声波透射法在基桩检测中应用

摘要：文章探讨了基桩预埋管超声波法对大直径深长桩的质量检测的方法与技术可靠程度。工程实践证实，基桩采用预埋管超声波对大直径深长桩检测，其观测准确度，结果直观可靠，可以较详细地查明内部缺陷的性质、深度位置、范围大小及严重程度，为控制大直径深长桩桩体质量提供了一种有效的检测方法。

关键词：超声波；声速；波幅；质量检测

中图分类号：P631.5文献标识码：A

1、引言

工程桩应用于我国的城市建筑非常多，大直径的、深长或者单桩单柱的基桩日趋增多。在施工过程中，不可能百分之百的基桩都能达到合格的要求，难免会有部分的基桩存在不同程度的缺陷。尤其在灌注桩的施工过程中，有时会出现夹泥、离析、缩径、甚至断桩等情况。因此，在实际工程检测中，利用测得的超声波信号准确判断桩身质量，排除工程隐患，对基桩的质量评价是至关重要的。

2、基本原理及方法

混凝土是由多重材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减、造成传播时间延长，使声时增大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变。因此，可利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化。来分析判断桩身混凝土质量。声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2~4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A、频率f及深度等物理量，就可判断桩身结构完整性。

声波投射法范围适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性。因为桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。

3、仪器设备

3.1试验装置声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上孔口深度滑轮和数据处理计算机。检测系统见图1.

3.2超声检测仪的技术性能应符合下列规定：

3.2.1具有实时显示和记录接收信号的时程曲线，以及频率测量或频谱分析功能；

3.2.2声时测量分辨率优于或等于0.5μs，声波幅值测量相对误差小于5%，系统频带宽度为1~200kHZ，系统最大动态范围不小雨100dB；

3.2.3声波发射脉冲宜为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200~1000V。

3.3声波发射与接收换能器应符合下列要求

3.3.1圆柱状径向振动，沿径向无指向性；

3.3.2外径小于声测管内经，有效工作面轴长度不不大于150mm

3.3.3谐振频率宜为30~50kHz；

3.3.4水密性满足1MPa水压不渗水。

3.4声测管埋设要点：

3.4.1声测管宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管，其内经宜为50~60mm。

3.4.2声测管应采取方法固定声测管，使之成桩后互相平行。

3.4.3声测管应下端封闭、上端加盖、管内无异物；声测管连接应光滑过度，管口应高出桩顶100mm以上，且各声测管管口高度一致。

3.4.4声测管埋设数量应符合下列要求：

a、D≤800mm，2根管。

b、800＜D≤2000mm，不少于三根管。

c、D＞2000mm，不少于4根管。

式中D---受验桩设计桩径。

3.4.5声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置，按图2所示的箭头方向顺时针旋转依次编号。

图2：声测管布置图

4、现场检测技术

4.1确定仪器的延迟时间、修正值，以及测量各声测管外壁间净距离。将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。

4.2发射与接收声波换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm。

4.3实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。

4.4将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。

4.5在桩身质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜侧、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。

4.6在同一根桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

5、检测数据的分析与判定

5.1各测点的声时tc、声速v、波幅A及主频f应根据现场检测数据，按下列各式计算，并绘制声速-深度（v-z）曲线和波幅-深度（Ap-z）曲线，需要时可绘制辅助的主频-深度（f-z）曲线：

tci=ti-t0-t＇；vi=l＇/tci ；Api=20lg(ai/ao)；Fi=1000/Ti(1)

式中tci—第i测点声时（μs）；ti—第i测点声时测量值（μs）；t0—仪器系统延迟时间（μs）；t＇—声测管及耦合水层声时修正值（μs）；l＇—每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离（mm）；vi—第i测点声速（km/s）；Api—第i测点波幅值（dB）；ai—第i测点信号首波峰值（V）；a0—零分贝信号幅值（V）；fi—第i测点信号主频值（kHz），也可由信号频谱的主频求的；Ti—第i测点信号周期（μs）。

