聲波透射法在基樁檢測中常見的問題與探討

盧 亮

（南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

目前基樁檢測的方法主要有鉆芯法和動力測試法［1-2］等，鉆芯法雖然較為直觀，但費用高，檢測周期長且對局部缺陷的判斷上存在一定的誤差。低應(yīng)變法雖檢測速度較快，檢測成本相對較低，對場地要求也不高，但對于較長和較短的樁均不適用，尤其檢測的局限性，且對檢測樁長無法進行準確判斷。高應(yīng)變速度快，但現(xiàn)場要求也較高，尤其對于高承載了的基樁，需吊車進行配合，而工程現(xiàn)場因道路較差，吊車往往無法到達現(xiàn)場，且檢測時對大承載力樁基需較大重錘進行沖擊，檢測難度大，費用高。超聲波法檢測速度快，不受樁長樁徑的限制，檢測結(jié)果準確可靠，檢測范圍可覆蓋基樁的多個剖面。

聲波透射法優(yōu)點眾多，并也得到了廣泛的應(yīng)用，但在進行超聲波測試時，如果忽視一些問題，如連接發(fā)射和接收換能器的聲測線未對齊，零聲時未標定準確以及聲測管管距測量不準確等都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，本文將針對這些方面，分析研究聲波透射法測試時應(yīng)注意的問題。

1 檢測原理

超聲波，即頻率超過 2×104Hz 的聲波，聲波，是可在彈性介質(zhì)中傳播的一種機械波。在現(xiàn)場對基樁進行檢測時，基樁中需要首先預(yù)埋至少兩根與樁身平行的聲測管，檢測前將管內(nèi)灌滿清水并保證管內(nèi)暢通，將超聲波的發(fā)射和接收換能器分別置于兩根管中，發(fā)射換能器將發(fā)射的電信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號并向樁內(nèi)輻射，對樁身的混凝土進行逐點、逐段的探測，脈沖信號在混凝土中傳播并最終到達接收換能器，接收換能器根據(jù)接收到的信號的特征，如波速、波幅等來對樁身混凝土的質(zhì)量進行判斷。其原理圖如圖 1 所示［3］。

圖1 聲波透射測量原理圖

超聲波檢測時，兩個剖面為一組檢測面，一個為發(fā)射端，一個為接收端。發(fā)射端在混凝土內(nèi)激發(fā)一個高頻次的彈性脈沖波，接收端為高精度的接收系統(tǒng)，可以記錄該高頻次的脈沖波在混凝土內(nèi)的傳播過程以及傳播的波動特征。當混凝土內(nèi)存在混凝土質(zhì)量問題，如夾泥、蜂窩、麻面甚至斷樁時，有問題的截面會形成一個波阻抗界面，高頻脈沖波達到該問題界面時，由于波的透射和反射，使接收到的透射能量明顯降低；當混凝土內(nèi)存在嚴重缺陷時，甚至產(chǎn)生波的散射和繞射；根據(jù)波的初至到達時間、頻率變化、波的能量衰減特征及波形畸變程度等特性，可以獲得測量范圍內(nèi)混凝土的質(zhì)量參數(shù)。通過在不同側(cè)面、不同高度上的檢測，并記錄超聲的波動特征，就可以判別測區(qū)內(nèi)混凝土內(nèi)部存在的缺陷，以及缺陷的大小和位置，并對混凝土的總體均質(zhì)性和完整性作出評價。現(xiàn)場檢測時可根據(jù)現(xiàn)場情況進行平測、斜側(cè)或扇形掃射等，如圖 2 所示。

圖2 平測、斜測和扇形掃測示意圖

2 存在的主要問題

2.1 聲測線未對齊對測試結(jié)果的影響

現(xiàn)場檢測時，檢測人員有時認為兩根聲測線在高度上存在一定的偏差對結(jié)果影響不大，而且由于聲測線上往往 20 cm 才進行一次標記，現(xiàn)場檢測對齊時也存在一定的難度，導(dǎo)致現(xiàn)場檢測時兩根聲測線不對齊的現(xiàn)象經(jīng)常存在。同時，在檢測過程中，由于兩根或更多根聲測線上拉時沒有同步，導(dǎo)致聲測線在開始時是對齊的，但上拉一定高度后聲測線會存在高度上的偏差，此時檢測人員往往不會注意去及時調(diào)整聲測線，導(dǎo)致聲測線的高度不一致［4-5］。

假設(shè)波速在混凝土中傳播的速度為 4.0 km/s，兩根聲測管之間混凝土的凈距離分別為 500、600、800、1 000 mm。當兩根聲測線刻度未對齊時，兩根聲測管之間距離的測量值與實際值之間存在一定的差異，可根據(jù)不同的測線相差距離求出設(shè)置的管距，求出實測的聲時，并求出實測的波速，該波速與原假設(shè)波速 4.0 km/s 進行比較，將在不同的管距下，測線相差距離與實測波速的關(guān)系曲線繪于圖 3 中，將測線相差距離與實測波速誤差的關(guān)系曲線繪于圖 4 中。

