基桩检测的常用方法之超声波法.ppt

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1、超声波法,基桩检测的常用方法之一,公路工程基桩检测的规定：（JTJ/T F81-01-2004）1、公路工程基桩应进行100的完整性检测，各种方法的选定应具有代表性和满足工程检测的特定要求；2、重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测的桩数不应少于50；3、高应变动测法的抽检率可由工程设计或监理单位酌情决定，但不宜少于相近条件下总桩数的5且不少于根。,超声波法：是在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和折射，因而达到接收换能器时，根据声时、波幅及主频等特

2、征参数的变化来判别桩身的完整性。鉴于目前公路桥梁工程大量使用大直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用在基桩的检测中。,分四个部分讲解：,声学理论检测技术测试方法工程实例,第一部分 声学理论,声学基础声波在介质中的传播速度声波在介质界面上的反射与透射声波在传播过程中的衰减混凝土中的声波特性,一、声学基础 1、波动 波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，例如；水波、声波、超声波等；另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。,声波:是弹性介质的机械波。人们所

3、能听到声 波频率范围是2020KHz，即可闻声波。当声波频率超过2020KHz时，人耳就听 不到了，这种声波就叫超声波，其频率范 围是20K100MHz；当频率低于20Hz的叫 次声波，人耳也听不到。各种声波的频率 范围见下表。,各种声波的频率范围（Hz）,在混凝土中超声检测使用的频率一般在20KHz200KHz范围内。,2、谐振动 物体在一定位置附近作来回重复运动称为振动，例如摆的运动、汽缸中活塞的运动、弹簧振子的运动等，这些是可以直接看到的振动。又例如一切发声体的运动、在高频电压激励下压电晶体的运动，这些是不易或不能直接看到的振动。相互间由弹性力联系着的质点所组成的物质，称为弹性介质。需要

4、进行超声检验的大量固体构件都是弹性介质。弹性介质是由相互间用小弹簧联系着的质点所组成。如图1-1所示。若这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则会产生使它恢复到平衡位置的力，这就是弹性力。,图1-1 弹性介质模型 图1-2弹簧振子的振动 1-质点：2-小弹簧,进一步来说明谐振动 可以用弹簧振子来说明谐振动。如图1-2所示，弹簧左端固定，右端系一物体。为使讨论较为简单，设弹簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力对运动的影响。设物体在位置0时，弹簧作用在物体上的力是零。这个位置就是物体的平衡位置，若把物体向右移动到位置B，这时弹簧被拉长，相应地有指向左方即向平衡位置的弹性力作用在物体上，使物体返

5、回平衡位置。当物体回到平衡位置时，弹簧的弹力等于零，但物体在返回时获得了速度，由于惯性，它将继续向左移动。当物体在平衡位置左边时，弹簧被压缩，物体所受弹性力是指向右方，即平衡位置。这时弹性力作用是阻碍物体运动，直至物体停止在位置C。在这以后，物体在弹性力的作用下向右移动，情况和上述向左移动相似。这样，在弹簧的弹性力作用下，物体在平衡位置的左右作重复运动，即振动。,取平衡位置0为X轴的原点，并设X轴的正向向右根据胡克定律，物体所受的弹性力F与物体位移x（即弹簧的变形量）的关系为：F=-kx(1.1)式中：k弹簧的弹性系数；-力和位移的方向相反。设物体的质量为m根据牛顿第二定律（），它的速度为：(

6、1.2),因为k和质量m都是常数，所以它们的比值可以用一恒量F表示,即：(1.3)式中：角频率或圆频率。代入上式，得：a=-2x(1.4)从上式看出，上述振动的特征是：物体的加速度和位移成正比且方向相反，这种振动称为谐振动。物体在弹性力作用下发生的运动是谐振动。谐振动是最简单最基本的振动。任何复杂振动都是由许多不同频率的谐振动所合成的。,因为=,又得：+2x=0(1.5)根据微分方程理论，上式的解为：x=Acos(t+)(1.6)式中 A,两个恒量；A振幅，它是质点离开平衡位置的最大 位移；t+振动的相位。这是谐振动中位移x和时间t的关系式，称为谐振动的运动方程式，简称谐振动方程式。,3、波的