5.2声速临界值应按下列步骤计算：

5.2.1将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小一次排序，即

v1≥v2≥……vi≥……vn-k≥……vn-1≥vn（k=9，1，2，……）（2）

式中vi—按序排列后的第i个声速测量值：N—检测剖面测点数；K—从零开始逐一去掉（2）式vi序列尾部最小数值的数据个数。

5.2.2对从零开始逐一去掉vi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括vn-k在内的余下数据v1~vn-k按下列公式进行统计计算

v0=vm-λ·sx ；；（3）

式中 v0—异常判断值；Vm—（n-k）个数据的平均值；Sx—（n-k）个数据的标准差；λ—n-k相对应的系数。

表1 统计数据个数（n-k）与对应的系数

5.2.3将vn-k与异常值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k及其以后的异常数据；在用数据v1~vn-k-1并重复式（6）~（8）的计算步骤，直到vi序列中余下的全部数据满足：Vi＞v0 （4）

此时，v0为声速的异常判断临界值vc。

5.2.4声速异常时的临界值判据为：Vi≤vc（5）

5.3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：

Vi＜vL （6）

式中vi—第i测点声速（km/s）；vL—声速低限值（km/s），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。当（6）成立时，可直接判定为声速低于低限值异常。

5.4波幅异常时的临界值判据应按照下列公式计算：

；Api＜Am-6（7）

式中Am—波幅平均值；n—检测剖面测点数。当（7）式成立时，波幅可判定为异常。

5.5当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按照下列公式计算：

PSD=K·Δt； K = Tci-tci-1 Δt=Tci-tci-1（8）

———

Zi-zi-1

式中tci—第i测点声时（μs）；Tci-1—第i-1测点声时（μs）；Zi—第i测点深度（m）；

Zi-1—第i-1测点深度（m）。

6、工程实例

广西某汽车厂基地桩基础采用预埋声波管进行声波透射法检测，钻芯法验证。

汽车厂基础采用人工挖孔灌注桩，仪器使用武汉中科智创岩土技术有限公司生产的RSM-SY5型的声波透射仪。受检桩编号338，桩径Φ1000mm，桩长3.05m，桩身混凝土强度为C30，该桩为端承桩，基岩为中～微风化白云岩。

声波透射法工作按照《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003中第10章声波透射法执行，桩内埋设3根钢质的声波管，测量3个剖面来分析判断桩身结构完整性。

图3：剖面声速—深度曲线、波幅—深度曲线以及 PSD—深度曲线。

图4：钻芯法验证ZH338号桩

根据声波透射法检测结果分析，桩顶下1.50~3.05m段三个剖面均无法接收到超声信号。并采用钻芯法验证，1.50m以下至桩底无法捞取芯样，与声波透射法结果一致。判断该桩1.50～3.05m严重离析，为不合格桩。

另受检桩编号347，桩径Φ800mm，桩长3.60m，桩身混凝土强度为C30，该桩为端承桩，基岩为中～微风化白云岩。共埋设2根声测管，测量1个剖面来分析判断桩身结构完整性。

图5：剖面声速—深度曲线、波幅—深度曲线以及 PSD—深度曲线。

图6：钻芯法验证ZH347号桩。

根据声波透射法检测结果分析，桩顶下2.05~3.60m段无法接收到超声信号。并采用钻芯法验证，2.05m一下至桩底芯样为粉末碎渣，严重离析，与声波透射法结果一致。判断该桩2.05~3.60m严重离析，为不合格桩。

7、结论

7.1预埋声测管超声检测说明，超声波法成为混凝土无损检测的重要手段。

7.2超声检测法检测全面、细致、声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面。且现场操作简便、迅速，不受桩长、长径比的限制。

7.3检测结果直观地反应了桩身各个方向及其存在的缺陷的确切位置、大小及严重程度等方面的质量信息。

7.4超声检测中发现的异常不能盲目判定，应结合工程地质资料，施工资料综合判定，必要时采用另一种检测手段验证结果。

参考文献：[1]吴刚、张金龙；基桩的声波透射法检测。常州工学院学报，2008.10第21卷

[2]建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003