桩基检测的声波透射法

声波透射法在基桩检测中的应用~

声波透射技术是近几年发展起来的一种无损性检测新技术，它能直观、可靠地反应基桩的密实度，准确地判定桩缺陷的性质和位置，且不受桩长的限制。下面结合实例着重说明缺陷性质和位置的判定。
（一）工作原理
声波透射法是以施工时预埋的平行的声测管作为换能器的通道，每两根声测管为一组，通过水的耦合，从一根声测管中的换能器发射超声脉冲信号，声波透射混凝土介质，另一根声测管中的换能器接收透射过来的信号，采集到声波声时（减去了系统延时、声测管壁中的延迟、耦合水层延迟）、波幅、波形等声波参量，进而达到判断该位置处两个声测管间混凝土是否正常的无损检测方法。收发换能器由桩底按一定的距离（≤250mm）同步往上移动并逐点依次检测，从获得的声波参数（声时、波幅、波形等）可了解整个剖面的混凝土完整性，如图3-78所示。测试所有剖面即可获知各个剖面乃至整个桩的状况。

图3-78 声波透射法测试示意图

声波在弹性不同的介质（即波阻抗不同，Z=ρv，式中Z为波阻抗，ρ为介质密度，v为速度）中传播时其传播速度和能量衰减情况不同。当混凝土介质中存在不同介质或者密实度不同等缺陷时，缺陷面形成波阻抗界面，声波将在其上产生明显的反射、散射、绕射等现象，使透射波能量减弱，呈现首波声时变大、波速降低、波形畸形等明显的异常。通过分析含有混凝土内部信息的首波声时（速度）、振幅、波形等参数对该深度对应的混凝土剖面完整性进行判断，进而对整根基桩的完整性、内部缺陷位置、缺陷程度及桩身混凝土总体的均匀性做出评价。
（二）混凝土缺陷性质与位置及其程度的判定
混凝土灌注桩由于施工难度大、隐蔽性强、混凝土硬化环境及成型条件复杂，若施工质量控制不好，则容易使桩身产生夹泥、离析、断桩等缺陷，利用声波透射法可以检测和判断出这些缺陷的性质和位置。
1.混凝土缺陷性质的判定
声波为弹性波，弹性波在不同介质中传播时，其声学参数具有不一样的体现，通过声学参数在不同介质中的差异可以达到判定混凝土完整性的目的。下面介绍各声学参数与混凝土质量之间的关系及各声学异常所反应的缺陷。
（1）声速与混凝土质量的关系
声速与混凝土质量有如下关系：

环境与工程地球物理勘探

式中：E为介质的杨氏弹性模量；σ为介质的泊松比；ρ为介质的密度。
由式（3-69）中的参数不难看出，声速与混凝土的内部结构（如密度、孔隙率等）密切相关。
弹性介质的性质及种类不同，弹性模量及密度也就不同，因此弹性波在介质中传播的速度也不同。实践证明，物体的密实性越好，孔隙率越低，其声速就越高。因此，当测出混凝土的声速时就可以推算出混凝土的密实度，从而判断其质量的好坏。
（2）波幅与混凝土质量的关系
声波穿过桩身缺陷时，部分声能被缺陷内所含物质所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，因而到达接收探头的声能明显减少，反应为波幅降低。实践证明，波幅对缺陷的存在非常敏感，细小的缺陷都能使波幅有明显的变化。所以波幅能很明显地反应混凝土中的缺陷。
（3）波形与混凝土质量的关系
波形是声时（声速）、波幅、频率等声学参数的综合反映，所以其对于混凝土的各种缺陷均有直观的表现，在检测过程中对于缺陷的判别具有重要的指示意义。实践证明，当声波遇见缺陷时其波形会发生畸变。波形的好坏可以为检测人员对基桩完整性的现场判断提供依据。
由声波各声学参数与混凝土质量的关系可知，当混凝土中存在缺陷时，声波脉冲通过该缺陷介质传播的时间比相同材料条件下的无缺陷混凝土的传播时间要大，进而能量衰减增大，声速减小，接收信号的波形平缓甚至发生畸变，接收信号的主频也会发生变化。通过这些声学参数就可以判定基桩混凝土的质量状况。
在正常的情况下，声时曲线基本是一条直线，无明显折点，波幅也无明显衰减，波形为正常波形，如图3-79（a）所示；当出现离析、不密实时，声时基本有一定的增加，波幅有一定的衰减，波形出现畸变，如图3-79（b）所示，此时应注意是否是因为声测管与混凝土之间出现空隙而导致出现这种不密实状况；出现夹泥和断桩时，声时显著增大，波幅严重衰减，波形严重畸变甚至接收不到波形，如图3-79（c）所示，此时要判断这种缺陷是夹泥还是出现了断桩。区分夹泥和断桩，要结合在这根桩上所测的其他几个剖面的情况，看看在这个高程上是否也出现了这种状况（当声测管有四根时特别注意对角线的剖面），如果其他剖面在相同高程出现此类现象，那么这根桩很可能是出现断桩；当其他的剖面有部分是完好的时候，则可判断只是局部夹泥。

