超声波检测原理与波形分析

超声波检测原理与波形分析
2012年06月29日【字体：大中小】
超声波（简称声波）透射法测试是弹性波测试方法的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，超声波探头向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理物性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有关问题。

我项目的全部基桩都采用超声波进行桩身质量检测，评价桩身介质的完整性。

现对声波透射法检测桥基桩质量的测试方法和判别进行说明，以便我们了解学习。

测试原理
声波在桩体砼中的传播特性反映了砼材料的结构、密度及应力应变关系。

根据波动理论，知跨孔对穿测试其弹性波的波速可近似为：
（1）
式中：E—介质的动态弹性模量；ρ—密度；μ—泊桑比。

声波在桩体砼中的传播参数（声时、声速、波幅、频率等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度等）之间的相联关系就是声波透射法检测的理论依据。

当混凝土介质的构成材料、均匀度、养护方法、施工条件等因素基本一致时，声波在桩体传播中运动学特征和动力学特征一致；反之在施工中由于塌孔、离析、夹泥等现象出现，声波在传播中，必将在运动学特征和动力学特征上发生变化。

测试数据处理及缺陷判定
测试数据的分析处理及缺陷判定严格按照《中华人民共和国行业标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T93-95）》的相关规定进行，即根据声时曲线、曲线和声幅曲线等三条曲线来判定缺陷的部位和大小。

声波波形能直观反映某测点砼是否有缺陷。

用反射波法评价基桩完整性时，可按波形好坏直接判断某桩是否有缺陷，是否有严重的缺陷。

同理，在声波透射法检测过程中，检测人员检测时面对单一测点的波形，而后根据波形才确定声时值和声幅值，若桩基砼是均质的，声波波形有两头小、中间大、同频率等特征，若声波经过缺陷，声波波形就会明显变化，当缺陷特别严重时表现在波形上为声幅很低、首波不易确认，频率变小且同一波形中有不同频率成分，比较容易直接判断
在检测时，声时、声幅和波形三种曲线常出现后面三种情况：（1）某一测点声时超判据，而声幅未超判据，且波形完好时；（2）声时未超判据，声幅超判据，波形除首波外其它正常；（3）声时未超判据，声幅未超判据，波形不正常（整个波形幅值较低）。

下面对这三种情况进行分析。

第（1）种情况表示该处砼仍为均质的，砼的强度略有变小，若声时超标不大（比正常的声时差10~20μs）且在一两个加密点出现，缺陷不影响桩的安全性能；或者因为测管弯曲，在测管拐点处数据超判据，就不应该砼有缺陷，此测
线声时超标处无缺陷。

第（2）种情况表示该砼局部有细小气泡或空洞，不影响桩的安全性能。

第（3）种情况表示换能器位于砼强度变化的界面处，往往预示着在该测点附近可能有更大形式的缺陷出现。

在桩检测过程中，当缺陷范围较大且桩身长度较短时，此缺陷处测线声时也不会超标；另外当测管弯曲时，测距越来越小，缺陷处的声时有可能比测距较大处的声时小得多，因此在此处测线有可能不会超标，但仍需判为缺陷。

因此在检测过程中不能根据某单一指标来确定是否有缺陷，而应综合各个指标来分析是否有缺陷以及缺陷的范围和程度。

声波透射法基桩完整性分类标准
根据前述的4点判据，可对单一测结进行完整性评价，还不能对桩身完整性进行综合评价。

在进行桩身综合评价时，必须综合考虑所有测线才能作出较准确的评价。

目前，还没有统一、通用的关于声波透射法基桩分类标准。

在一大型工程项目中，若多家检测单位执行的标准不统一，将给管理单位带来许多不便。

一规定超声波透射法基桩完整性分类标准细则，如下：
Ⅰ类：测点声时、波幅均正常，无超判据现象；
Ⅱ类：测点声时偏高，单一测线局部超判据；
Ⅲ类：测点声时偏高，桩身结构不完整，有两条测线同一深度或一条测线连续较长超判据；
Ⅳ类：测点声时严重偏高，桩身同一深度三条测线有严重离析，或两条测线同一深度连续较长有明显异常反应，超判据。

该分类标准的优点：
①分类标准明确，容易操作，非专业人员也能理解；②可重复性强，当多家单位检测同一根桩时，检测结果基本一致；③防止各检测单位对缺陷桩的严重程度任意作解释，便于主管单位管理控制。

该分类标准的不足之处：
①该分类标准是建立平测法基础上，未考虑斜测法的使用；②该分类标准基于声时变化，未考虑声幅的变化和波形的变化；③同样大小的缺陷在桩横截面上出现的部位不同，其桩的分类就可能不同。

例如在当某一较小范围的缺陷接近某测管时，导致两条测线在同一部位超判据，该桩可能被判定为Ⅲ类桩。

当这一较小范围的缺陷在某一测线中点附近时，导致一条测线超判据，该桩被判定为Ⅱ类桩。

当这一较小范围的缺陷在桩中心附近时，无任何测线超判据，该桩被判定为I
类桩；④该分类标准未考虑缺陷在竖向上出现的部位。

桩身完整性评价与承载力关系
桩身完整性与承载力具有一定相关性，桩身存在较大缺陷的桩基承载力往往也难以保证，但是根据桩身完整性评价判定的Ⅲ、Ⅳ类桩其承载力往往也可以满足工程需要。

这主要从缺陷相对于桩径的大小，缺陷形式、缺陷部位来综合判定。

例如：某高速公路桥基桩采用1.5m桩径，C
混凝土成桩，成桩工艺为非挤
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密桩，竖向承载力设计标准值为7000KN。

桩截面强度应满足下列表达式：
（2）
式中：r
—建筑物衙要性系数，对于高速公路桥基取1.2；S—桩顶轴处压力设计值，7000KN；R—桩截面的承载力设计值；—桩的纵向弯曲系数，取0.95，
R a —混凝土抗压设计强度，C
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的混凝土为14.5N/mm2；A—桩身截面积；r
b
—构件
工作条件系数，取0.95；r
c
—混凝土的安全系数，取1.25；—纵向钢筋抗压设计强度；—纵向钢筋截面积。

若桩身砼强度降低，而截面积未减小，桩身截面积A=3.14×1.52=1.767m2，
不考虑钢筋影响，根据（6）式可得R
a >6.58N/mm2。

即桩身砼强度等级为C
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时也
能满足竖向承载力要求。

若桩身砼强度不变，而截面积减小，不考虑钢筋影响，根据（2）式可得桩身截面积A>0.80m2。

即缺陷范围为桩身截面积的1/2时也能满足竖向承载力要求。

缺陷部位除校核竖向承载力外，还要校核抗弯、抗剪承载力，特别是缺陷位于桩上部时。

当缺陷深度Z满足下式时，
（3）
式中：—地基变形系数；E—桩身砼强模；C
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的砼弹模为2.8×104MPa；I—桩截面惯性矩，桩径为1.5m时，I为0.2485m4；m—地基土水平抗力系数的比例系数，不同土层m值可查相关规范；b—计算宽度，b=0.9(d+1)=2.25m；d—桩直径一般为1.5m。

在水平荷载作用下，当缺陷深度S超过4.0/α时，桩身内的弯矩M和剪力Q 可忽略不计，缺陷部位不承受水平向载荷。

因此，在采用平测法结合两次斜测法确定缺陷的范围以及采用钻孔取芯法确定缺陷部位砼的强度后，校核缺陷是否满足竖向承载力要求。