基桩声波透射检测缺陷定位研究探讨

仇道刚

（南京铭创测控科技有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

声波透射检测基桩完整性，是目前基桩检测中非常普及的检测方法之一。在基桩质量验收环节，因其不受地质条件影响、不受桩长影响，能够较为形象直观地反应桩身混凝土的质量情况，较为准确地判断缺陷的位置和大小［1］，已经被广泛使用。笔者经过大量的工程实践，发现在实际工程应用中，大部分声波透射检测有问题的桩，经过取芯或者开挖验证，验证结果和检测结果是相符合的；不过，也有一小部分的问题基桩，验证结果与检测结果不相符。声波透射检测技术有它的优点和缺点，深入地研究声波透射测桩缺陷分辨精度的影响因素，进一步提高检测精度，让这个检测方法更好地发挥它的作用，具有实用的工程意义。

1 检测精度的影响因素

影响缺陷检测精度的因素有很多，但是它们的影响程度却有很大的不同。基桩是立体的混凝土构筑物，为了实现检测目的，检测方法把对基桩的整体质量评价简化成若干剖面的质量评价。对于每一个检测剖面，可以当作一个二维坐标，如图 1 所示，要定位这个剖面的缺陷，就相当于定位这个剖面上的某一个点，需要两个坐标（x，y）。声波透射检测最常用的是平测，其实平测只提供了 y 坐标，没有 x 坐标。

为了方便描述，把影响因素分为两类：①对 x 、y 精度都有影响的因素；②只影响 x 的因素。

图1 二维坐标图

1.1 对 x、y 都有影响的因素

1）检测步距。步距越小，检测精度越高。例如，步距 100 mm，尺寸小于 100 mm的缺陷可能在两个测点之间。这时，缺陷无法检测到。一般情况下，减小检测步距可以提高检测精度。但是，并不是一味地降低步距，检测精度就会一直升高，因为检测精度还同时受到别的因素的影响，最终的检测精度，是若干影响因素共同作用的结果。

2）径向换能器有效工作段的长度。径向换能器有效工作段的长度越小，检测精度越高。例如，径向换能器有效工作段的长度 150 mm，尺寸小于 150 mm 的缺陷可能是检测不出来的。因为径向换能器是柱状声源，对于检测剖面来说是线声源，而声波检测缺陷尺寸推算是基于传统的点声源模式，线声源的长度决定了分辨能力［2］。目前，常用径向换能器有效工作段长度一般为 150 mm。

3）声波在混凝土里传播的波长。波长越小，检测精度越高。基桩检测所用声波频率一般为 50 kHz，在混凝土里的波长为 100 mm 左右，尺寸小于或者与波长接近的缺陷是分辨不出来的，只有尺寸远大于波长的缺陷才能被分辨出来［3］。

这 3 个影响因素其实是同时存在、共同影响的。它们的最大值决定了检测精度。例如，步距 100 mm、径向换能器有效工作段长度 150 mm、波长 100 mm，那么检测精度是 150 mm。由此可见，这个时候再提高检测的步距已经没有意义了。

4） 声测管的平行度。声测管越平行，误差越小。声速不是直接测量的值，它是根据测距和声时计算出来的值。因此声速的测试精度取决于测距和声时的测试精度。而测距是桩头声测管管距的测量值，代替整个剖面的各个测点的测距，因此声测管的平行度对声速测试精度影响很大。同时，因为声测管不平行带来的对声速的影响是渐变的、有规律的，而缺陷一般都是突变的。所以，非严重的声测管倾斜对缺陷判断影响不大。

5）采样周期 T。采样周期越小，精度越高。基桩检测时常用采样周期是 1 μs 或者 0.5 μs，采样周期即为声时的测读精度。例如，采样周期 1 μs，声时测读精度就是 1 μs，桩径 1 000 mm 时，声时在 150 μs（管距越大，声时越大）左右，那么采样周期对声时的误差小于 1 %。所以采样周期对声时影响较小，也就是对声速影响较小。并且是桩径越大，影响越小。

1.2 只影响 x 的因素

斜测角度（斜测时，两个径向换能器的中心连线与水平线夹角的大小，以下简称“斜测角度”），是一个只影响 x 的因素。斜测角度越大，对基桩径向上缺陷分辨精度越高。斜测角度如果等于 0°，其实就是平测。斜测角度等于 90°时，平测加斜测刚好是一个标准的二维坐标，此时检测精度最高。但是，由于基桩是长径比较大的构筑物，在实际工程应用中，由于技术限制，斜测角度无法做到太大。

