超聲波在混凝土樁檢測中的應用研究

苗霈昂 高 朋

（1.鄭州市京廣實驗學校，河南鄭州450052；2.中國鐵路鄭州局集團有限公司建設管理處，河南鄭州450052）

0 引言

隨著國民經濟的蓬勃發展，我國的基礎設施建設工作也是日新月異。特別是最近十年，更是創出了響當當的名頭，不僅有最高的橋、最長的跨海大橋、最長的隧道等全世界各種各樣的建筑之最，還創造出了15天建30層樓、三元橋43h改造等速度之最，使得我國“基建狂魔”的外號于海內外廣為流傳。這些大規模基建和超級工程建設的成功，關鍵在于工程設備水平的提高，它們更是體現出了我國對工程建設技術和質量的自信。而工程檢測是確保工程安全質量的一項重要技術手段，本文就將針對一項工程檢測技術——聲波透射法在混凝土樁檢測中的應用作簡要的介紹。

1 混凝土樁及其檢測方法

樁基礎通常深埋地下或水下，用于傳遞并承擔上部結構物的荷載，屬于隱蔽工程。其施工程序多、施工難度大、技術要求高，一般來說工期要求也很緊張。特別是對于混凝土樁，由于地質條件、成樁工藝、機械設備等因素的影響易出現各種各樣的質量問題，如斷裂、空洞、縮徑、離析、沉渣過厚、混凝土強度偏低等。樁基礎的質量直接關系到整個建筑物的安全，且基樁一旦發生事故，加固處理起來難度較大，往往耗時較多，投入很大。因此，樁基礎工程的試驗和質量檢驗尤為重要。目前，常用的混凝土樁檢測方式有靜載荷試驗、高應變、低應變、鉆芯取樣以及聲波透射法等等。其中，聲波透射法因為其檢測投入低耗經濟，檢測方式方便快捷，檢測結果直觀準確等特點在高速鐵路、公路等交通運輸工程中得到了大量的運用。而它的檢測原理則是基于我們十分熟悉的一種物理知識——超聲波的物理特性。

2 超聲波及其物理特性

聲波，對于人們來說非常熟悉，在各類社交軟件發明之前，聲音是人類進行交流的主要方式。一般來說，能夠引起人耳感覺的聲波頻率范圍為20～20000Hz。而頻率低于20Hz的聲波，稱為次聲波；頻率高于20000Hz的聲波，稱為超聲波。超聲波具有以下物理性質：

（1）超聲波在不同介質的界面上能產生反射和折射，在傳播路徑上遇到障礙物時能產生衍射現象，兩束或兩束以上的聲波在一定條件下疊加時能產生干涉現象。

（2）超聲波方向性強，在均勻介質中能夠定向直線傳播。

（3）超聲波在傳播的過程中需要借助于介質，就目前所知，聲波能夠在所有物質（除真空外）中傳播。在相同介質中，聲波的速度是不變的，介質發生改變，聲波的聲學參數也會發生改變。

（4）超聲波功率大、穿透力強，可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。

超聲波的物理性質使它在檢測技術中得到了大量應用，其傳播的定向性以及在不同介質的界面上的反射、折射及遇到障礙物的衍射現象為超聲波信號的接收提供了便利，大功率、強穿透性使得超聲波可以通過一些不易通過的介質，如水、混凝土、鋼管等，更可以分析其在不同介質中傳播時聲學參數的變化從而為檢測結果提供直接的依據。

3 超聲波應用于混凝土樁檢測的基本原理

簡單來說，超聲波在混凝土樁檢測中的應用是基于超聲波的物理特性，通過實測超聲波在混凝土介質中傳播時的聲速、聲時和波幅衰減等聲學參數及接收波形的相對變化，對樁身完整性進行檢測的方法。由于混凝土對超聲波的衰減較大，且混凝土截面尺寸較大，因此，超聲波檢測儀只能采用透射式。即在混凝土樁進行超聲波檢測前，必須在施工時預埋至少兩根鋼管（聲測管），檢測時用于分別放置發射、接收檢測探頭，通過發射、接收到的超聲波信號分析檢測結果。基樁檢測示意圖如圖1所示。

圖1 基樁檢測示意圖

4 通過聲學參數判別混凝土質量

4.1 聲速、聲時判別

聲速是最常用的混凝土超聲探測的聲學參數，其基本公式如下：

V=L/t

式中，V為聲速；L為聲波傳播距離；t為聲波傳播時間（聲時）。

聲速就是聲波在介質中傳播的速度，在一定條件下，聲波在相同介質中的傳播速度應為固定值。通過超聲儀可以直接得到實測混凝土樁的聲速。聲時可以由超聲儀測得，測距需要實體測量得到。

當樁身完好時，可以認為發射探頭和接收探頭的直線距離就是聲波傳播距離。根據已知的超聲波在水、鋼管及混凝土中的傳播速度，可以計算出實際傳播需要的聲時t，進而計算出超聲波在混凝土樁中傳播的正常波速V。

