超声波透射法检测桩技术研究应用

论文导读：超声波是一种机械波，同时它又是弹性波测试方法中的一种，固体介质中弹性波的传播理论是它的理论基础。
关键词：混凝土灌注桩，超声波，完整性判定
 

桩基础是一种重要的基础形式，由于桩基施工条件和工艺等因素，桩基产生缺陷的比例较大，对整个工程质量易造成严重的影响，甚至留下严重的隐患。

目前，桩基动测能较好地解决检测诊断桩基本身砼完整性问题。但是，桩基动测只能定性而不能定量的判断桩身缺陷。超声波是一种机械波，同时它又是弹性波测试方法中的一种，固体介质中弹性波的传播理论是它的理论基础。目前，国内外已普遍应用超声测试解决；研究砼构件凝结过程特征、探伤、测定混凝土的动弹性模量，评定混凝土桩和构件的匀质性，评定混凝土的参考力学强度。利用超声波测桩可以定量评定桩身质量。

1. 超声波检测灌注桩方法

超声波透射法检测灌注桩有以下三种检测方式：

1.1双孔测量

发射探头和接收探头分别置于两根管道中，超声脉冲穿过两管道之间的混凝土，超声波束从发射探头到接收探头所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布置合理。

1.2单孔测量

钻孔取芯后形成一个检测孔道，采用单孔测量。超声波从水中及混凝土中分别绕射到接收探头，所得到的接收信号为水及混凝土中传播而来的信号叠加，分析这一叠加信号，并测出不同声通路的声时、波幅、频率等物理量，即可分析孔道周围混凝土的质量情况。

用这一方式进行检测时，必须进行波形分析，排除管中的混响干扰，测量较为困难，而且检测有效范围不大，当孔中有钢质套管时，则不能用单孔测量。

1.3桩外孔测量

当上部结构已施工，在桩内无法检测时，可在桩外的土层中钻一孔，埋入套管作为检测通道。在桩顶上置一较强功率的低频发射探头，超声脉冲沿桩身向下传播，增压式接收探头从桩孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身并穿过桩与测孔之间的土进入接收换能器，逐段测读各物理量，即可作为分析桩身质量的依据。同于超声脉冲在混凝土及土层中的衰减现象，这种方法的可检深度受仪器穿透能力的限制。

以上三种方式中，双孔测量应是基桩测量的基本形式，它要求在灌注混凝土以前即预埋检测管道，虽然增加了少量费用，但此管可一管多用，一举数得，并非浪费。免费论文。其它两种检测方式在检测结果的分析上较为困难，可作为特殊情况下的补救措施。

2. 钻孔桩内部缺陷与判断

2.1用声时判断缺陷的PSD判据

湖南大学吴慧敏教授提出一种新的判据形式，称为“相邻两测点间声时的斜率和差值的乘积判据”，该判据抛弃了声时值按正态分布的假定，即常用的数理统计方法求出平均声时t和标准差，以+2σ作为判据，凡声时t1＞+2σ测点视为缺陷的分析方法，而建立在这样的基础之上，即缺陷区超声传播介质的性质发生突变，因此声时值在缺陷区的变化规律是一不连续函数。至少在缺陷区的边界上，该函数斜率增大。当i处相邻两测点声时没有变化，判据Ci=0；当有变化时，由于Ci与（ti-ti-1）2成正比，Ci将大幅度提高。因此PSD判据对缺陷十分敏感。同时又可排除声测管不平行或混凝土不均匀引起声时变化等非缺陷因素的影响。凡是在判据值较大的地方，均作为疑问区，作进一步的细测。

2．2缺陷区空间定位——阴影重叠原则

采用超声脉冲法检测分为全桩扫测和有怀疑部位细测两步进行。扫测一般采用平测或高差25cm的斜测，步距25cm为宜，扫测只读声进值。

所谓细测判断，就是对声时增加，波形衰减的异常区将测点由25cm加密至10cm，在测读声时的基础上同时观察声波波幅，波形的变化，综合动用这些物理量找出缺陷区造成的专用阴影范围。即使用平测、双向斜测三组细测，阴影重叠区即为缺陷位置——称之为“阴影重叠原则”。

