基桩的声波透射法检测

基桩的声波透射法检测

1．大体原理及方式

混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。关于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有必然范围的，当传播途径碰到混凝土有缺点时，如断裂、裂痕、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺点或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，造成传播时刻延长，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转变，来分析判定桩身混凝土质量。

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、接收探头别离置于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刻t、波幅A及频率f等物理量，就可判定桩身结构完整性。

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发较大的相对测试误差。其

桩长不受限制。

3．仪器设备

（1）实验装置

声波透射法实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

换能器标高操纵绞车和数据处置运算机。其装置见图

37－21。

（2）超声检测仪的技术性能应符合以下规定：

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刻，其显示时刻范围宜大于300μs，计时精度应大于1μs，仪器必需稳固可行，2h中声时漂移不得大于±μs。

（3）换能器应采纳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，其水密性应知足在1MPa水压下不漏水。桩径较大时，宜采纳增压式柱状探头。

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

4．测试技术

（1）预埋声测管应符合以下规定： 桩径～应埋设双管；～应埋设三根管；桩径以上应埋设四根。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压力下可不能渗入管内。上端应加盖。

声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应相互平行。

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刻t0，并应按下式计算声时修正值tˊ：

tˊ=(D-d)/Vt+(d-dˊ)/Vw (37-52)

式中 D――检测管外径（mm）； dˊ――检测管内径（mm）；

d――换能器外径（mm）； Vt――检测管壁厚度方向声速（km／s）；

Vw――水的声速（km／s）； T――声时修正值（μs）。

将发、收换能器置于水中，间距左右，接收信号波幅调剂到二或三格，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t0值。

（3）检测步骤应符合以下要求：

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。当发觉读数异样时，应加密测量点距，以保证测点间声场能够覆盖而不至漏测。

发射与接收换能器应同步起落。各测点发射与接收换能器累计相对高差不该大于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，并应始终维持不变，放大器增益值也应始终固定不变。调剂衰减器的衰减量，使接收信号初至波幅度在荧光屏上为2或3格。由光标确信首波初至，读取声波传播时刻及衰减器衰减量，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该大于5％；波幅相对标准差不该大于10％。并对声时及波幅异样的部位应重复抽测。测量的相对标准差可按下式计算：

nimjiitnttt12'2)( (37-53)

nimjiiAnAAA12'2)( (37-54)

式中σtˊ――声时相对标准差；σAˊ――波幅相对标准差；

tˊ――第i个测点声时原始测试值（μs）；Aˊ――第i个测点波幅原始测试值（dB）；

tji－－第i个测点第j次抽测声时值（μs）；Aji――第i个测点第j次抽测波幅值（dB）。

5．检测数据的处置与判定

（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tc及声速VP应按以下公式计算：

tc=t-to-tˊ (37-55) Vp=l/tc (37-56)

式中 tc――混凝土中声波传播时刻（μs）；t――声时原始测试值（μs）；

t0――声波检测仪发射至接收系统的延迟时刻（μs）；tˊ――声时修正值（μs）；

l――两个检测管外壁间的距离(mm)；VP—混凝土声速（km／s）。

（2）桩身完整性应按以下规定判定：

应采纳声时平均值μt与声时2倍标准差σt之和作为判定桩身有无缺点的临界值；并应按以下公式计算： nicitnt1

(37-57)

nitcitnt12)( (37-58)

式中 n――测点数； tci――混凝土中第i测点声波传播时刻（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Ktz及相邻两点声时差值Δt的乘积Ktz·Δt作为缺点的判据： Ktz=(tci-tci-1)/(Zi- Zi-1) (37-59)

△t=tci-tci-1 (37-60)

Ktz·Δt=( tci-tci-1)2/( Zi- Zi-1) (37-61)

式中 tci――第i测点的声时（μs）； tci-1――第i－1测点的声时（μs）；

Zi――第i测点的深度（m）； Zi－1――第i－1测点的深度（m）。

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

波幅（衰减量）比声速对缺点反映更灵敏，可采纳接收信号能量平均值的一半作为判定缺点临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示。波幅判定的临界值qD有以下关系：

qD=μq-6

(37-62)

niiqnq1 (37-63)

式中 μq――衰减量平均值（dB）；qi――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点分析与判定。

桩的完整性宜采纳上述判据，并辅以接收波形的视频率做进一步的综合判定。在作出缺点判定后，如需判定桩身缺点尺寸及空间散布，宜进一步采纳多点发射，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样加以判定。

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，大桥基础采纳冲钻孔灌注桩，被测桩编号为Z4－5＃，，桩径Ф2500mm，桩长，桩身混凝土强度品级C25，桩端持力层为轻风化岩，土层自上而下为：粗砂，砂夹淤泥，砂卵石，轻风化岩，详见该工程地质勘探报告。

声波透射法按《基桩低应变更力检测规程》（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刻，观看接收到的信号幅度转变，来分析判定桩身结构完整性。本次检测采纳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。

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

依照声波透射法检测结果分析，桩顶下7～处，～处及～处均有明显的波峰，前两个波峰处其Ktz·Δt值（即PSD判据值）别离为200及580左右，这两处缺点为局部夹泥，而桩顶下～处六对测向均无法接收到超声信号，判定该桩～处桩身混凝土严峻离析，不合格桩。

由反射波法测得的时域曲线图37－24可看出，该桩桩顶下处有与入射波同相位的明显反射波，判定为该处桩身混凝土严峻离析，与声波透射法检测结果大体吻合。