超声波透射法在基桩检测中的应用

摘要：本文详细阐述了超声波透射法的工作原理，并借助工程实例，从声时、声幅、声速、PSD、波形几个方面比较了基桩的缺陷程度，确保工程质量达到设计要求。

关键词：超声波透射法 声时 声幅 声速 PSD 波形 缺陷

0 引言

超声检测中所用的均是超声脉冲波，该法始于20世纪40年代后期。我国自20世纪50年代开始这项技术的研究，在20世纪60年代已应用于工程检测。随后生产了国产超声仪，最近20多年来发展尤为迅速。超声法检测灌注桩混凝土质量是近10多年逐渐发展起来的一种检测方法[1-2]。超声检测具有仪器轻便、抗干扰能力强、观测准确度高、结果直观可靠，还可以在桩身中上下移动测试，详细查明桩内部缺陷与性质、深度位置、范围大小、严重程度等优点，在工程中得到广泛采用，特别是桥梁、高层建筑的大型、特大型灌注桩的检测。

1超声波测试的原理

超声探测技术是利用频率很高的超声波（10-500KHz）作为信息的载体，来对混凝土构件进行探测的方法。因采用的频率高，波长短，故该方法的分辨率高，对缺陷的反应灵敏。当混凝土的组成材料，工艺条件，均质性以及测试距离都一定时，超声波在其中传播的速度，首波的幅度和接收信号的频率等声学参数的测量值应该基本一致。目前在混凝土检测中所常用的声学参数为声速（波速）、振幅、频率以及波形[3]。（1）波速或声时：声波在正常砼介质之中的纵波波速一般在3000～4000m/s之间，当桩身中存在夹杂等缺陷时，弹性模量E将会降低，引起波速降低或者声时的增大。（2）振幅和频率：声波由一种介质进入另一种不同的介质时，将产生反射与透射，当桩身存在缺陷时，形成复杂的界面，造成接收点声波能量的衰减，其表现为振幅和频率均出现大幅度的衰减。（3）波形变化：桩身中由于缺陷、材料频散及声场改变引起了接收波形的畸变，它携带了大量混凝土有关信息，可通过离散与信号处理，来评价混凝土的质量。

2超声波测试技术

2.1 声测管的布设

声测管的数量：声测管的数量由桩径大小决定。各规范在埋设根数上有些出入。JGJ106-2014[4]规定为：D（桩径）≤800mm，2根；800

声测管的埋设：声测管预先固定在每段钢筋笼内，用点焊或铁丝绑扎的方法固定在架立筋内侧。声测管应一直埋到桩底，底部应预先封焊死，上端管口应高出桩顶30～50cm.，并用螺纹盖、塞或木桩封闭管口，防止异物掉入管内。

2.2 声时修正值的调整

在进行超声波测试之前，应测定从声波发射时刻到声波接收时刻之间存在的延误时间，以便在计算实际声时时消除误差。其延时误差包括两个部分：第一部分为系统零延迟，第二部分为由测管所引起的误差。第一部分的误差通过如下测试确定，将发射和接收探头同时固 定在一个夹板上，置入清水中，测得两者间距为L，根据水中声波的波速 ，算出其传播时间： ，在声波仪上读出波形初至所对应的时间 ，所求的系统零延迟为： 。第二部分的误差可以通过下式求得： ，其中： ―测管外径， ―测管内径， ―探头径， ―测管材料声速， ―水中声波。所求得的总的声时修正值为： 。在以后各点的声波透射测试中，应从实测波形的初至所对应的声时之中减去修正值，才是对应声波在两测管外壁之间桩体砼介质传播的真正声时。

2.3 超声波透射方法

测试方法一共有以下四种：（1）水平同步测试：将发射与接收探头分别置入两个声测管内，在同一标高同步升降，测点间距一般取20～40cm，怀疑桩身有异常时，应加密测点距细测。（2）高差同步测试：发射与接收探头相差一个固定高差同步升降，两探头的水平测角一般取30?～40?，该方法对于水平方向的裂纹不会漏掉。（3）扇面测试：分别将发射与接受探头一个固定另一个移动测点，可测得多组记录。（4）交叉测试：在高差同步测试的基础上，分别交换发射探头和接收探头的位置，即可形成交叉测试。

2.4资料处理

目前最常用的处理方法就是根据声速或声时、声幅和频率、以及PSD来进行缺陷的判别。

（1）声时判据：用声时小概率 作为判断有无缺陷的临界值：

（2）声幅判据：一般将声幅大于 的的测区视为异常区。

（3）PSD判据：即为相邻两测点间声时的斜率和差值的乘积判据，用公式表达如下：

式中： ―第 个测点判据值； ， ―相邻两测点声时值； ， ―相邻两测点深度值。

该方法采用常用的数理统计方法求出平均声时 和标准差，以 作为判据，凡是声时 的测点均视为缺陷区。PSD判据对声时具有指数放大作用，运用PSD判据基本上消除了声测管不平行或混凝土不均匀等因素所造成的声时变化对缺陷判据的影响。因此，应综合上述三种方法进行分析来确定桩身混凝土的质量。其综合性判断指标如下表所示：

3 工程实例

绍兴市钱滨线某桥46-1桩，桩径1.8m，AC剖面如下图所示，现对其中某些典型缺陷桩的超声波测试波形进行分析。

图3（1）声时、声幅、PSD随深度变化曲线 图3（2）波列剖面

从声时随深度变化曲线中可以看出在桩顶6.0～9.0处声时较大，大于判据；在声幅随深度变化曲线中可以看出该段附近声幅较小，低于判据；在声速随深度变化曲线中可以看出该位置处声速较小，低于判据；在PDF随深度变化曲线中在该段处，曲线不平滑出现尖端突起；在波列剖面中，该段处波形不是正常的正余弦曲线，部分出现畸变。从以上现象可以断定该位置处存在缺陷。于是对该处进行取芯，结果发现该处确实存在部分胶结很差（如图4所示）。为了使该桩满足工程设计需求，随后对该桩进行了补强处理，并再次进行基桩检测，测试结果表明该桩满足工程要求。

图4取芯照片

4 结语

本文详细地阐述了超声波透射的方法，并将该方法应用于绍兴市钱滨线的基桩检测当中，结果表明综合利用超声波透射法中的声学参数对混凝土结构缺陷的检测是可靠的。

参考文献

[1] 罗骐先. 桩基工程检测手册（第二版）. 北京：人民交通出版社，2004

[2] 刘屠梅.赵竹占.吴慧明. 基桩检测技术与实例. 北京：中国建筑工业出版社，2006

[3] 郭素杰. 超声波多参数综合分析法在基桩检测中的应用.勘察科学技术，1999，（1）：61～64

[4] JGJ106―2014，建筑桩基检测技术规范[S].

[5] 朱秀知，曾江. 跨孔超声波在混凝土灌注桩质量检测中的应用.中国煤田地质，2001，13（4）：64～65

作者简介：王旭强（1977-），男（汉族），甘肃平凉人，工程师，现从事基桩检测和岩土工程监测工作。