2．3缺陷区性质的确定

利用PSD判据对于夹层的判断及定位是准确的。对于蜂窝、孔洞、低强度区等局部缺陷定性误差较大，必须采用以下方法复核之。

2.3.1缺陷区声速法

利用以上缺陷空间定位方法确定缺陷面积后，可计算出缺陷区介质声速。

缺陷位于两声测管中间时应首先计算声波绕声速并与完好区混凝土声速比较，如绕射声速与好混凝土声速相符，则可确定声波以发生绕射，缺陷区为夹砂团的松散无强度的“孔洞”；如绕射声速小于好混凝土声速，则可确定声波从缺陷区内穿过，得出缺陷声速V后，参照表1确定缺陷性质。

表1 某工地混凝土声速分级标准

2.3.2综合判断法

超声脉冲在遇到局部缺陷时，通过夹杂物的声速一般低于正常混凝土，即声时增加；由于缺陷内夹杂物对声波能量吸收较多，造成接收波振幅的明显衰减；同时由于反射波散射波迭加结果，接收到的波形可能发生畸变等。但缺陷不一定同时具备这样特征，且不同缺陷其特征表现不尽一样。比如声时增加，声波可能并未衰减反而增加，声波衰减，声时却未增加等等，这样都与缺陷各类和性质有关。免费论文。见表2。

表2 综合定性判断表

一般来说，完好混凝土桩，声时曲线基本呈直线，无明显折点，波幅也无明显衰减。蜂窝、局部夹泥沙团声时值有明显增加，最大相对差10～20％，波幅有衰减。局部夹层和断桩声时值增加明显，声时曲线出现较大峰值，最大相对差大于30％，波幅衰减强烈。对砾沙夹层可衰减到50～100％，对泥沙夹层则衰减达80～100％，声波几乎成一条直线，加大增益也无法测试，夹层厚度一般在50cm以上，是比较好判别的。

3. 声测法检测灌注桩的几点体会

3．1声测管接头的影响

振幅骤减，声时增大。特点：

（1）只有一个测点；

（2）影响二个测试面；

（3）探头扶正器可探测到。

3．2斜测的重要性

声测管处常挂泥团，通过斜测可避免误判为成层状缺陷。免费论文。进一步发展就是层析成象。

3．3二项指标判断

灌注桩检测中测量二项声学参数：声速和振幅。应充分利用这二项参数进行判断。

混凝土离析，石子沉降，砂浆多，声速低，但振幅不低，混凝土强度并不一定低。振幅低，声速不低，往往是混凝土气泡多，不一定是严重缺陷。只有声速、振幅均突降，才是夹泥、沉渣与断层。

3．4波形反相

探头靠声测管壁会发生这种情况，应加扶正器。

3．5不要提前测定强度

尽量不要提前测定强度,因为管距不准，波速测值有误差，相关曲线也没有。

3．6孔底软垫层

在成孔下置钢笼后，由于未及时灌注水下混凝土，孔底沉渣增厚，虽又吸渣清孔，但不彻底，形成“U”状软垫层。

3．7桩顶缺陷的判别

由于超压力不足形成桩顶混凝土不如下部密实。表现为桩顶声时值较大，并缓慢过渡到1.0－1.5m深度始转正常。应利用单声速法评估桩头混凝土强度，保证凿去不合格部分。

4.结论

4．1超声透射法检测基桩完整性，理论与实距证明，通过在桩内预埋声测管，进行超声脉冲发射检测，是可靠的检测大直径桩质量的可行方法。

4．2“PSD判别法”（“声时·深度”曲线法）显示出许多优越性，成为我国桩基基础质量超声波检测的重要分析方法。

4．3目前国内已有单位将研究超声波成像，即工程声波CT，最后所得到被测介质的二维或三维透析图，能给出一个非常直观的效果。是本学科的发展方向。

【参考文献】
[1]桩基工程手册编委会．桩基工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1997.
[2]吴慧敏．结构混凝土现场检测技术．长沙：湖南大学出版社，1992.
[3]吴新璇编著．混凝土无损检测技术手册．人民交通出版社，200.