論樁基超聲波檢測技術

摘要 聲波透射法主要是檢查混凝土灌注樁樁體缺陷、評估其完整性的一種有效辦法。當聲波經混凝土傳輸時，將攜帶關于混凝土材料特性、結構和組成的信息，準確計算聲音在經混凝土傳播后，各聲響參數的變化，從測得數據來推測混凝土的特性、結構及組成情況。文章介紹了超聲波的基本原理，分析了超聲波在樁基完整性檢測中的應用，對超聲波樁基完整性檢測方法進行詳細研究，以供參考。

關鍵詞 樁基檢測；超聲波；完整性

中圖分類號 TU473.16 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0134-03

0 引言

鉆孔灌注樁孔成樁質量的檢測[1]方法主要有靜載試驗法、鉆芯法、低應變法、高應變法、聲波透射法等。其中，靜載試驗法雖然直接、可靠，但是靜載場地要求高、靜載試驗時間長，且試驗中容易出現位移、偏壓等現象；鉆芯法雖直觀、實用，但是受限于抽芯技術的好壞，芯樣完成性較差則影響判斷，且抽芯影響樁基質量；低應變法雖輕便、快捷，但是只能分辨阻抗，難以區分缺陷性質；高應變法雖然經濟、快速，但是對設備和地形的要求較高[2]。綜合對比發現，各種樁基檢測方法都有各自優點及其局限性，檢測效果明顯的，往往對場地要求高、檢測時間長或對樁身質量有影響。因此，如何選擇一種快捷、簡單、全面、細致的樁身完整性檢測方法尤為重要。

1 超聲波基本原理

1.1 聲波分類

超聲波是指物體的某種運動形態。超聲波可分為二大類：一類是機械波，系指因為力學震動而在彈性應力介質運動中形成的類似海浪過程，比如水浪、聲波、超聲波等；另一類是電磁波，系指電磁振蕩而形成的改變電荷量和變換磁場在空中傳遞的傳播流程，比如無線電波、紫外線、雷達波等[3]。

聲音是在介質表面中傳輸的機械波。按照震蕩頻段的差異，聲音又可分成次聲音、可聞聲波、超聲波和特超聲。

用混凝土聲透射法測定的聲音主頻段，通常是20～200 kHz。

1.2 聲波波形及傳播機理

按照在介質中質點振動方向和波的傳導方向的不同，主要包括以下三種類型的波動。

縱波P波：指質點運動走向平行于波的傳遞走向。縱波傳播方式如圖1所示。

傳播機理：質點之間的能量強差和拉力。

橫波S波：指質點移動位置角度，垂直于波的傳遞方式。橫波傳播方式如圖2所示。

傳播機制：質點間的剪切力。

表面波R波：介質表層質點作橢圓形狀運動。

傳遞機理：質點之間的表面作用和剪切力。

1.3 聲學參數

超聲在介質中傳輸可測量到聲學的參數主要有聲幅、聲頻和聲速。

聲幅：超聲波的波幅。

聲頻：超聲波的頻率。

聲速：是混凝土測試中最常見的參數，而聲音在固態介質表面中的傳遞速率主要是受傳播種類、介質和邊界狀態這三方面因素的直接影響。聲波在不同介質中的傳播速度見表1。

2 超聲波在樁基完整性檢測中的應用

2.1 超聲波換能器

超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率[4]。

根據工作機理不同，有電流式、磁滯伸縮型和電氣式等幾種。檢測技術中使用電壓式。

2.2 樁內跨孔透射法

應用電壓式超聲換能器的樁基完整性檢測方法中的樁內跨孔透射法，是目前一項較成熟、安全的技術，也是超聲透射法測量樁體質量的最主要方式。其具體方法為在樁內預留二根以上的聲測管，在管中注滿清水，并將發、接收換能器依次放入二個管中[5]。當測量時，超聲從發送換能器中產生后，穿過二個管間混凝土并被接到換能器吸收，實際的有效測量范圍便是聲音脈沖由發送換能器至接到換能器中間所掃過的總面積。

針對不同情形，可以選擇雙通道或多通道測試方法（現在多用四通道）采集聲學參數，并通過波形變化規律確定樁體水泥強度，從而確定樁體水泥質量。跨孔法測量依據兩個以上換能器在樁身內部對應高度的變化規律，有平行測、斜測、交叉斜測、扇形數字化掃描檢測等方式，在試驗時根據現實情況需要靈活運用樁內跨孔透射法等幾種測試方式。現場的檢查過程，通常首先是通過水平測法對全樁的所有檢測剖面開展普查，找出采集的聲學參數數據分析的異常點。之后，再對聲學領域參數反常的測點通過平測試驗、斜測或扇形掃測等細測方式進行測定，這一方面能夠檢驗普查數據結果，另一方面也能夠更加明確非正常部位的范圍，為樁體結構完整性類型的判斷提供了可靠基礎。