7、产生与传播 在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着，所以它的振动将传递给与之相邻近的质点，使邻近的质点也同样地发生振动，然后振动又传给下一个质点，依次类推。这样，振动就由近及远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成了机械波。从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。例如，把石子投入平静的水中，在水面上可以看到一圈圈向外扩展的水波。,再举二个实例弹性横波：手握绳子一端上下振动，可以看到如图 1-3的波向前传播的过程，这就是弹性横 波。弹性纵波：用手迅速而有节奏地推拉弹簧的一端，可以看到如图1-4弹

8、簧上有部分密集，部 分稀疏，部份疏密相间，且这种疏密相间 的状态沿着弹簧向前传播，这就是弹性纵 波。,图3.1-3 绳子上的横波 图3.1-4弹簧上的纵波,4、波的种类 波的种类是根据介质质点的振动方向和波的传播方向的关系来区分的。它主要分为纵波、横波、表面波等。(1)纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，例如空气、水中传播的声波就是纵波，如图1-5所示。纵波又常称“P”波。纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，因此和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体、液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，所以纵波可以在任何

9、固体、液体、气体中传播。,图1-5纵波,(2)横波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这 种波称为横波，例如绷紧的绳子上传播的波就是横波，如图1-6所示。横波又常称“S”波。横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应 力变化而传播的，因此和介质的切变弹性有关。由于液 体、气体无一定形状，当它们的形状发生变化时，不产 生切变应力，所以液体、气体不能传播横波，只有固体 才能传播横波。在气体、液体中只有纵波存在。,图1-6横波,（3）表面波：固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆振动。椭圆振动又作

10、用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称表面波，常以“R”表示。图1-7为表面波传播示意图。图中示出了瞬时的质点位移状态。右侧的椭圆表示质点振动的轨迹。由图可知，质点只在xy平面内作椭圆振动而波在体表面（xz平面）沿x方向传播。振动的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。表面波传播时，质点振动的振幅随深度的增加而迅速减小。当深度等于2倍的波长时，振幅已经很小了，因此，表面波多用于探测构件表面的情况。,图 1-7 表面波表面波只能在固体中传播。,5、波的形式 波的形式是根据波阵面的形状来划分的。如图1-8所示，声源在无限大且各向同性的介质中振动时，振动向各方面传播。传播的方向称为波线；

11、在某一时刻振动所传到各点的轨迹称为波前；介质中振动相应相同的所有质点的轨迹称为波阵面。在任一确定的时刻，波前的位置总是确定的，只有一个波前，而波阵面的数目则是任意多的。,图1-8 波线、波前、波阵面（a）平面波；（b）球面波；（c）柱面波1-波线；2-波前；3-波阵面,按波阵面的形状可以把波分成平面波、球面波和柱面波。（1）平面波：波阵面为平面的波称为平面波，其振源是一个作谐振动的无限大的平面。另外，从无穷远的点状声源（点源）传来的波，其波阵面可视为平面，也可称为平面波。（2）球面波：波振面为球面的波称为球面波，其振源是一个点状声源。（3）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波，其振源是一无

12、限长的直柱形。,6、波动方程 用数学方程式来描述一个前进中的波动，即描述介质中某质点相对于平衡位置的位移随时间的变化，该数学方程式为波动方程。由于谐振动是最简单的振动，所以由它产生的余弦波是最简单、最基本的波。因此，先讨论余弦振动在均匀介质中传播过程所形成的余弦波波动方程。如1-9所示，设一平面余弦波在无吸收的无限均匀介质中沿x轴的正向传播，波速为0、设0为波线上任意一点，并取其为坐标原点y轴为振动位移，若0点处质点作谐振动，从（1.6）式可知，其振动方程为：(1.7)式中：A振幅；角频率；y0质点在时间t时离开平衡位置的位移。,图1-9 波动方程推导,若是横波，则位移方向与X轴垂直；如是纵波

13、，则位移方向沿着X轴。设B为波线上另一任意点，离开原0的距离为x。因为振动从0点传播到B点需要的时间为x/，所以B点处质点在时间t的位置等于0点处质点在时间(t-x)的位移，即（1.8）,(18)式表示，在波线上任意一点（距原点距离为x）处的质点在任一瞬时的位移，即沿x轴方向前进的平面余弦的波动方程。波在一个周期T内（或者说质点完成一次振动）所传播的路程为波长，用表示。根据周期和波速的定义，三者关系为：=T(1.9)因为周期T与频率f互为倒数，所以(4.1.9)式也可写为：(1.10)这是波速、波长、频率间的基本关系。,不同类型的波在传播过程中速度各不相同，且其声速还取决于固体介质的性质（密度

