超声波透射法检测技术的原理和应用分析

卢森旺

（通标标准技术服务（上海）有限公司厦门分公司，福建 厦门 361012）

0 引言

近年来，我国基础设施建设蓬勃发展，铁路桥梁大量开展建设，桩基础作为桥梁工程最常用的基础形式，在桥梁工程中被大量采用。混凝土灌注桩为地下隐蔽工程，施工工艺复杂、施工难度较大、混凝土硬化环境及成型条件复杂，容易出现断桩、空洞、缩颈、局部混凝土松散等桩身缺陷，影响上部结构的使用安全。为了检测混凝土灌注桩桩身完整性，准确判断缺陷的位置和大小，我们一般选用超声波透射法检测技术。

1 桩基超声波透射法检测原理

桩基超声波透射法检测是由发射换能器向混凝土内发射高频弹性脉冲波，用接收换能器记录穿过混凝土的超声波声学参数[1]。该弹性波在传播过程中，遇到混凝土介质缺陷会产生透射、反射、绕射、散射，由接收换能器接收波形，对波的声速、波幅、频率及波形特征进行综合分析，确定桩身缺陷的位置范围及严重程度，进而判定桩身完整性[2]。

2 声学参数与混凝土质量的关系

超声波透射法检测技术是检测混凝土灌注桩桩身完整性，准确判断缺陷位置和大小的有效方法。超声波从发射换能器发射经混凝土传播后，接收换能器接收到的超声波信号包含混凝土的材料性质、内部的结构和组成的信息，通过分析接收到的超声波信号各声学参数值及其变化量，便可推定混凝土内部的结构以及组成情况。超声波检测混凝土灌注桩通常以声速、波幅、频率和波形等作为判别桩身完整性的依据[3]。

2.1 超声波声速与混凝土强度的关系

声速是混凝土弹性性质的反映，和混凝土强度相关。混凝土构件内部孔隙率越低、混凝土越密实，超声波声速就越高，强度也就越大。但不能用声速来推算混凝土强度，只能用来判定混凝土的密实程度。

2.2 超声波波幅与混凝土内部质量的关系

波幅是声波沿混凝土传播后引起的能量衰减程度的反映，波幅强的部位混凝土粘塑性高，波幅弱的部位混凝土粘塑性低，混凝土中强度较低、离析、夹泥、蜂窝等缺陷部位，超声波能量被吸收衰减或散射衰减量大，波幅值显著下降[4]。

2.3 超声波频率与混凝土质量的关系

超声波脉冲是复频波，包含多种频率，各频率成分穿透混凝土后衰减程度存在差异，低频声波衰减程度较轻，高频声波衰减程度较严重，因此接收到的声波主频率有向低频端漂移的趋势。衰减因素越严重漂移得越显著。接收波的主频率是反映介质衰减作用的表征量，声波穿过混凝土缺陷后主频率会显著降低。

2.4 超声波波形与混凝土质量的关系

声波穿过正常混凝土后的波形特征：波形形状规则，均匀无畸变；首波波幅陡峭，波幅值大；频率高，衰减慢[5]。

声波透过有缺陷的混凝土后，接收波波形特征：波形畸变不规则；首波平缓，振幅小；频率低，衰减快；当缺陷严重且范围较大时，无法接收到波形。

3 超声波透射法检测技术的应用

3.1 准备工作

按设计或规范要求在桩身全长范围内预埋声测管，桩头砍至设计标高，声测管管口高于桩顶设计标高100mm，并用清水将声测管灌满。每两根声测管为一组，测量每组声测管外壁净间距。

3.2 设置超声波检测仪参数

设置零时校正值、声时修正值，输入延迟时间，设置超声波采样增益，采样长度，测点间隔，测点间距不应＞200mm，不宜＜100mm，确保采集到完整的首波信号。同一根桩波形采集过程中，不能改变声波发射电压，仪器设置参数应保持不变。

3.3 现场超声波桩基检测

检测前，将声测管灌满清水，各声测管每2根作为一个检测剖面，超声波从发射换能器中发出，在接收换能器中接收信号，测定各声学参数并记录储存[6]。发射、接收换能器放置于声测管底，声测管底标高应一致，同步提升直至完成整根桩长的检测。遇到声学参数异常部位，可通过水平加密、斜测、扇形扫测等方式加强检测，进一步确定缺陷范围。