當樁身存在斷裂、離析等缺陷時，混凝土介質的連續性被破壞，將使聲波的傳播路徑復雜化，根據超聲波的物理特性，一部分波將繞過缺陷傳播，其傳播路徑大于直線距離，這時，聲波傳播的聲時將會延長，進而計算出的波速將降低；同時，還有一部分波可以透過缺陷傳播，但是因為介質不同（缺陷一般為泥土、沙及空隙等），其傳播時的聲速將大大降低。

舉例說明，如圖1所示，設聲測管內徑L2為50mm，聲測管壁厚L3為3mm，通過測量混凝土樁預埋兩聲測管外壁間距L1（設為680mm），樁中缺陷為圓形空洞，直徑L4為50mm。在正常環境溫度及大氣壓強下，超聲波的傳播速度在C35混凝土中（V1）約為4500m/s，水中（V2）約為1400m/s，鋼管中（V3）約為5200m/s，空氣中（V4）為340m/s。則可以通過計算正常混凝土波速與缺陷混凝土波速，來進行混凝土樁完整性的判斷。

計算過程如下：

式中，t1、t2、t3分別為超聲波在混凝土、水、聲測管中的聲時；t為超聲波在正常混凝土樁中的總聲時；V為超聲波在正常混凝土樁中傳播時的波速。

式中，t4、t1′分別為超聲波在缺陷處透射和除缺陷外混凝土中的聲時；t′為超聲波透射缺陷的總聲時；V′為超聲波透射缺陷傳播的波速。

式中，t5為超聲波在缺陷處繞射和傳播的聲時；t″為超聲波繞射缺陷傳播的總聲時；V″為超聲波繞射缺陷傳播的波速。

從計算可以得知，無論是超聲波透射缺陷或是在缺陷處繞射，其可測得的聲速都低于正常混凝土樁的聲速，且超聲儀一般通過測得缺陷傳播速度的均數進行分析計算并顯示檢測結果：

V均=（V′+V″）/2=3171m/s

該數值遠低于正常混凝土樁波速。因此在超聲檢測過程中，當測得數據遠低于正常波速時，可以初步判斷樁身存在缺陷。

4.2 波幅、波形判別

超聲波是機械波的一種，若視混凝土介質為彈性體，則聲波在混凝土中的傳播服從機械波傳播規律。機械波在傳播過程中，每一個質點都只做上下（左右）的簡諧振動，并帶動下一個質點振動，依次帶動下去，完成波的傳播。但質點本身并不隨著機械波的傳播而前進，質點振動大小和方向隨時間而變化的過程曲線就稱為波形，如圖2所示。

圖2 波形圖

其中A為質點偏離平衡位置最大范圍，稱為波幅。波幅衰減與混凝土質量具有相關性，它對缺陷區的反應比聲速值更為敏感。所以，它是缺陷判斷的重要參數之一。

超聲儀屏幕上的圖形就是傳播到接收探頭所在位置質點振動位移隨時間變化的曲線。不同于一般波形圖，因超聲儀發射換能器發出的超聲脈沖波是持續復頻脈沖波，因此正常情況下接收探頭位置質點的振動存在一個疊加增強到衰弱的過程，其包絡線大致為橢圓形。正常混凝土波形圖如圖3所示。

圖3 正常混凝土聲波圖

其中A為第一次接收到的超聲波波幅，即首波波幅。首波波幅直接反映混凝土內部質量情況。當混凝土中存在低強度區、離析區以及夾泥、蜂窩等缺陷時，將產生吸收衰減和散射衰減，使接收首波波幅明顯下降。同時，在缺陷混凝土中透過或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，將致使接收信號的波形發生畸變。缺陷混凝土聲波圖如圖4所示。

圖4 缺陷混凝土聲波圖

綜上所述，當超聲儀接收到的超聲波信號出現波速降低、振幅減小、波形畸變等聲學參數變化時，便可以結合混凝土樁施工過程的實際情況判定樁身質量問題。

5 結語

超聲波在生產生活中的應用非常廣泛，對于混凝土樁的檢測僅僅是其中的一種，常見的還有醫院中的B超、船舶上的聲吶以及生活中常用的超聲波牙刷、加濕器等等。這些設備和物品的出現都是合理利用了聲學物理知識。隨著對聲音的研究不斷深入，其已不再僅僅是一種交流的方式，而是不斷在更多的地方影響和改變著我們的生活。

［參考文獻］

[1]建筑基樁檢測技術規范：JGJ106—2014[S].

[2]陳凡，徐天平，陳久照，等.基樁質量檢測技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3]鄒俊，羅有春，王懷坤，等.聲波透射法基樁完整性檢測[J].內蒙古石油化工，2008（10）：76-77.