14、、弹性模量、泊松比），所以声速是表征介质声学特性的一个参数。另外，声通的大小还与固体介质的边界条件有关。,二、声波在介质中的传播速度,1、纵波声速 在无限大固体介质中传播的纵波声速：(1.11)式中：E 杨氏弹性模量；泊松比；密度。在有限固体介质中传播时，则形成制导波，其速度变小。,2、横波声速 在无限大固体介质中传播的横波声速：(1.12),式中：G 切变弹性模量。,3、材料的弹性参数与声速值 下表列出了部分材料的弹性参数与声速值。,部分材料的弹性参数、声速和特性阻抗 表3.1-2,通过对固体介质声速的讨论可以看出：,通过对固体介质声速的讨论可以看出：（1）介质的弹性性能愈强即E或G愈大，密

15、度愈小，则声速愈高。（2）把（1.11）、（1.12）两式相除，得到纵、横波速度之比：(1.13)对于一般固体介质大约在0.33左右，故p s2。混凝土的泊松比介于0.20、0.30之间，因此ps介于1.631.87之间，即在混凝土中，纵波速度为横波速度的1.631.87倍。,声波在无限大介质中传播只是在理论上成立。实际上任何介质总有一个边界。当声波在传播中从一种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分声波被反射，仍然回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折射波（透射波）。声波透过界面时，其方向、强度、波型均产生变化。这种变化取决于两种介质的

16、特性阻抗和入射波的方向。现分垂直入射和倾斜入射两种情况来讨论。,三、声波在介质界面的反射与透射,1、垂直入射（1）单一的平面界面 当平面波垂直入射到一个光滑平面界面时，将产生一个与入射波方向相反的反射波和一个与入射波方向相同的透射波（图1-10）。这是波入射到界面上时最简单的情况。,先讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。在界面上，用反射波声压pr与入射波声压p0的比值表示声压反射率R，即：(1.14)用透射波声压Pd与入射波声压p0的比值表示声压透射率D即：(1.15)界面两侧两种介质的特性阻抗分别为Z1和Z2。,（2）异质薄层的反射与透射 当声波在一种介质中传播时，有时会遇到第二层介质

17、的薄层，如混凝土裂缝就是这种情况。这种情况下将产生多次反射与透射，情况要更复杂一些。,2、倾斜入射 当声波在一种介质中倾斜入射到另一介质界面时，将产生方向、角度及波形的变化。和光的传播类似，声波在界面上方向和角度的变化服从反射定律和折射定律，如图1-11。,反射定律：入射角（i）的正弦与反射角（）的正弦之比等于入射波与反射波速度之比。由 于入射波与反射波在同一介质中，其速度相等，所以入射角等于反射角（i=）。折射定律：入射角（i）的正弦与折射角（）的正弦之比等于入射波与折射波速度之比，即：(1.16）,图1-11 流体界面上声波的反射与折射 图1-12 固体界面上声波的反射与折射,以上情况可以

18、在流体（气体、液体）的分界面看到。在这种情况下，介质中只有单一的波-纵波出现。在固体介质分界面的情况则复杂一些。当一种波（例如纵波）入射到固体分界面时，不仅波方向发生变化且波型也发生变化，分离为反射纵波、反射横波，折射纵波和折射横波。各类波的传播方向（即反射角与折射角）各不相同，如图1-12所示。各种类型波的传播方向的变化亦符合几何光学中的反射定律和折射定律。其数学表达式如下：(1.17)1p,2p纵波在第一、二介质中的传播速度；ip,p，p 纵波入射角、反射角、折射角；S，S横波反射角、折射角。,增大入射波的入射角，则折射波的折射角亦随之增大。如果入射波是纵波，且1pip,即折射角大于入射角

