应进行缺陷分析与判断。

桩的完整性宜采用上述判据，并辅以接收波形的视频率做进一步的综合判定。

在作出缺陷判定后，如需判定桩身缺陷尺寸及空间分布，宜进一步采用多点发射，不同深度接收的扇形测量法，用多条交会的声线所测取的波速及波幅的异常加以判定。

6．工程实例
福州某特大桥桩基础进行声波透射法检测，现场测试工作于1997年3月16日完成。

拟建场地位于福州峡南，大桥基础采用冲钻孔灌注桩，被测桩编号为Z4－5＃，，桩径Ф
2500mm ，桩长45.3m ，桩身混凝土强度等级C25，桩端持力层为微风化岩，土层自上而下为：粗砂，砂夹淤泥，砂卵石，微风化岩，详见该工程地质勘察报告。

声波透射法按《基桩低应变动力检测规程》（JGJ ／T93-95）有关规定进行，桩内埋设4根测管，通过测量整个桩身检测区域内的超声波传播时间，观察接收到的信号幅度变化，来分析判断桩身结构完整性。

本次检测采用CTS －25型非金属超声检测仪，该桩基中一对测向的声时－深度曲线见图37－23。

该桩同时采用反射波法进行检测，所用仪器为美国PDI公司生产的PIT桩基完整性检验仪，实测时域曲线见图37－24。

根据声波透射法检测结果分析，桩顶下7～7.5m处，16.5～17.5m处及28.0～32.0m处均有明显的波峰，前两个波峰处其K tz·Δt值（即PSD判据值）分别为200及580左右，这两处缺陷为局部夹泥，而桩顶下28.0～32.0m处六对测向均无法接收到超声信号，判断该桩28.0～32.0m处桩身混凝土严重离析，不合格桩。

由反射波法测得的时域曲线图37－24可看出，该桩桩顶下32.0m处有与入射波同相位的明显反射波，判断为该处桩身混凝土严重离析，与声波透射法检测结果基本吻合。