葛菊英

摘要：文章主要對超聲波透射法的原理及在基樁檢測中的應(yīng)用問題進(jìn)行了探討。首先概述了超聲波透射法的原理，然后對采用超聲波透射法檢測基樁的方法進(jìn)行了探討，最后研究了聲測管的預(yù)埋和管材的選擇以及檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和判斷。

關(guān)鍵詞：超聲波透射法；基樁檢測；聲測管

中圖分類號：TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)14-0065-02

一、超聲波透射法的原理

聲波是彈性波的一種，若視混凝土介質(zhì)為彈性體，則聲波在混凝土中的傳播服從彈性波傳播規(guī)律，由發(fā)射探頭發(fā)射的聲波經(jīng)水的耦合傳到測管，再在樁身混凝土介質(zhì)中傳播后，到接收端的測管，再經(jīng)水耦合，最后到達(dá)接收探頭。由于液體或氣體沒有剪切彈性，只能傳播縱波，因此超聲波測樁技術(shù)采用的是縱波分量。

探頭發(fā)射的聲波會在發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間形成復(fù)雜的聲場，聲波將分別沿不同的路徑傳播，最終到達(dá)接收點(diǎn)。其走時都不盡相同。但在所有的傳播路徑中總有一條路徑，聲波走時最短，接收探頭接收到該聲波時，形成信號波形的初始起跳，一般稱為“初至”，當(dāng)樁身完好時，可認(rèn)為這條路徑就是發(fā)射探頭和接收探頭的直線距離，是已知量；而初至對應(yīng)的聲時扣去聲波在測管、水之間的傳播時間以及儀器系統(tǒng)延遲時間，可得聲波在兩測管間混凝土介質(zhì)中傳播的實(shí)際聲時，并由此可計算出所對應(yīng)的聲速。

當(dāng)樁身存在斷裂、離析等缺陷時，破壞了混凝土介質(zhì)的連續(xù)性，使聲波的傳播路徑復(fù)雜化，聲波將透過或繞過缺陷傳播，其傳播路徑大于直線距離，引起聲時的延長，而由此算出的波速將降低。另外，由于空氣和水的聲阻抗遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗，聲波在混凝土中傳播過程中，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時，在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能衰減，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小。再者，透過或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達(dá)波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發(fā)生畸變。綜上所述，當(dāng)樁身某一段存在缺陷時，接收到的聲波信號會出現(xiàn)波速降低、振幅減少、波形畸變、接收信號主頻發(fā)生變化等特征。

超聲波透射法樁基檢測就是根據(jù)混凝土聲學(xué)參數(shù)測量值的相對變化，分析、判別其缺陷的位置和范圍，評定樁基混凝土質(zhì)量類別。

二、超聲波透射法基樁檢測方法

按照超聲波換能器通道在樁體中的不同的布置方式，超聲波透射法基樁檢測主要有三種方法：

(一)樁內(nèi)單孔透射法

在某些特殊情況下只有一個孔道可供檢測使用，例如在鉆孔取芯后，我們需進(jìn)一步了解芯樣周圍混凝土質(zhì)量，作為鉆芯檢測的補(bǔ)充手段，這時可采用單孔檢測法，此時，換能器放置于一個孔中，換能器間用隔聲材料隔離(或采用專用的一發(fā)雙收換能器)。超聲波從發(fā)射換能器出發(fā)經(jīng)耦合水進(jìn)入孔壁混凝土表層。并沿混凝土表層滑行一段距離后，再經(jīng)耦合水分別到達(dá)兩個接收換能器上，從而測出超聲波沿孔壁混凝土傳播時的各項聲學(xué)參數(shù)。需要注意的是，運(yùn)用這一檢測方式時，必須運(yùn)用信號分析技術(shù)，排除管中的影響干擾，當(dāng)孔道中有鋼質(zhì)套管時，由于鋼管影響超聲波在孔壁混凝土中的繞行，故不能用此法。