19、。当ip增大，p也增大，当p90时，此时的入射角叫第一临界角，用符号i 1；表示。显然，当入射角大于第一临界角时，第二种介质中只有折射横波存在，如图1-13。这是一种获得横波的方法。第一临界角(1.18)当=90时，此时的入射角叫第二临界角，用符号i 2表示，如图1-14。第二临界角(1.19),图1-13 第一临界角 图1-14 第二临界角,声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰减。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构及性能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。,四、声波在传播过程中的

20、衰减,固体材料中声波衰减主要有以下几个方面的原因：（1）吸收衰减：声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能。（2）散射衰减：当介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源，向四周发射声波，使声波能量的扩散到达最大。（3）扩散衰减：声波发射器发出的超声波束都有一定的扩散角。波束的扩散，导致能量的逐渐分散，从而使单位面积的能量随传播距离的增加而减弱。,致密、强度高的混凝土声衰

21、减系数小，相对接收波幅大；强度低或存在缺陷混凝土衰减系数大，相对接收波幅小。当混凝土质量差或存在缺陷时接收到的声信号中高频已损失，频率变低。,五、混凝土中的声波特性,声学原理中所讨论的声波指的都是连续的余弦波，而实际上超声仪发射换能器所发射的超声波却是脉冲超声波。,脉冲超声波有以下特点：（1）重复间断发射。发射换能器发出的超声波不是连续不断的，而是以一定重复频率（100Hz或50Hz）间断地发射出一组组超声脉冲波，如图1-15所示。这就是所谓超声脉冲波。虽然脉冲波与连续波不一样，但是前面所推导的单一界面的反射率和透射率公式仍然能适用。至于异质薄层的反射率和透射率的公式只有在异质薄层相对于脉冲宽

22、度很窄时（例如裂缝），脉冲波相当于连续波时，该式才适用。,（2）脉冲超声波不具有单一频率而是所谓复频波。也就是说，这一组超声波由许多不同频率的余弦波组成。当然，它也有其固有的主频率，这就是换能器上的标称频率。这种复频超声波在有频散现象的介质中传播时，各种频率成分的波将以不同速度传播，这就使得脉冲波形将随传播距离的增大而发生畸弯，变成如图1-16所示，脉冲开始部分的频率比后面部分要高，后面愈来愈平坦变宽。,图1-15超声脉冲波 图1-16脉冲传播过程中的畸变,由于声波的衰减与频率有关，频率越高衰减越大，因此在脉冲超声波传播时由于衰减将引起主频率向低步侧的漂移，即所谓频漂。,第二部分 检测技术,超

23、声波检测混凝土缺陷的基本原理超声波检测混凝土灌注桩完整性方法的适用范围超声波检测仪器与设备,采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中传播的时间（或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷。,一、超声波法检测混凝土缺陷的基本原理,超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大

24、，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者经过缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。,根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析，判别其缺陷的位置和范围，或估算缺陷的尺寸。,二、超声波检测混凝土灌注桩 完整性方法的适用范围,基桩声波透射法是一种检测混凝土灌注桩完整性的有效手段，

25、它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埋了两根或两根以上声测管的基桩。,在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射并接收，可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射，因而到达接收换能器的声时、波幅及主频发生改变。超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完整性。,对跨孔透射法，当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大，同时预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题。因此，超声波检测方法适用于检测直径不小于800mm的混凝土灌注桩的完整

26、性，它包括跨孔透射法和单孔折射法。单孔折射波法是根据上部结构对基桩的质量要求，检测钻芯孔孔壁周围的混凝土质量。,用超声波法检测钻孔灌注桩完整性的优点在于结果准确可靠，不受桩长、桩径限制，无盲区（声测管范围内都可检测），可测桩顶低强区和桩底沉渣厚度，桩顶不露出地面即可检测，方便施工，也可粗略估测混凝土强度。,1、超声波仪 超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号送至超声仪，经放大后显示在示波屏上。自60年代开始生产第一代电子管超声仪至今已发展为第四代智能数字

27、式超声仪，见下表：,三、超声波检测仪器与设备,超声波仪的发展概况,超声波仪的发展概况 表3.2-1,超声波仪的发展概况 表3.2-1,超声检测系统应包括三大部分：即接收信号放大器，数据采集及处理存储器和径向振动换能器等。为了提高现场检测及室内数据处理的工作效率，保证检测结果的准确性和科学性，声波测试仪器必须具有实时显示波形、分析功能及一发双收等功能。声波发射应采用高压阶跃脉冲或矩形脉冲，其电压最大值不应小于1000V，且分档可调。数字式超声波仪的基本工作原理框图见图2-1所示。,图2-1 数字式超声仪的基本原理,超声波仪除了产生、接收、显示超声波外，还必须量测超声波的有关参数，如声传播时间、接

