基樁聲波透射檢測缺陷定位研究探討

仇道剛

（南京銘創(chuàng)測控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

聲波透射檢測基樁完整性，是目前基樁檢測中非常普及的檢測方法之一。在基樁質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)，因其不受地質(zhì)條件影響、不受樁長影響，能夠較為形象直觀地反應(yīng)樁身混凝土的質(zhì)量情況，較為準(zhǔn)確地判斷缺陷的位置和大小［1］，已經(jīng)被廣泛使用。筆者經(jīng)過大量的工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分聲波透射檢測有問題的樁，經(jīng)過取芯或者開挖驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果和檢測結(jié)果是相符合的；不過，也有一小部分的問題基樁，驗(yàn)證結(jié)果與檢測結(jié)果不相符。聲波透射檢測技術(shù)有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，深入地研究聲波透射測樁缺陷分辨精度的影響因素，進(jìn)一步提高檢測精度，讓這個(gè)檢測方法更好地發(fā)揮它的作用，具有實(shí)用的工程意義。

1 檢測精度的影響因素

影響缺陷檢測精度的因素有很多，但是它們的影響程度卻有很大的不同。基樁是立體的混凝土構(gòu)筑物，為了實(shí)現(xiàn)檢測目的，檢測方法把對基樁的整體質(zhì)量評價(jià)簡化成若干剖面的質(zhì)量評價(jià)。對于每一個(gè)檢測剖面，可以當(dāng)作一個(gè)二維坐標(biāo)，如圖 1 所示，要定位這個(gè)剖面的缺陷，就相當(dāng)于定位這個(gè)剖面上的某一個(gè)點(diǎn)，需要兩個(gè)坐標(biāo)（x，y）。聲波透射檢測最常用的是平測，其實(shí)平測只提供了 y 坐標(biāo)，沒有 x 坐標(biāo)。

為了方便描述，把影響因素分為兩類：①對 x 、y 精度都有影響的因素；②只影響 x 的因素。

圖1 二維坐標(biāo)圖

1.1 對 x、y 都有影響的因素

1）檢測步距。步距越小，檢測精度越高。例如，步距 100 mm，尺寸小于 100 mm的缺陷可能在兩個(gè)測點(diǎn)之間。這時(shí)，缺陷無法檢測到。一般情況下，減小檢測步距可以提高檢測精度。但是，并不是一味地降低步距，檢測精度就會一直升高，因?yàn)闄z測精度還同時(shí)受到別的因素的影響，最終的檢測精度，是若干影響因素共同作用的結(jié)果。

2）徑向換能器有效工作段的長度。徑向換能器有效工作段的長度越小，檢測精度越高。例如，徑向換能器有效工作段的長度 150 mm，尺寸小于 150 mm 的缺陷可能是檢測不出來的。因?yàn)閺较驌Q能器是柱狀聲源，對于檢測剖面來說是線聲源，而聲波檢測缺陷尺寸推算是基于傳統(tǒng)的點(diǎn)聲源模式，線聲源的長度決定了分辨能力［2］。目前，常用徑向換能器有效工作段長度一般為 150 mm。

3）聲波在混凝土里傳播的波長。波長越小，檢測精度越高。基樁檢測所用聲波頻率一般為 50 kHz，在混凝土里的波長為 100 mm 左右，尺寸小于或者與波長接近的缺陷是分辨不出來的，只有尺寸遠(yuǎn)大于波長的缺陷才能被分辨出來［3］。

這 3 個(gè)影響因素其實(shí)是同時(shí)存在、共同影響的。它們的最大值決定了檢測精度。例如，步距 100 mm、徑向換能器有效工作段長度 150 mm、波長 100 mm，那么檢測精度是 150 mm。由此可見，這個(gè)時(shí)候再提高檢測的步距已經(jīng)沒有意義了。