(二)樁外孔透射法

當(dāng)樁的上部結(jié)構(gòu)已施工或樁內(nèi)沒有換能器通道時，可在樁外緊貼樁邊的土層中鉆一孔作為檢測通道，檢測時在樁頂面放置一發(fā)射功率較大的平面換能器，接收換能器從樁外孔中自上而下慢慢放下，超聲波沿樁身混凝土向下傳播，并穿過柱與孔之間的土層，通過孔中耦合水進(jìn)入接收換能器，逐點(diǎn)測出透射超聲波的聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)信號的變化情況大致判定樁身質(zhì)量。由于超聲波在土中衰減很快，這種方法的可測樁長十分有限，且只能判斷夾層、斷樁、縮頸等。

(三)樁內(nèi)跨孔透射法

此法是一種較成熟可靠的方法，是超聲波透射法檢測樁身質(zhì)量的最主要形式，其方法是在樁內(nèi)預(yù)埋兩根或兩根以上的聲測管，在管中注滿清水，把發(fā)射、接收換能器分別置于兩管道中。檢測時超聲波由發(fā)射換能器出發(fā)穿透兩管間混凝土后被接收換能器接收，實(shí)際有效檢測范圍為聲波脈沖從發(fā)射換能器到接收換能器所掃過的面積。根據(jù)不同的情況，采用一種或多種測試方法，采集聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)波形的變化，來判定樁身混凝土強(qiáng)度，判斷樁身混凝土質(zhì)量，跨孔法檢測根據(jù)兩換能器相對高程的變化，又可分為平測、斜測、交叉斜測、扇形掃描測等方式，在檢測時視實(shí)際需要靈活運(yùn)用。

三、聲測管的預(yù)埋和管材的選擇

為了使換能器能達(dá)到檢測部位，需預(yù)先埋設(shè)若干檢測通道，因此，在采用超聲檢測時，必須在灌注混凝土前預(yù)埋聲測管，混凝土硬化后無法抽出，該管道即成為樁的一部分，也是聲通道的一部分，其影響接收信號的分析。而且它在樁的橫截面上的布局，決定了檢測的有效面積和探頭提拉次數(shù)，所以聲測管的預(yù)埋是影響檢測方式和信號分析判斷的基本問題。

(一)聲測管的選擇

對聲測管的材料要求是：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證在灌注樁混凝土澆注過程中不會變形；與混凝土粘結(jié)良好，不致在聲測管和混凝土間產(chǎn)生剝離縫，影響測試。根據(jù)這些要求，鋼管是最合適的材料。為了節(jié)省費(fèi)用，對于樁身長度小于15m的短樁，可用硬質(zhì)PVC塑料管或金屬波紋管，一般規(guī)定，聲測管的直徑通常比徑向換能器的直徑大10～20mm即可，宜用規(guī)格內(nèi)徑35～50mm。管的壁厚對聲能透過率影響較小，所以，原則上對聲測管壁厚不作要求，但就節(jié)省材質(zhì)用量而言，管壁只要能承受新澆混凝土的側(cè)壓力，則越薄越好。

(二)聲測管的埋置數(shù)量和布置方式

聲測管在樁的橫截面上的布局應(yīng)考慮檢測控制面積，根據(jù)樁徑大小預(yù)埋超聲檢測管，樁徑為0.6～1.0m時宜埋二根管；樁徑為1.0～2.5m時宜埋三根管，按等邊三角形布置；樁徑為2.5m以上時宜埋四根管，按正方形布置。聲測管之間應(yīng)保持平行，但在實(shí)際施工中，由于鋼筋骨架剛度的原因，會造成一定的誤差，應(yīng)盡量控制。

(三)聲測管的安裝

聲測管應(yīng)牢牢固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，對于鋼管，每2m間距設(shè)一個固定點(diǎn)，直接焊接在架立筋上；對于PVC管，每1m間距設(shè)一固定點(diǎn)，應(yīng)牢固綁扎在架立筋上。對于無鋼筋籠的部位，聲測管可用鋼筋支架固定，聲測管應(yīng)一直埋到樁底，聲測管底部應(yīng)預(yù)先封焊死，管的上端應(yīng)高于樁頂表面300～500mm，同一根樁的聲測管外露高度宜相同，上頂端用螺紋蓋、塞或木樁封閉管口，防止異物掉入管內(nèi)。