28、收波振幅、频率等。其接收放大器与数据采集器的主要技术指标要求如下：,(1)仪器接收放大器频率响应范围（频带）应有足够宽度，一般为5200kHz，其下限不宜降低，否则不利于滤去因换能器绝缘性能降低而产生的低频信号，造成自动判读时丢波和错判现象。增益不应小于100dB，放大器的噪声有效值不大于 2 s，波幅测量范围不小于 80 dB，测量误差小于1 dB。(2)为满足最大测距的要求，仪器的计时显示范围应大于2000s，保证有足够的扫描延迟时间及声时显示位数，并应具有良好的稳定性，声时显示调节在2030s范围内，2小时内声时显示的漂移应不大于0.2s，且不允许发生间隔跳动。,(3)仪器应有较好的接收

29、灵敏度（即对微弱信号的接收分辨能力）。一般要求接收灵敏度50，该参数取决于仪器的放大能力和信噪比水平，提高灵敏度可以加大穿透距离，提高对微弱信号的识别能力。为满足混凝土试件声速测量精度的要求，测时最小分辨度为0.5，计时误差不大于2。(4)采集器模数转换精度不应低于8bit，采样频率不应小于10MHz，最大采样长度不应小于32kB。,(5)仪器宜具有示波屏显示波形和游标测读功能，以便较准确的测读声时、振幅及频率等参数。若采用整形自动测读时，检测混凝土测距不宜超过lm（以软件判别方法自动测读的智能超声仪除外）。(6)为了提高现场测试效率，仪器应有自动测读、信号采集、存储和处理系统，适于一般现场测

30、试情况下的温度、电源变化条件。,常用换能器按波型不同分为纵波换能器与横波换能器，分别用于纵波与横波的测量。目前，一般检测中所用的多是纵波换能器。以发射和接收纵波为目的的换能器，又分为平面换能器、径向换能器以及一发多收技能器，见图2-2。,2、径向振动换能器,图 2-2 换能器的分类,换能器的种类需根据被测结构物的测试要求和测试条件确定。测桩所用的换能器应是柱状径向换能器，其主频宜为2550kHZ，长度宜为20cm。收、发换能器的导线均应有长度标注，其标注允许偏差不应大于10mm。为提高接收换能器的灵敏度，可在换能器中安装前置放大器。前置放大器的频带宽度宜为550kHz。由于换能器在深水中工作，

31、其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。,换能器频率的选择需综合考虑测距、声波的衰减程度、测试精度等。测距越大，衰减越大，选用换能器的频率越低；混凝土质量越差，强度越低，龄期越短，对声波的衰减越大，使用频率越低；在满足首波幅度测读精度的条件下，宜选用较高频率换能器。对于一般的正常混凝土，换能器频率选择可参见表2-2。,表2-2 换能器的分类,单孔检测采用一发双收一体型换能器，其发射换能器至接收换能器的最近距离不应小于300mm，两接收换能器的间距宜为200mm。,3、声测管 声测管是进行超声脉冲法检测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要组成部分。它在桩内的预埋方式及其在桩的横

32、截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。,（1）声测管的选择，以透声率较大、便于安装及费用较低为原则。考虑到公路基桩大多数是大桩、长桩，加上混凝土的水化热作用及钢筋笼安放和混凝土浇注过程中存在较大的作用力，容易造成检测管变形、断裂，从而影响检测工作的顺利进行。因此，声测管应采用强度较高的金属管。（2）声测管常用的内径规格是5060mm。为了便于换能器在管中上下移动，声测管的内径通常比径向换能器的外径大10mm；当对换能器加设定位器时，声测管内径应比换能器外径大20mm。,（3）在声波