图3-79 超声透射波波形

声速对混凝土质量的反应主要通过测点的声速和声速临界值的比较来判定，临界值一般采用概率法确定。即

环境与工程地球物理勘探

式中：v0为临界点声速值，又称异常判定值；vm为（n-k）个数据的平均值， ；sx为（n-k）个数据的标准差，sx= ；λ为由统计数（n-k）对应的λ值，可查表获得，见表3-10；n为测点数；k为将全部测点的声速值由小到大依次排序，去掉明显不合理的低声速值的个数。

表3-10 统计数据个数（n-k）与对应的λ值

根据测点声速与临界点声速的差异，当声速大于临界点声速时，表明桩身正常；当存在蜂窝、局部夹泥沙团时，声速有一定的降低，相差一般为10%～20%；当局部有夹层和断桩时，声速明显降低，最大相差可达30%以上。
2.混凝土缺陷位置判定
当平测普查查出疑似缺陷时，首先采用加密平测的方法，核对可疑点的异常情况，并确定异常部位的高程。
对于缺陷的空间位置、范围的确定则要应用交叉斜测和扇形扫测的方法。
扇形扫测的具体做法是：先将发射换能器放到出现缺陷的高程位置，而在出现缺陷的剖面对应的另一声测管中将接收换能器放到缺陷高程稍下一段距离的地方，保持发射换能器不动而将接收换能器从下往上提到夹泥高程之上一定高度，即完成一次扫测。完成了一个扇形扫测之后移动发射换能器，继续进行扇形扫测。因各测点测距是各不相同的，波幅值不具有可比性（波幅除与测距有关外还与方位角有关，且不是线性变化的），只能根据相邻测点测值的突变来发现测线是否遇到缺陷。所以利用扇形扫测可以画出缺陷的边界。
交叉斜测是第一次让发射换能器比接收换能器高，第二次使发射换能器比接收换能器低，保持一定的高程差，在声测管中以相同的步长同步升降两个换能器进行测试，采集声学参数数据，如图3-80所示，根据波幅和声时的异常特征可交叉圈出异常的范围。

图3-80 交叉斜测

（三）工程实例
某大桥的2-2号桩，桩长为22.5m，桩径为2m，设计混凝土强度为C30，预埋有四根直径为50mm的钢管作为声测管。本次检测采用北京智博联研制的ZBL-U520非金属检测仪进行检测。
首先采用平测法进行普查，测点间距为0.25m，从桩底往桩顶依次检测，采集每一测点处的声时（声速）、波幅、波形等声学参数。平测结果显示2-2号桩六个剖面同时在距桩顶15m左右出现声时变大、速度变小、波幅严重衰减的现象，如图3-81所示。采取加密测量后确定缺陷出现在14.95～15.40m之间，而其上下桩身的声波反应都是正常的，因六个剖面同时出现异常，所以有很大可能是出现了断桩，于是采用交叉斜测和扇形扫测的方法圈定了缺陷的范围，最后判定在距桩顶14.95～15.40m处存在缺陷。
声波透射法判定2-2号桩在14.95～15.40m处的缺陷为断桩。随后进行了钻探取心验证，在进行钻孔取心时，在声波检测正常的地方，钻进时所冒出的水为清水，所取心样完整（混凝土心样连续、完整、表面光滑、胶结较好、断口吻合），表明桩身完整性较好。而在声波判定为断桩的14.95～15.40m处，钻进时冒出泥浆水（注入的冷却水为清水，而此处出现泥浆水表明此刻进尺处含泥），钻进时阻力较小且无法获得心样，说明此处出现了断桩。钻孔取心结果证实了声波透射法的判定结论。

图3-81 2-2号桩六个剖面的PSD、声速-深度、波幅-深度曲线

在混凝土灌注桩的检测中，采用声波透射法，依据透射波的初至时间、振幅能量的衰减程度和波形是否畸变可以达到判定桩身的均匀性和完整性的目的。从检测的成果和钻孔取心的结果来看，声波透射法能够较准确地判定缺陷的性质和位置，可以为施工单位下一步工作提供科学而可靠的依据。

声波透射法是利用声波的透射原理对桩身混凝土介质状况进行检测，因此仅适
用于在灌注成型过程中已经预埋了两根或两根以上声测管的基桩。
大直径灌注桩完整性检测一般可同时选用两种或多种的方法检测，使各种方法能相互补充印证，优势互补。另外，对设计等级高、地质条件复杂、施工质量变异性大的桩基，或低应变完整性判定可能有技术困难时，提倡采用直接法（静载试验、钻芯和开挖）进行验证。

与其他完整性检测方法相比，声波透射法能够进行全面、细致的检测，且基本上无其他限制条件。但由于存在漫射、透射、反射，对检测结果会造成影响。近几年涌现的多通道超声波检测仪，使得检测效率成倍的提高。该检测方法是获得一组（剖面）声学数据后，对数据进行分析，剔除异常值后计算平均值（声速和波幅），然后再将每个测点的数据与平均值进行比较，超过一定范围（如波幅下降6dB）即认为该点存在缺陷。该检测方法同样可应用于地下连续墙、水利坝体的检测。

应用领域超声回弹综合法检测混凝土强度；混凝土内部缺陷的检测和定位；混凝土裂缝深度检测（两种检测方法）；混凝土裂缝宽度检测、自动读数带拍照；超声透射法自动检测、判定基桩完整性（具有一发双收功能）

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