小口径钻孔超声检测中若干关键技术的研究

摘要：随着经济全球化和区域一体化的进程，高层建筑及各种桥梁隧道逐渐增多，工程施工中对钻孔质量的要求越来越高，与此同时，其深度越来越深，使得钻孔易出现倾斜、坍塌、缩孔，造成钢筋笼和承重能力下降，尤其是小孔径钻孔。因此，小孔径钻孔超声检测技术备受关注。它是钻孔质量和安全的重要保证。其关键技术主要包括：穿透技术，自适应噪声消除技术。

关键词：小孔径钻孔；超声检测；关键技术；穿透技术；自适应噪声消除技术；

中图分类号：K826文献标识码： A

一、相关概念的介绍

小孔径钻孔：孔径一般小于800mm，深度一般不超过80m的钻孔技术。其特点为孔径小、测量精度高、存在测量盲区。

超声检测：用超声波来检测材料和工件、并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。 其特点是声束指向性好，传播距离远，穿透能力强，设备轻便、检测成本低。

穿透技术通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件上，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况。

自适应噪声消除技术：把自适应滤波器的期望信号输入端改为被噪声干扰的原始输入信号输入端，而原来的输入端改为参考噪声干扰输入端，由横向滤波器的参数调节输出，以将原始输入中的噪声干扰抵消掉，所得的误差输出就是有用信号。

二、小口径钻孔超声检测中关键技术

2.1超声检测穿透技术

穿透法根据声波（脉冲波或连续法）穿透工件后的能量变化状况，来判断工件内部质量的方法。由于发射波的不同，可分连续波和脉冲波穿透法。

2.1.1连续波穿透法

在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，则电流表指示值大;当工件内有缺陷时，因部分能量被反射（阻挡），接收能量小，则电流表指示值亦小，当工件的缺陷甚大时，声能全部被缺陷反射（阻挡），则电表指示值为零。这种方法由于缺陷阻止声波的通过，在缺陷后形成声影，故又称“声影法”探伤。探测灵敏度除与仪器有关外，还取决于声影的缩小。声影的缩小是由于声波在缺陷边缘的绕射造成的。

2.1.2脉冲波穿透法

在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，则荧光屏上所显示的接收波（K）幅度高，当工件内有缺陷时，部分声能被缺陷反射（阻挡）接收能量小，则荧光屏上所显示的接收波（K）幅度低，当工件中缺陷甚大时，声波全部被缺陷反射（阻挡），则荧光屏上无接收波（K）出现。

穿透技术的特点:1探测灵敏度比反射法低，不能发现小缺陷;2根据能量的变化即可判断有无缺陷，但不能定位；3适宜探测超声波衰减大的材料；4可避免盲区，适宜探测薄板；5指示简单，便于自动探伤；6对两探头的相对距离和位置要求较高。

2.1.3超声检测穿透技术的优缺点

优点：1由于超声波发射和接收分别由两个探头完成，不存在盲区，适宜探测薄壁工件。2检测方法与缺陷取向无关，根据缺陷遮挡声能变化来判断有无缺陷，设备简单，测速度快。3声波通过单声程传播，适合检测高衰减的材料。

缺点：1不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和相对大小。2探测灵敏度低，仅当入射声压变化达20%以上时.才能被接收探头检出。3对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，操作不方便。4当缺陷较小时，由于声波的衍射，降低了检测灵敏度。

2.2自适应噪声消除技术

任何系统都不可避免的受到噪声的影响，小口径钻孔超声检测过程中也是如此。如何有效的消除和抑制噪声是多年来的热门研究课题之一。自适应噪声消除技术是基于自适应滤波原理的一种扩展，它能从被噪声干扰的环境中检测和提取有用信号，抑制或衰减噪声干扰，提高信号传递和接收的信噪比质量。

自适应滤波器中最常用的是FIR滤波器，全称为限长冲击响应滤波器，滤波器输出有当前及过去的输入信号的线性组合构成，这是一种全零点滤波器，因而始终是稳定的，且能实现线性的相移特性。在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号；为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足乃奎斯特定理，一般取信号频率上限的4-5倍做为采样频率；一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。

自适应噪声消除技术把自适应滤波器的期望信号输入端改为被噪声干扰的原始输入信号输入端，而原来的输入端改为参考噪声干扰输入端，由横向滤波器的参数调节输出，以将原始输入中的噪声干扰抵消掉，所得的误差输出就是有用信号。

三、小口径钻孔超声检测中常见的问题及技术措施

3.1缩颈

缩颈是钻孔灌注桩最常见的质量问题，主要由于桩周土体在桩体浇注过程中产生的膨胀造成。针对这种情况，应采用优质泥浆，降低失水量。成孔时，应加大泵量，加快成孔速度，在成孔一段时间内，孔壁形成泥皮，则孔壁不会渗水，亦不会引起膨胀。或在导正器外侧焊接一定数量的合金刀片，在钻进或起钻时起到扫孔作用。另外，可采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径。

3.2钢筋笼上浮

用全套管法成孔后，在浇筑混凝土时，有时钢筋笼会发生上浮，其原因及相应对策如下：（1）套管底部内壁黏附砂浆或土粒，由于管的变形，使内壁产生凹凸不平，在拔出套管时，将钢筋笼带上来。此时，应注意在成孔前，必须首先检查最下部的套管内壁，当堆积大量粘着物时，一定要及时清理。如确认有变形，必须进行修补，待成孔结束时，可用张大锤式抓斗，使其反复升降几次，以敲掉残余在管内壁上的土砂，确保孔底水平。（2）当钢筋笼的外径及套管内壁之间的间隙太小，有时套管内壁与箍筋之间夹有粗骨料时，会发生钢筋上浮现象，出现这种问题处理的方法是，使箍筋与套管内壁之间的间隙要大于粗骨料的最大尺寸的2倍。 （3）钢筋笼自身弯曲，钢筋笼之间的接点不好、弯曲，箍筋变形脱落，套管倾斜等，使得钢筋与套管内壁的接触过于紧密时，也将造成钢筋笼上浮。在处理此类问题时，应注意提高钢筋笼加工、组装的精度，防止钢筋笼在运输工程中的碰撞等因素引起的变形。在沉放笼时要确认钢筋笼的轴向准确度等，不得使钢筋笼自由坠落到桩孔中，不得敲打钢筋笼的顶部，在贯入套管时，必须注意汽锤制度。（4）钢筋笼放置初始位置过高，混凝土流动性过小，导管在混凝土中埋置深度过大钢筋笼被混凝土拖顶上升。 钢筋笼初始位置应定位准确，并与孔口固定牢固。加快混凝土灌注速度，缩短灌注时间，或掺外加剂，防止混凝土顶层进入钢筋笼时流动性变小，混凝土接近笼时，控制导管埋深在1.5-2.0m。除此之外，在浇筑混凝土之前，一定要将套管稍稍往上提一点，以确认钢筋笼是否存在上浮现象。

四、结语

钻孔灌注桩是民用和工业建筑广泛应用的一种基础形式，具有适应性强、施工操作简单、设备投入不大等优点。但是由于钻孔灌注桩的施工大部分是在地面以下进行，其施工过程无法直接观察，成桩后也不能进行直接开挖验收，它又是最容易出现质量问题的一种基础形式。所以其质量检测备受关注，尤其是小口径钻孔质量的检测。

参考文献：

[1]龚维明，吕志涛. 桩底压浆灌注桩[J]工业建筑.2009

[2]尹春燕.水下钻孔灌注桩施工工艺与质量控制的研究[D].华中科技大学.2006年

[3]陈久久.超声波透射法数据信息处理[D].中南大学.2004年