33、透射法检测中，超声波特征值仅与收、发检测管间连线两边窄带区域（声测剖面）的混凝土质量密切相关。当灌注桩的直径增大时，每组声测管间超声波的混凝土检测范围占桩截面积比例减小，不能反映桩身截面混凝土的整体质量状况，因此，声测管的数量及布置方法决定了桩身混凝土实际的检测面积和检测范围，对直径大的桩必须增加声测管的数量。一般桩径小于800mm时，沿直径布置两根声测管，构成一个声测剖面；桩径为 8001500mm时，应按等边三角形均匀布置三根声测管，构成三个声测剖面；桩径大于1500mm时，应按正方形均匀布置四根声测管，构成六个声测剖面，如图2-3图中的阴影区为检测的控制面积。,图 2-3 声测管布置方式

34、,（4）由于声测管间距随深度的变化难以确定，各深度处的声速只能采用桩顶二根声测管的距离来计算，因此，为减少偏差必须将声测管牢固焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，并在相邻声测管之间焊接等长水平撑杆，保持管与管之前互相平行且定位准确。为避免产生漏浆、漏水和因焊渣造成管内堵塞问题，声测管不应采用对焊方法连接，而应采用螺纹连接，声测管埋设至桩底并封闭，管口高出桩顶面300mm以上并加盖。（5）根据公路工程的特点和便于了解桩身缺陷存在的方位，声测管埋设时宜将其中一根对准线路前行方向。以路线前进方向的顶点为起始点，按顺时针旋转方向进行编号和分组，每二根编为一组。,第三部分 测试方法,测试方法检测数据分析与评定桩身

35、混凝土质量评价检测报告,1、检测前的准备（1）在检测前应进行现场调查，多方面收集基桩的技术资料，如工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等，了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况，这对判定异常信号产生的真实原因十分有益。同时还应根据调查结果和检测的目的，制定相应的检测方案。检测方案包括：工程概况，目的与任务，方法与技术，仪器设备，检测场地要求，检测人员和时间安排，检测报告等。,一、测试方法,（2）检测的时间应满足混凝土强度龄期的要求。为保证检测结果的可靠性，同时考虑到混凝土在龄期14天后的超声波波速等特性参数变化已经趋于平缓，一般要求超声波检测混凝土灌注桩的龄期应大于14天。（3）检测

36、前应冲洗声测管，以保证换能器在全程范围内升降顺畅。声测管内灌满清水做为偶合剂，因声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测结果带来误差。对利用取芯孔进行单孔超声波混凝土质量检测，在检测前也应进行孔内清洗，取芯孔的垂直度误差不应大于0.5。,（4）标定超声波检测仪从发射至接收仪器系统产生的系统延迟时间t0。将发、收换能器平行置于清水中的同一高度，其中心间距从400mm左右开始逐次加大两换能器之间的距离，同时定幅测量与之相应的声时，再分别以纵、横轴表示间距和声时作图，在声时横轴上的截距即为t0。为保证测试精度，两换能器间距的测量误差不应大于0.5，测量点不应少于5个点。（

37、5）用直径明显大于换能器的圆钢疏通声测管，并记录深度，准确量测声测管的内、外径和两相邻声测管外壁间的距离，量测精度为1mm。,2、测试装置形式 灌注桩的测试装置形式主要有：1）水平同步平测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，位于同一高度进行测试；2）等差同步斜测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，但不在同一高度，保持一定高程差进行测试；3）扇形扫测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，保持一个换能器高度位置固定，另一个换能器以一定的高程差上下移动进行测试，如图3-1。,图 3-1 测试装置示意,3、检测方法（1）径向换能器在水平方向具有一定的指向性，为了保证测点间声场对桩身混凝土的覆盖面，

38、防止缺陷的漏检，上、下相邻两测点的间距宜为250mm。测试时，发射与接收换能器以相同标高同步升降，测试中，对收、发换能器所在的深度随时校准，其累计相对高程误差控制在20mm以内，避免由于过大的相对高程误差而产生较大的测试误差。,（2）声波透射法检测混凝土灌注桩质量中，声时和波幅是两个重要指标，其中波幅对混凝土内部缺陷的反应往往比声时更具敏感性。在实际检测中，波幅是一个相对量，而声时又是根据波形的起跳点来确定的。因此，为了使不同位置处的检测数据具有可比性和应用价值，在同一根桩的检测过程中，声波发射电压和放大器增益等参数应保持不变，并进行等幅测试。,（3）对声时值和波幅值的可疑点应进行复测。对于声