4） 聲測管的平行度。聲測管越平行，誤差越小。聲速不是直接測量的值，它是根據(jù)測距和聲時(shí)計(jì)算出來的值。因此聲速的測試精度取決于測距和聲時(shí)的測試精度。而測距是樁頭聲測管管距的測量值，代替整個(gè)剖面的各個(gè)測點(diǎn)的測距，因此聲測管的平行度對聲速測試精度影響很大。同時(shí)，因?yàn)槁暅y管不平行帶來的對聲速的影響是漸變的、有規(guī)律的，而缺陷一般都是突變的。所以，非嚴(yán)重的聲測管傾斜對缺陷判斷影響不大。

5）采樣周期 T。采樣周期越小，精度越高。基樁檢測時(shí)常用采樣周期是 1 μs 或者 0.5 μs，采樣周期即為聲時(shí)的測讀精度。例如，采樣周期 1 μs，聲時(shí)測讀精度就是 1 μs，樁徑 1 000 mm 時(shí)，聲時(shí)在 150 μs（管距越大，聲時(shí)越大）左右，那么采樣周期對聲時(shí)的誤差小于 1 %。所以采樣周期對聲時(shí)影響較小，也就是對聲速影響較小。并且是樁徑越大，影響越小。

1.2 只影響 x 的因素

斜測角度（斜測時(shí)，兩個(gè)徑向換能器的中心連線與水平線夾角的大小，以下簡稱“斜測角度”），是一個(gè)只影響 x 的因素。斜測角度越大，對基樁徑向上缺陷分辨精度越高。斜測角度如果等于 0°，其實(shí)就是平測。斜測角度等于 90°時(shí)，平測加斜測剛好是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二維坐標(biāo)，此時(shí)檢測精度最高。但是，由于基樁是長徑比較大的構(gòu)筑物，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于技術(shù)限制，斜測角度無法做到太大。

2 平測的局限性

聲波透射測樁最常用的是平測，平測也是普檢的常用方法。平測對基樁缺陷在基樁軸向上能做到定量。但是平測也有局限性。①特殊情況的缺陷，平測是無法分辨的。例如，基樁的水平裂縫、混凝土水平結(jié)合面。由于薄層狀缺陷和聲測線是平行的，聲測線沒有穿過缺陷，故無法檢測。②平測數(shù)據(jù)只能分辨缺陷基樁軸向上的位置和大小，無法分辨缺陷在基樁徑向上的位置和大小。一般遇到平測有問題的樁，需要做斜測來進(jìn)一步確定缺陷在基樁徑向上的位置和大小。例如，如圖 2 所示，兩個(gè)剖面平測數(shù)據(jù)都是在 3.5～4 m 有缺陷，僅僅知道缺陷在基樁軸向上的大小范圍是 0.5 m，缺陷在基樁徑向上的位置和大小，平測數(shù)據(jù)是無法提供的。圖 2 的這兩種缺陷，在平測數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出的嚴(yán)重程度是一樣的，但是實(shí)際的缺陷情況卻大相徑庭。這時(shí)，要通過斜測來進(jìn)一步地確定缺陷的位置和大小。如果再加入扇測，結(jié)果會更準(zhǔn)確，但是扇測（扇測法由于測試工作量巨大，測試時(shí)測距是變化的，目前數(shù)據(jù)分析沒有公認(rèn)判據(jù)）不適合日常工程檢測。

