桩基超声波法和反射波法检测的波速分析

摘要：对超声波法和反射波法在基桩检测中的基本理论进行了分析，提出利用超声波法检测的统计波速进行反射波分析，为今后基桩检测提供了有价值的借鉴。

关键词：桩超声波反射波波速

中图分类号：O657.5文献标识码：A

前言

基桩无损检测方法有很多，其中超声波法和反射波法应用较为广泛。超声波法要求在桩体内预埋声测管，埋管通常为钢管。该方法测试结果直观、可靠；但在基桩数量较多时，存在着预埋声测管工作量大、施工过程复杂、工程造价增加、基桩检测费用较高、检测过程繁琐等缺点。反射波法对现场测试条件要求不高，检测原理简单、快速无损、资料易于判读、检测速度快、准确度较高；但因波速的不确定性，常以经验假定应力波传播速度，因而难以正确判定桩身质量完整性和桩长。超声波主要是根据超声波波速判断桩身混凝土的相对强度、均匀性、完整性及缺陷。反射波法是根据应力波传播速度来确定桩身质量、完整性和桩长。两种方法都与波在混凝土中的传播速度有关，若将超声波法检测的波速结果应用于反射波法，不仅可避免反射波法的不足，而且将对工程造价及施工过程起到优化作用。

基本原理

超声波和应力波是两个不同范畴的概念，超声波属于声学的概念，应力波属于力学的概念。它们都是指振动波在介质中进行传播的一种形式，都属于机械波，所不同是，一般应力波是指由机械振源引起的波；超声波是指由超声振源引起的波。

2．1 超声波法检测基本原理

超声波法的理论基础是声波在混凝土介质中的传播特性。基桩检测时，超声波是由振源脉冲产生的，即在桩身的一根埋管中放入发射换能器、另一管中放入接收换能器。超声波的波速C为：

（1）

式中C为波速；E为介质的弹性模量；ρ为介质的密度；μ为泊松比系数。

基桩的超声波波速可由下式确定；

C = d/t（2）

式中C为超声波波速；d为埋管的间距；t 为声时。

（1）式和（2）式的C是一致的。由（1）式和（2）式可看出埋管间距相等情况下，声时t增加，波速C减小，混凝土强度降低；声时t减小，波速C增大，混凝土强度增加，据此判断桩身完整性、缺陷位置及缺陷程度。

2．2 反射波法基本原理；

反射波法的基本理论是一维波动方程，由于一般桩长都远大于桩的直径，把桩看成一根有约束的一维杆件，认为桩的振动模型是一维直杆的纵向振动或弹性振动。在桩顶用点源力激振下，应力波沿桩身的传播，遇到波阻抗变化处将发生反射和透射，波在等截面杆件中的运动方程为：

（3）

式中u( x, t ) 为这杆件某一点位移量；x这轴向坐标；t为时间；C为 应力波传播速度。

桩身完整性及缺陷分析是根据桩身不同截面的阻抗变化来判定，阻抗用Z表示；

（4）

式中A为桩的截面积；ρ为桩身混凝土密度；C为应力波波速。

桩长和缺陷位置是根据在时域范围内应力波反射的公式确定；

（5）

式中L为桩长或质量存在缺陷的位置；t为应力波传播的时间；C为波速。

反射波法中t根据检测波形可直接识别确定。为了求解（3）、（4）、（5）式必须根据经验选定C值，因此，C值的确定对准确地判断桩长及缺陷位置等起决定作用。C值的不确定性将导致误判，会给工程带来不利影响。

3． 波速的确定

反射波法假定应力波为弹性波即C=，超声波纵波的传播速度如（1）式。由于振源的振动力对桩体混凝土变形影响很小，可视泊松比μ=0，因而超声波波速与应力波波速是相等的。超声波法检测通常采样较多，每一侧面均匀采样间隔要求小于40cm。较大直径的基桩预埋管一般都大于两根，对十几米或几十米的基桩，采样数量通常能达到数百个。对采样得到的波速进行平均处理可得到超声波在桩体内传播的平均速度。同一工程的基桩，混凝土的配合比一般是相同的，波速只随龄期发生变化，在相同龄期情况下，完全可以把超声波法检测到的波速用于反射波法的检测中，从而可以弥补反射波法的不足。

4． 应用过程分析

（1）对埋有声测管的桩体进行超声波法检测之后，应先求出每一侧面的波速平均值，然后再对桩体各测面平均波速取均值，得到桩体的平均波速，特别应注意的是，对桩体中出现奇异的波速的值予以剃除，待缺陷分析再作处理。

（2）按龄期对超声波波速进行统计，可分为四类：≤7天，7-14天，14-28天，28天以上；

（3）用统计的超声波波速对上述桩体进行应力波反射法检测，检验两者是否吻合，确定反射波法的波速，对分类波速进行应力波反射法推广应用。

5． 结 语

本文对超声波法和反射波的波速问题进行了理论对比分析，确定两种方法的内在关系。在反射波法检测中可利用超声波法检测的统计波速，在实际工程中有机地结合使用两种方法，不仅可以节省工程经费，而且可以缩短工期，对工程具有重要意义。

参考文献

罗骐先：水工建筑混凝土的超声检测。北京：水利电力出版社。1989.P63

基桩低应变动力检测规程（JGJ/T 93-95）。北京中国建筑工业出版社。1995.24-28

中外基桩动测技术选编（内部刊物）。1996