2 平测的局限性

声波透射测桩最常用的是平测，平测也是普检的常用方法。平测对基桩缺陷在基桩轴向上能做到定量。但是平测也有局限性。①特殊情况的缺陷，平测是无法分辨的。例如，基桩的水平裂缝、混凝土水平结合面。由于薄层状缺陷和声测线是平行的，声测线没有穿过缺陷，故无法检测。②平测数据只能分辨缺陷基桩轴向上的位置和大小，无法分辨缺陷在基桩径向上的位置和大小。一般遇到平测有问题的桩，需要做斜测来进一步确定缺陷在基桩径向上的位置和大小。例如，如图 2 所示，两个剖面平测数据都是在 3.5～4 m 有缺陷，仅仅知道缺陷在基桩轴向上的大小范围是 0.5 m，缺陷在基桩径向上的位置和大小，平测数据是无法提供的。图 2 的这两种缺陷，在平测数据上体现出的严重程度是一样的，但是实际的缺陷情况却大相径庭。这时，要通过斜测来进一步地确定缺陷的位置和大小。如果再加入扇测，结果会更准确，但是扇测（扇测法由于测试工作量巨大，测试时测距是变化的，目前数据分析没有公认判据）不适合日常工程检测。

图2 平测局限性示意图

3 理论缺陷模型分析

依据声波透射测桩的基本检测原理，当声测线遇到缺陷时，声学参数会发生变化。根据这个原理分别绘制几个不同斜测角度的缺陷分析图，选取了 3 种有代表性缺陷的尺寸：横向尺寸较大，如图 3 所示；竖向尺寸较大，如图 4 所示；横向竖向尺寸接近，如图 5 所示。分别以 30°、60°为斜测角度，绘制缺陷示意图，图中的实际缺陷分别为矩形、椭圆、圆。左右两端的深颜色三角形是数据分析缺陷的误判区域。通过图 3～5，可以得到以下结论：①数据分析出的缺陷都大于实际的缺陷；②斜测角度越大，缺陷的误判区域越小；③竖向尺寸大的缺陷，在斜测角度小的情况下，误判的区域更大。为了便于描述，这里只列举了几种规则形状的缺陷和两个不同的角度的情况。其实，对于任意形状的缺陷、不同的角度，最终的结论是一样的。在实际的工程中，遇到声波透射数据异常，需要取芯验证的基桩，取芯孔位置的确定主要取决于对缺陷在基桩径向上大小和位置的判断，这个判断主要是斜测数据提供的。

图3 横向尺寸较大缺陷模型图（矩形）

图4 纵向尺寸较大缺陷模型图（椭圆）

图5 横向纵向尺寸接近缺陷模型图（圆形）

4 建议

以上，笔者只是从检测原理的角度分析这个问题。在实际工程检测中，是否能做到较大的斜测角度，还受到仪器设备性能的限制。因为斜测角度大了，仪器接收信号的幅值会随斜测角度增大迅速减小，可能造成无法正常接收信号。近年来，随着科技的发展，基桩仪器设备的性能也在不断发展与提高。接收信号强、灵敏度高的检测设备不断出现。笔者认为斜测角度的选择应该是在保证设备有良好的信号接受条件下，尽量选大的斜测角度。在此，笔者建议有关部门，开展斜测角度对测试精度的研究工作，给予检测者以正确的指导，进一步提高声波透射检测的缺陷分辨精度，更好地为工程质量服务。

5 工程实例

某桥梁灌注桩，桩径 1 000 mm，检测桩长 26.6 m。声波透射检测时，发现平测数据 1-2 剖面在 4.2～4.9 m位置有缺陷，1-3 剖面在 4.2～4.6 m 有缺陷，平测曲线如图 6 所示。为了验证不同斜测角度对缺陷大小判断的影响，分别通过30°、60°两个角度分别对 1-2 剖面进行了斜测，1-2 剖面的 30°斜测缺陷示意图如图 7 所示，1-2 剖面的 60°斜测缺陷示意图如图 8 所示，高度和管距均是按照 1∶1 的比例绘制，测试步距都是 100 mm。所用设备为 MC-6360 型多通道超声基桩检测仪。通过分析综合判定，缺陷在 1 号管附近。并且在径向上向 2 号管延伸大约 20 cm 左右。综上所述，验证方法采用开挖的方式，开挖仅在 1 号管附件进行，并没有大面积开挖，开挖结果如图 9～10 所示。实际缺陷类型是空洞。缺陷的大小和尺寸，跟 60°斜测数据分析的更接近。

图6 平测曲线图

图7 30°斜测缺陷米格图

图8 60°斜测缺陷米格图

6 结语

图9 现场开挖图

图10 开挖缺陷细节图

声波透射测桩是一项成熟的检测技术。在工程应用中，目前还是平测使用最多，斜测在工程中相对而言用的还是比较少。但是，在对于一些有问题的桩，做定量分析时，尤其是取芯验证时，斜测是必要的手段。取芯验证的关键取决于缺陷在基桩径向上的定位，缺陷在基桩径向上的定位关键取决于斜测，斜测的关键取决于斜测角度。Q