圖2 平測局限性示意圖

3 理論缺陷模型分析

依據(jù)聲波透射測樁的基本檢測原理，當(dāng)聲測線遇到缺陷時(shí)，聲學(xué)參數(shù)會發(fā)生變化。根據(jù)這個(gè)原理分別繪制幾個(gè)不同斜測角度的缺陷分析圖，選取了 3 種有代表性缺陷的尺寸：橫向尺寸較大，如圖 3 所示；豎向尺寸較大，如圖 4 所示；橫向豎向尺寸接近，如圖 5 所示。分別以 30°、60°為斜測角度，繪制缺陷示意圖，圖中的實(shí)際缺陷分別為矩形、橢圓、圓。左右兩端的深顏色三角形是數(shù)據(jù)分析缺陷的誤判區(qū)域。通過圖 3～5，可以得到以下結(jié)論：①數(shù)據(jù)分析出的缺陷都大于實(shí)際的缺陷；②斜測角度越大，缺陷的誤判區(qū)域越??；③豎向尺寸大的缺陷，在斜測角度小的情況下，誤判的區(qū)域更大。為了便于描述，這里只列舉了幾種規(guī)則形狀的缺陷和兩個(gè)不同的角度的情況。其實(shí)，對于任意形狀的缺陷、不同的角度，最終的結(jié)論是一樣的。在實(shí)際的工程中，遇到聲波透射數(shù)據(jù)異常，需要取芯驗(yàn)證的基樁，取芯孔位置的確定主要取決于對缺陷在基樁徑向上大小和位置的判斷，這個(gè)判斷主要是斜測數(shù)據(jù)提供的。

圖3 橫向尺寸較大缺陷模型圖（矩形）

圖4 縱向尺寸較大缺陷模型圖（橢圓）

圖5 橫向縱向尺寸接近缺陷模型圖（圓形）

4 建議

以上，筆者只是從檢測原理的角度分析這個(gè)問題。在實(shí)際工程檢測中，是否能做到較大的斜測角度，還受到儀器設(shè)備性能的限制。因?yàn)樾睖y角度大了，儀器接收信號的幅值會隨斜測角度增大迅速減小，可能造成無法正常接收信號。近年來，隨著科技的發(fā)展，基樁儀器設(shè)備的性能也在不斷發(fā)展與提高。接收信號強(qiáng)、靈敏度高的檢測設(shè)備不斷出現(xiàn)。筆者認(rèn)為斜測角度的選擇應(yīng)該是在保證設(shè)備有良好的信號接受條件下，盡量選大的斜測角度。在此，筆者建議有關(guān)部門，開展斜測角度對測試精度的研究工作，給予檢測者以正確的指導(dǎo)，進(jìn)一步提高聲波透射檢測的缺陷分辨精度，更好地為工程質(zhì)量服務(wù)。

5 工程實(shí)例

某橋梁灌注樁，樁徑 1 000 mm，檢測樁長 26.6 m。聲波透射檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)平測數(shù)據(jù) 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，平測曲線如圖 6 所示。為了驗(yàn)證不同斜測角度對缺陷大小判斷的影響，分別通過30°、60°兩個(gè)角度分別對 1-2 剖面進(jìn)行了斜測，1-2 剖面的 30°斜測缺陷示意圖如圖 7 所示，1-2 剖面的 60°斜測缺陷示意圖如圖 8 所示，高度和管距均是按照 1∶1 的比例繪制，測試步距都是 100 mm。所用設(shè)備為 MC-6360 型多通道超聲基樁檢測儀。通過分析綜合判定，缺陷在 1 號管附近。并且在徑向上向 2 號管延伸大約 20 cm 左右。綜上所述，驗(yàn)證方法采用開挖的方式，開挖僅在 1 號管附件進(jìn)行，并沒有大面積開挖，開挖結(jié)果如圖 9～10 所示。實(shí)際缺陷類型是空洞。缺陷的大小和尺寸，跟 60°斜測數(shù)據(jù)分析的更接近。

圖6 平測曲線圖

圖7 30°斜測缺陷米格圖

圖8 60°斜測缺陷米格圖

6 結(jié)語

圖9 現(xiàn)場開挖圖

圖10 開挖缺陷細(xì)節(jié)圖

聲波透射測樁是一項(xiàng)成熟的檢測技術(shù)。在工程應(yīng)用中，目前還是平測使用最多，斜測在工程中相對而言用的還是比較少。但是，在對于一些有問題的樁，做定量分析時(shí)，尤其是取芯驗(yàn)證時(shí)，斜測是必要的手段。取芯驗(yàn)證的關(guān)鍵取決于缺陷在基樁徑向上的定位，缺陷在基樁徑向上的定位關(guān)鍵取決于斜測，斜測的關(guān)鍵取決于斜測角度。Q