從圖 3 中可以看出，隨著測線相差距離的增大，實測聲速迅速減小，兩根聲測線之間的水平距離越小，減小的越為明顯，從圖 4 中可以看出，當兩根聲測管之間的水平距離為 500 mm，垂直距離相差 20 cm，測量的波速誤差就將達到 7 %～8 %，這對測量的結(jié)果將有較大影響，根據(jù) JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定：對具有 3 個及 3 個以上檢測剖面的樁，應(yīng)取各個檢測剖面聲速異常判斷臨界值的算術(shù)平均值，作為該樁各聲測線的聲速異常判斷臨界值［3］。即各測試剖面的聲速異常判斷臨界值為同一個值，若某根樁有三個測試剖面，其中兩個測試剖面測試時聲測線基本對齊，而其中一個測試剖面測試時聲測線未對齊，那么有可能導(dǎo)致該測試剖面的某些本來大于臨界值的較小的聲速值而低于臨界值，并最終導(dǎo)致誤判。

圖3 測線相差距離與實測波速的關(guān)系

圖4 測線相差距離與實測波速誤差的關(guān)系

2.2 系統(tǒng)延遲時間設(shè)置不當對測試結(jié)果的影響

按規(guī)范 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，在進行現(xiàn)場檢測之前，需采用率定法確定儀器系統(tǒng)的延遲時間，然而因?qū)x器進行率定較為麻煩，在進行現(xiàn)場檢測前，檢測人員往往不對儀器的延遲進行率定。同時，一臺聲波測試的主機，有時配備多套聲速測試線（即多個換能器），使用不同的測試線時，往往不更改系統(tǒng)的延遲時間，導(dǎo)致設(shè)置的系統(tǒng)延遲時間不準確，使聲時存在誤差。聲時誤差有兩種情況，即真值比設(shè)置值大和真值比設(shè)置值小，將真值比設(shè)置值大時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關(guān)系以及真值比設(shè)置值小時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關(guān)系分別繪于圖 5 及圖 6 中。

圖5 真值比設(shè)置值大時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關(guān)系

圖6 真值比設(shè)置值小時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關(guān)系

從圖 5 中可以看出，當真值比設(shè)置值大時，隨著聲時誤差的增大，實測波速值將逐漸減小，即聲速測量誤差逐漸增大，同時在相同的聲時誤差下，管距越小，實測波速值也將越小，即測量的誤差也將越大。在管距為 500 mm，假定聲時誤差為 6 時，聲速測量誤差將達到 5 % 左右，即當真實波速為 4 000 m/s 時，實測波速只有 3 800 m/s 左右。這已經(jīng)對測量結(jié)果產(chǎn)生的較大影響。在真值比設(shè)置值小時，也有類似的誤差出現(xiàn)，只是波速實測值會比真值偏大，如圖 6 所示。

2.3 管距測量不準確對測試結(jié)果的影響

規(guī)范 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》10.4.1 條規(guī)定，在現(xiàn)場檢測開始前，需在樁頂測量各聲測管外壁間的凈距離，并將凈距離錄入儀器中，以便于計算混凝土的波速。如果管距凈距離測量不準確或者未測量直接根據(jù)經(jīng)驗輸入一個值，將對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。以下分別分析了當實際管距為 600 mm 和 500 mm，聲測線聲時為 150 時，管距的測量誤差對檢測結(jié)果的影響，從圖 7 及圖 8 可以看出，管距測量的不準確對測量聲速的影響很大，例如，當實際管距 600 mm，聲測線聲時為 150 時，實際測量聲速應(yīng)為 4.0 km/s，隨著測量誤差的增大，實際測量到的聲速將呈線性減小，當管距測量誤差為 10 % 時，實測聲速則僅有 3.6 km/s，已明顯小于真值聲速 4.0 km/s，此時有可能將本是無異常的剖面判為異常剖面，對測試結(jié)果的判定影響極大。同樣，當實際管距為 500 mm 時，也存在相同的問題，實測的波速將隨測量誤差線性減小。

因此，管距測量的不準確對檢測結(jié)果的影響是致命的，稍有不慎，即會出現(xiàn)誤判的情況，在檢測時，一定要按照規(guī)范要求，對聲測管的管距進行準確的測量。

3 結(jié)論

超聲波檢測雖然是目前的較為準確的檢測方法，但檢測過程中若忽視一些問題，如聲測管對齊有偏差，零聲時未準確標定等都很容易對檢測結(jié)果造成較大影響。當兩根聲測管未對齊時，假設(shè) 2 根聲測管之間的水平距離為 500 mm，垂直距離相差 20 cm，測量的波速誤差就將達到 7 %～8 %。零聲時未標定準確時，當真值比設(shè)置值大時，隨著聲時誤差的增大，實測波速值將逐漸減小，即聲速測量誤差逐漸增大，同時在相同的聲時誤差下，管距越小，實測波速值也將越小，即測量的誤差也將越大，在管距為 500 mm，假定聲時誤差為 6 時，聲速測量誤差將達到 5 % 左右，這對測量的結(jié)果將有較大影響，在現(xiàn)場檢測時應(yīng)注意這些問題，并結(jié)合現(xiàn)場情況綜合判斷樁基的完整性。同樣，聲測管管距測量的不準確對測試結(jié)果的影響是極大的，測量波速將隨測量誤差而線性變化，在檢測時，一定要準確對聲測管管距進行準確測量。