39、时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。其中水平加密细测是基本方法，而等差同步和扇形扫测主要用于确定缺陷位置和大小，其发、收换能器连线的水平夹角一般为3040。,（4）常规超声波测试方法可以得到灌注桩沿桩长方向的粗略质量分布情况。CT层析成像技术配有专门的分析软件，适宜于对局部可疑区域或重要结构进行重点加密细测，并可对桩身缺陷进行定量分析，其方法测试流程图见图3-2。（5）同一根桩中有三根以上声测管时，以每两个管为一个测试剖面分别测试。并在测试过程中保持测试系统状态参数不变。,图 3-2 混凝土灌注桩的测试

40、流程,目前桩身混凝土缺陷判别主要依据于实测声速、波幅及其随深度的变化曲线并根据声速判据、波幅判据和PSD判据综合分析桩身质量及混凝土缺陷程度。,二、检测数据分析与评定,1、判断桩内缺陷的基本物理量 在钻孔灌注桩的检测中所依据的基本物理量有以下四个：（1）声速：超声波在混凝土中传波的速度。当超声波在传播过程中遇到混凝土缺陷时将产生绕射，此时超声波在混凝土中传播的时间加长，计算出的声速也降低。一般来说声速指标比较稳定，重复性好，数据有可比性，但对桩身缺陷反应不够敏感。,（2）波幅：超声波在缺陷界面产生反射、散射，能量衰减，波幅降低。采用波幅指标进行缺陷判断时，要求波幅值有可比性。即仪器、换能器、信

41、号线等测试系统不变，发射电压、采样频率等测试参数不变，测距相同，测试角度相同，这样的测试数值才有可比性。波幅变化受表面耦合状态的影响较大，因此应保持传感器与混凝土灌注桩之间有良好的耦合状态。波幅变化对桩身缺陷的反应就比较很敏感。,（3）主频（或频谱）：超声脉冲是复频波，具有多种频率成分，当它穿过混凝土后，各频率成分在遇到缺陷时衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而使接收信号的主频率向低频端漂移（频移）。,（4）波形畸变：由于超声脉冲在缺陷界面反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为

42、许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声波在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变，所以波形畸变可作为判断缺陷的一个参考依据。但是，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。,2、声时修正值的计算 当声波从某一声测管传播至另一声测管时，将通过耦合的水和金属声测管，因此必须进行声时修正。其声时修正的计算公式：(3.1)式中：t声时修正值（s）；D声测管外径（mm）；d声测管内径（mm）；d换能器外径（mm）；t预埋声测管的声速值（km/s）；w 水的声速值（kms）。对钢质声测管，波速一般

43、可取5800ms；20C时水的声速可取1480m/s。,3、声时初读数的计算 超声波在预埋声测管之间传播，所测得的走时包括：超声系统声时初读数、超声波在声测管的耦合水里传播的声时、超声波在声测管中传播的声时、超声波在混凝土中传播的声时。为了准确计算灌注桩的混凝土波速，应对实测声时读数进行预处理，一般采取实测声时减去声时初读数的方法，获得超声波在混凝土中传播的实际声时。该声时初读数的计算公式是：(3.2)式中：t0超声系统声时初读数；t声时修正值（s）。,4、声时、声速和声速平均值 声时、声速和声速平均值应按下列公式计算，并绘制声速-深度曲线、波幅-深度曲线。(3.3)(3.4)(3.5)式中:

44、ti超声波第i测点声时值（s）；t0声波检测系统延迟时间（s）；i第i个测点声速值（kms）；l两根检测管外壁间的距离（mm）；m混凝土声速平均值（kms）；n 测点数。,鉴于目前所用的换能器频带窄和用频率判定桩身混凝土缺陷的方法还不成熟。因此，未将声波频率-深度曲线作为桩身混凝土完整性的主要判定指标之一。,5、单孔折射法 为了测试单根声测管或验证取芯孔周围的混凝土质量，往往采用一发双收的一体化径向还能器。测试时，其声时、声速值应按下列公式计算：(3.6)(3.7)式中：i 第i测点的声速值（km/s）t 两个接受换能器间的声时差(s);t 近道接收换能器声时(s);t2 远道接收换能器声时(