（1）检查声测管是否畅通，避免因声测管不畅通造成换能器卡住或换能器缆线拉断，将发射、接收换能器分别放置于各剖面的两根声测管中，保持相同高度。换能器径向应设置扶正器，确保换能器在管内居中，保证换能器在提升过程中不碰撞管壁。

（2）收、发换能器以相同的标高从声测管底部开始同步提升，直到检测到设计桩顶标高，超声波检测仪采集并记录接收信号的时程曲线。

（3）按上述步骤对所有剖面进行检测，当出现个别声测管堵管时，可将接收与发射换能器放置于不同高度上，但两个换能器的连线与水平面夹角不宜＞40°，当堵管长度过长时，可以结合其他方法，如钻芯法进行完整性检测。

（4）当平测检测到桩身中有声学参数异常时，应采用加密检测，同时也可增加斜测、扇形扫测等检测方式进一步确定缺陷范围。

4 超声波数据分析与判定

4.1 声速判据

实测混凝土声速值小于声速临界值时，判为声速异常可疑缺陷区。

式中：

υi——第i测点的声速值，km/s；

υD——声速异常判断的临界值，km/s。

声速临界值采用正常混凝土声速平均值减去2倍声速标准差，即[2]：

式中：

——正常混凝土的声速平均值，km/s；

συ——正常混凝土声速的标准差，km/s；

υi——第i测点的声速值，km/s；

n——测点数。

当一个检测剖面中所有测点的声速值普遍偏低，且离散性很小，用声速低限值作为判据。当实测混凝土声速值小于声速低限值时，直接判定为异常。

式中：

υL——声速低限值，km/s。

声速低限值的确定：由同条件混凝土试件的抗压强度与超声波声速对比试验结果，同时结合本地区实际经验确定。

4.2 波幅判据

波幅临界值的确定：用波幅平均值减6dB，实测波幅值小于波幅临界值时，判为波幅异常可疑缺陷区。

式中：

AD——波幅的临界值，dB；

Am——波幅的平均值，dB；

Ai——第i测点相对波幅值，dB；

n——测点数。

4.3 PSD判据

采用PSD值作为超声波的辅助异常判据，在某测点附近PSD值明显变化时，将其判为可疑缺陷区。

式中：

ti——第i测点声时值，μs；

ti-1——第i-1测点声时值，μs；

Zi——第i测点深度，m；

Zi-1——第i-1测点深度，m。

规范对声速和波幅给出了具体的判据算法，并做出了明确的规定，PSD判据、主频和波形均未给出具体的量化判断标准。

5 检测数据分析

在桩基检测过程中，应结合施工工艺，收集施工记录和相关技术资料，综合分析检测数据，从而对桩身完整性作出准确评判。

如在改建铁路鹰厦线华安城区段外移工程的桩基检测过程中，检测到一根检测数据有异常的桩基，该桩桩长为17m，桩径1.8m，混凝土标号为C35，埋设有4根声测管。检测波形见图1。

图1 检测波形

从图1波形可看出，所检测的6个声测剖面在11m和5m附近均有个别测点的波幅值低于波幅临界值，桩身其它部位波形正常。该桩用低应变验证，波形正常，无缺陷反射。查看施工记录未发现异常情况，询问现场灌桩技术人员和工人均表示施工过程一切正常。经过仔细分析，发现这两个部位的缺陷有规律，11m处的缺陷距离桩底6m，5m处的缺陷距离11m处的缺陷也是6m。根据这个规律寻找原因，向施工单位总工询问每根声测管的长度及接头施工工艺，了解到声测管每根长度正好是6m，接头用套管衔接。施工过程中，为了防止水泥浆渗入声测管，在套管外用胶带缠绕。这种接头处理方式是引起缺陷波形出现的原因，套管外用胶带缠绕，胶带中可能存在空气，胶带以及胶带中的空气相当于桩身混凝土中的低强度区，导致超声波波幅变弱。

因此，在桩基检测过程中，应当多了解施工工艺，询问现场施工人员施工情况，结合了解到的施工信息，综合分析，才能准确判断桩身完整性。

6 结束语

桩基工程是位于地下的隐蔽工程，桩基质量事关上部结构物的使用安全，一旦桩基出现事故，就可能导致重大的人身、财产安全事故，且桩基加固处理难度较大。因而桩基检测是桩基质量把关中的一个重要环节，是工程领域的重大课题。实践证明，超声波透射法检测技术是一项较为成熟、准确的检测技术，在检测桩基质量方面能发挥重要作用。但必须注意的是，该技术检测结果一定要结合实际综合分析，才能准确判断桩身完整性。