四、檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和判斷

基樁的超聲波透射法檢測需要分析和處理的主要聲學(xué)參數(shù)是聲速、波幅、主頻，同時要注意對實(shí)測波形的觀察和記錄，如何在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對樁的完整性、連續(xù)性、強(qiáng)度等級等做出判斷，是超聲法檢測的關(guān)鍵。目前，常用的樁身缺陷判斷方法有兩大類，第一類是數(shù)值判據(jù)法，即根據(jù)測試值經(jīng)適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理后找出一個存在缺陷的臨界值作為依據(jù)，這種方法能對

大量測試數(shù)據(jù)做出明確的分析和判斷，通常用于全面掃測時缺陷的初步判斷；第二類是聲場陰影區(qū)重疊法，這類方法通常用于數(shù)值判據(jù)法確定缺陷位置后的細(xì)測判斷，以便詳細(xì)劃定缺陷的位置、大小和性質(zhì)等，在樁身缺陷的超聲檢測種，這兩類方法必須聯(lián)合使用，過分偏重任何一種方法都是不合理的。

(一)數(shù)值判據(jù)法

1.概率法，正常情況下，由隨機(jī)誤差引起的混凝土的質(zhì)量波動是符合正態(tài)分布的，這可以從混凝土試件抗壓強(qiáng)度的試驗結(jié)果得到證實(shí)，由于混凝土質(zhì)量(強(qiáng)度)與聲學(xué)參數(shù)存在相關(guān)性，可大致認(rèn)為正?；炷恋穆晫W(xué)參數(shù)的波動也服從正態(tài)分布規(guī)律?；炷翗?gòu)件在施工過程中，可能因外界環(huán)境惡劣及人為因素導(dǎo)致各種缺陷，這種缺陷由過失誤差引起，缺陷處的混凝土質(zhì)量將偏離正態(tài)分布，與其對應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)也同樣會偏離正態(tài)分布。所以，只要檢測出聲學(xué)參數(shù)的異常值，其對應(yīng)的位置即為缺陷區(qū)。

2.PSD判據(jù)法，對于由聲時、波幅衰減確定的異常區(qū)，結(jié)合PSD曲線進(jìn)行綜合分析，采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當(dāng)PSD值在某測點(diǎn)附近明顯變化時，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。PSD(Pile of Slope and Difference)判據(jù)的物理意義為：聲時一深度曲線相鄰兩點(diǎn)的斜率與相鄰時差值的乘積，根據(jù)PSD值在某深度處的突變結(jié)合波幅變化情況，進(jìn)行異常點(diǎn)判定，該判據(jù)對聲時具有指數(shù)放大作用。因此，缺陷區(qū)PSD值較聲時反映明顯，而且運(yùn)用PSD判據(jù)基本上消除了聲測管不平行或混凝土不均勻等因素所造成的聲時變化對缺陷判斷的影響，但如果聲時讀數(shù)有錯誤，那么PSD會將錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，造成誤判。

(二)聲陰影重疊法

所謂聲陰影重疊法，就是當(dāng)超聲脈沖束穿過樁體并遇到缺陷時，在缺陷背面的聲強(qiáng)減弱，形成一個聲輻射陰影區(qū)。在陰影區(qū)內(nèi)，接收信號波高明顯下降，同時聲時增大，甚至波形出現(xiàn)畸變。若采用兩個方向檢測，分別劃出陰影區(qū)，則兩個陰影區(qū)邊界線交叉重疊所圍成的區(qū)域，即為缺陷的確切范圍。其基本方法是：一個換能器固定不動，另一個換能器上下移動，找出聲陰影的邊界位置，然后交換測試，找出另一面的陰影邊界。邊界線的交叉范圍內(nèi)的重疊區(qū)，即為缺陷區(qū)。在混凝土中，由于各界面的漫反射及低頻聲波的繞射，使聲場陰影的邊界十分模糊。因此，需綜合運(yùn)用聲時、波幅、頻率等參數(shù)進(jìn)行判斷，在這些參數(shù)中波幅是對陰影區(qū)最敏感的參數(shù)，在綜合判斷時應(yīng)賦予較大的“權(quán)數(shù)”。當(dāng)需要確定局部缺陷在樁的橫截面上的準(zhǔn)確位置時，可用多測向疊加法，即根據(jù)幾個測向的測量結(jié)果通過作圖法進(jìn)行疊加。交叉重疊區(qū)即為缺陷區(qū)。