基樁超聲檢測聲學參數異常分析及對策研究

左鴻鵬

(山西交院試驗檢測有限公司，山西 太原 030006)

1 聲波透射法基本原理

利用聲波在彈性介質中傳播前后的參數變化來反映介質的相關性能是超聲波無損檢測的基本原理。目前用于混凝土結構檢測的聲波主要為縱波，一般用聲速、波幅、頻率來表征聲波的性狀。聲速取決于聲波類型、介質形態、邊界條件，基樁檢測時通常以聲時表征聲速；波幅表征質點間作用力，即壓電晶體電壓值；頻率則表達超聲波強度交變快慢。

2 聲學參數異常及后果

由本單位2016～2018年的檢測結果統計中發現，因非質量引起的聲學參數異常率較高見表1，影響完整性的準確評定，需進行復測甚至采取開挖、取芯、承載力檢測等方式進行驗證，這不僅大大增加檢測成本、影響工程進度見表2，且影響對工程質量的客觀評價。

表1 2016～2018年基樁超聲檢測結果統計

由表2可知，由非樁身質量引發的聲學參數異常率達8.3%，年均復測費用高達16.3萬元，累計復測天數達62.1 d，同其他檢測單位交流發現，普遍存在非質量引發聲學參數異常率較高的問題，干擾基樁質量的準確評定，需驗證的基樁頻率高，不僅影響檢測效率還增加檢測成本，影響工期。

表2 2016～2018年基樁復測信息統計

3 超聲檢測聲學參數異常分析

3.1 探頭徑向擺動問題

超聲檢測中，徑向探頭直徑一般為20 mm，聲測管內徑為50 mm。一般徑向探頭前部裝有防止探頭過度擺動、震蕩的扶正器，隨著探頭的頻繁的使用，扶正器會不斷磨損、變形，使其扶正作用減弱。經過對探頭扶正器檢查，發現扶正器有不同程度的磨損、變形，有效尺寸已接近探頭直徑，基本已失去扶正作用。實際檢測中，不同項目或同一項目不同批號的聲測管內徑均有一定的差異，但儀器所配的扶正器規格相同，且尺寸較小，扶正效果有限，難以滿足檢測需求。

聲波始發波在混凝土中聲時一般在為200 μs左右，而探頭在發生擺動、震蕩時，始發波在耦合劑中通行時間最大相差可達40 μs，實際檢測中，這部分時間差將被計算在混凝土中，故探頭擺動、震蕩導致的聲時偏差將高達20%，而正常混凝土聲時偏差為5%左右(始發波在耦合劑中聲時極差10 μs)。

3.2 耦合劑問題

(1)現場耦合劑使用現狀

超聲檢測要求耦合劑為清水，然而公路修建遠離市區，水資源匱乏，且現場地勢高低縱橫，運水極為不便，一般聲測管中灌注水為現場施工用水、河水、開挖時滲出的地下水等，水質潔凈程度不一。

(2)耦合劑凈潔度對聲學參數的影響

①超聲檢測時聲波必須通過耦合劑才可進入檢測介質，耦合劑同時也是傳播介質之一，根據聲波衰減理論，介質越均勻，聲波傳輸能量散射衰減越小，聲學參數越穩定，反之，聲波能量衰減越大，聲學參數變化越大。

②為確定耦合劑潔凈程度對聲學參數的影響，將一立方試塊置于方形水槽內，用以模擬基樁，以密度來表征泥沙含量，分析耦合劑潔凈程度對聲學參數的影響，結果如表3。

表3 耦合劑潔凈度室內模擬試驗

如表3所示，耦合劑中泥沙含量同聲學參數畸變成正相關關系，當耦合劑密度達到1.1.0時便會引起聲波能量急速衰減，聲學參數嚴重異常，波形嚴重畸變。

③耦合劑分層

由以上分析，耦合劑中的泥沙對聲學參數影響明顯。耦合劑中泥沙隨著時間會自然沉淀，在聲測管中形成渾濁程度不同的水層，當探頭通過不同的分層時，聲學參數表現也不同，表現為下層聲學參數異常率高、波形畸變，中間層聲學參數中度異常、波形輕微畸變，上層聲學參數正常或輕微異常。

4 超聲檢測聲學參數異常對策研究

4.1 控制始發波在聲測管中的聲時差

由上述研究可知，聲波始發波在聲測管中的聲時差主要來源于徑向探頭的擺動、震蕩，破解方法為通過扶正器控制徑向探頭同聲測管內壁間的間距，在不影響移動的前提下，將聲波始發波在聲測管中的聲時偏差控制在合理范圍內。根據工程實際，采用厚度為3 mm的橡膠材料制作45 mm、40 mm、35 mm三種扶正器，可滿足不同聲測管內徑要求，將耦合劑中聲時偏差控制在5 μs以內，不僅大大降低了探頭在聲測管中的擺動空間，且材料不易翹曲變形，實施效果顯著。不同尺寸扶正器始發波在耦合劑中聲時始發波在耦合劑中聲時見表4。

表4 始發波在耦合劑中聲時極差

4.2 提升耦合劑質量

(1)控制耦合劑質量

基樁完整性現場檢測影響因素多，檢測結果關乎多方責任，現場檢測環境、資源有限，需要施工單位的大力配合。耦合劑作為檢測成敗的關鍵，耗時費力，所以檢測前耦合劑灌注的技術交底尤為重要。積極主動的溝通交流、適時的現場指導有助于提升耦合劑的整體質量，為檢測的圓滿完成墊定基礎。

(2)耦合劑重復利用

基樁超聲檢測需水量大，一根30 m長4孔超聲檢測需水量達250 L。高速公路建設現場遠離市區，清水來源有限，檢測用水成本高，大量水資源檢測后失去價值，浪費嚴重。所以耦合劑重復使用，不僅可降低檢測成本，且提高資源利用率。采用施工現場常備的抽水泵配合足夠長軟水管可以實現水資源的重復利用，將已檢測合格的基樁聲測管中的清水抽出就近灌注于待測樁中即可，若安排合理，可節省近1/3的水資源。

5 結 論

經過對基樁超聲檢測中非質量引發聲學參數異常原因分析，發現因徑向探頭擺動、震蕩導致的聲時偏差高達20%；耦合劑中泥沙含量同聲學參數異常率成正相關關系。通過研制扶正器、控制耦合劑，將由非質量引發聲學參數異常率由年均8.3%降低至2.6%。不僅提高了基樁檢測數據有效率，且降低復測、驗證的數量，節約了檢測成本，縮短了復測周期，工程實踐效益顯著。