45、s);h 两个接收换能器间的距离（mm）。,三、桩身混凝土质量评价,1、强度评价 混凝土强度的评价是建立在波速与混凝土物理力学指标之间相关性的基础上。声速可通过混凝土弹性模量与其力学强度的内在联系，与混凝土抗压强度建立相关关系，并推定混凝土的强度。表3-1表示混凝土强度与声速之间的相关关系。当声速小于3500ms时，说明混凝土质量较差。,混凝土强度与声速关系参考表 表 3-1,在恒定泊松比情况下，混凝土弹性模量与压缩波速度的经验关系如图3-3所示，混凝土的抗压强度与弹性模量的关系如图3-4所示。在已知混凝土构件的弹性波速度层析图后，根据图3-3可换算出混凝土的弹性模量，再根据图3-4可换算出混

46、凝土的抗压强度并评定混凝土的质量。,图 3-3混凝土弹性模量与波速关系 图3-4弹性模量与抗压强度关系,目前，在国内一般采用统计方法建立专用曲线或数学表达式，如 两种非线性的数学表达式，其中e为动弹性模量，v为波速，为立方体抗压强度，A、B、C为经验系数。,2、桩身混凝土缺陷声速判据 声速临界值的确定基于概率法，即无缺陷的混凝土声速测值虽因其本身的不均匀性造成一定的离散性，但符合正态分布；由缺陷造成的低声速值-异常值不符合正态分布。因此，确定临界值时必须采用正常混凝土的声速平均值及标准差，否则，求得的声速平均值将偏小，易造成漏判。同时还应分析考虑声测管间不平行产生的误差影响。声速是材料的基本物

47、理量之一，它与混凝土强度相关，实测声速应大于或等于声速低限值。声速低限值由同条件混凝土试件做强度和速度对比试验，结合地区经验确定。声速低限值相对应的混凝土强度不宜低于0.9R（R为混凝土设计强度），若试件为钻孔芯样，则不宜低于0.85R。,当实测混凝土声速值低于声速临界值时应将其作为可疑缺陷区。(3.8)式中：i第i个测点声速值（km/s）;D声速临界值(km/s);,声速临界值采用正常混凝土声速平均值与2倍声速标准差之差，即：(3.9)(3.10)(3.11)式中：D 声速临界值（km/s）;正常混凝土声速平均值(km/s);正常混凝土声速标准差；i 第i个测点声速值(km/s)n 测点数。

48、,当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据。即实测混凝土声速值低于声速低限值时，可直接判定为异常。(3.12)式中：i第i个测点声速值(km/s);L声速低限值(km/s)。声速低限值应由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，结合本地区实际经验确定。,3、桩身混凝土缺陷波幅判据 波幅是相对测试，也曾有人试图用概率统计理论来确定临界值，但由于桩身混凝土内部结构的变异性很大而难以找出较强的波幅统计规律性，因而实际中多是根据实测经验将波幅值的一半定为临界值。,用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实测波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。(3.13)(

49、3.14)式中：A波幅临界值（dB）；Am波幅平均值（dB）；Ai第i个测点相对波幅值（dB）。,PSD 法是基于缺陷处声时的变化引起声时深度曲线的斜率明显增大，而声时差的大小又与缺陷程度密切相关，因此两者之积对缺陷的反映更加明显，即(3.15),3、桩身混凝土缺陷波幅判据,采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区。(3.16)式中：ti第i个测点声时值（s）;ti-1第i个测点声时值(s);zi第i个测点深度(m);zi-1第il个测点深度（m）。,5、混凝土声速、波幅和 PSD值出现异常 对于混凝土声速和波幅值出现异常并判为可疑缺陷区的部位，应采用

50、水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。对声速、波幅和 PSD值超越临界值异常或突变时，应对缺陷处进行细测。同时结合波形、施工工艺和施工记录等有关资料进行综合分析，以确定桩身混凝土缺陷的位置和程度。当声速普遍低于低限值时，应通过钻孔取芯法检验基桩的混凝土强度。,6、支承桩或嵌岩板 对支承桩或嵌岩桩，宜同时采用低应变反射波法检测桩端的支承情况。由于超声波只能检测桩身部分的混凝土质量，对于支承桩或嵌岩桩，宜同时采用低应变反射波法检测桩端的支承情况，确保基桩承载力满足设计要求。,7、桩身完整性类别判定 类桩：各声测剖面每个测点的声速、波幅均大 于