3 超聲波樁基完整性檢測方法

3.1 基樁混凝土完整性檢測

根據超聲波換能器管道在基礎樁體中的各種布置方法，超聲輻射法基礎樁檢查有樁內單孔透射法、樁外孔透射法和樁內跨孔透射法。

3.2 檢測步驟

采用多通道超聲波樁基檢測儀檢測。

（1）選擇干燥穩固平整的位置放置儀器。

（2）將三腳架架設在穩定的位置，并調整計數器卡口位置對準被測樁。

（3）將徑像換能器線穿過計數器卡扣卡住。

（4）將管口導向輪裝入管口。

（5）將換能器插頭接入儀器。

（6）將多根聲測管或以二根為一組的測量剖面完成全合成，剖面編號。

（7）將發、接收換能器分別放在某一剖面的二個聲音測管中，或置于樁的下方，以保證在同一高度。

（8）自下而上將發、接收換能器，以同樣的步長（通常不得超過50 mm）向前提高。

（9）在同一樁的各測量剖面的測試過程中，聲音發送電流和儀表設定測量參數都應當維持恒定不變。聲波結果與對應缺陷關系如圖3所示。

3.3 檢測結果及分析

（1）波速與混凝土質量。超聲脈沖波在水泥中傳播速率的大小，和水泥的密實程度有直接關聯。若音速較高，則水泥緊密，反之則水泥不緊密。當有空虛或裂紋出現時，便打破了混凝土的穩定性，因為超聲脈沖波就可以繞過空虛或裂紋傳遞至接收換能器，使得傳輸的路徑增加，測到的聲音時間也必然偏長或聲速下降。

（2）接收聲波波幅與混凝土質量。接收的聲音波幅值是表示聲音在通過混凝土結構之后能力減弱影響程度的主要技術指標之中。接收波動幅值越低，則混凝土結構對聲音的能力減弱影響程度也越大[6]。通過研究混凝土結構中聲音減弱的原因表明，當混凝土結構中遇到低強度區域、高離析區域和具有夾泥、蜂窩等缺點時，吸收減弱和輻射減弱均加快，使接收聲波振幅顯著減弱。幅值既可以通過直觀從收到波形上觀察測定，也可以通過儀表中的頻率衰減器測定。測量時間一般以首波（即接受信息的前端零點五個星期）的最大振幅為準。由于接收聲波動幅值和建筑物品質緊密有關，其對瑕疵區域的反射遠比聲時值更加靈敏，故其也是瑕疵判別的關鍵參數一點。

（3）頻率變化與混凝土質量。聲波脈沖屬于復頻波，同時帶有各種頻譜成分。當超聲波經過混凝土后，各種頻譜成分的減弱程度有所不同，通常高頻段部門較低頻部分減弱的強烈，從而引起收到訊號的主頻段向低頻段變小。其能量變化的大小確定于衰變因素的重大影響程度，所以接收波主頻率實質上是對傳播介質中衰變影響程度的一種表示量，當出現缺陷時，由于衰變因素嚴重影響，使接受波主頻率明顯降低。

（4）波形的變化與混凝土質量。隨著聲波能量脈沖在缺陷界面上的反射與折射，形成波線變化的波束，而這種波束又由于傳遞途徑的差異，以及由于在界面上生成波狀變化或形成橫波等因素，而導致到達接收換能器上的時間差異，從而使接受波形成多個同相或各種相位波束的疊加波，從而生成了波狀畸變校正。實踐證明了凡是超聲脈沖在傳遞過程中出現了問題，則其接收的波形也常常形成畸變，所以波形畸變程度就能夠用作診斷問題程度的主要參照根據。

缺點及波形特點：①首波平穩，但振幅較小；②幅度隨時間變化增長不明顯；③波形有畸變；④當缺點較突出時，觀眾根本無法接受聲音。

（5）綜合判定的方法。

Ⅰ類：各檢測剖面的聲學數據均無異常點，亦無聲速、聲幅、PSD數據小于臨界值。

Ⅱ類：某一測量剖面內個別測點的聲學技術參數發生了反常，無聲速小于最低限度異常。

Ⅲ類：某一測量剖面上連續或多個測點的聲學基本參數出現了反常；二個及以上測量斷面，在相同深度測點時的聲響參數都發生了反常；或者局部整體混凝土聲速存在了接近最低限度的變異。

Ⅳ類：某一測試剖面上連續多個測點的聲學測量參數出現了反常；二個及以上測量斷面的相同深度范圍測點的聲響測量參數出現異常；或局部整體混凝土聲速值存在小于最低限度的變異。

（6）樁基常見完整性缺陷與聲學參數的關系。

沉渣：沉渣為松散介質，其本身速度很低，對聲音的減弱又非常強烈，故凡出現沉渣，必定是聲音速度與振幅都在急劇減弱[7]。一般此類情況在樁底部發生，多屬沉渣所造成。

夾泥：多數原因是灌注混凝土時導管的提升不良或者泥漿指標不合格塌孔所致，若在樁身中心是斷樁，若在樁頂是因樁頂高度不足。其特征表現為聲速與聲幅都明顯低于臨界值，而樁頂部則為緩變。上部為超灌混凝土應破除，不在設計樁長內，通過應截樁的高度可判斷樁頂部高度是否足夠。

混凝土被洗漿：如果是挖孔樁中出現各截面均測量數值異常的層狀土體缺陷，則通常是因建筑施工中的事故所造成的疏松土層，或樁孔中沁水控制不良或混凝土在連續澆灌后泌水量過大所造成。

孔壁塌陷或泥團：速度和振幅都降低了，但降幅的多少則視缺陷狀況而定。若只是局部的泥團，未覆蓋到聲測管上，則降低的程度并不重要；一旦泥團包圍聲測管，其減弱幅度很大，尤其是振幅的減弱尤其嚴重。一個聲測管被泥團包圍將影響二個測面。通過斜測能夠識別這種情形。

混凝土分層離析：這種情況主要是混凝土的質量有問題，和易性不好。粗骨料和砂漿分層導致骨料的位置聲速大，砂漿的位置聲速小。結果異常點會很多。

含氣量大的混凝土：在灌注樁基混凝土時，由于導管提升過快導致氣泡埋在混凝土里面。雖不能造成空洞，但對混凝土的強度和耐久性都有影響。超聲波傳播介質的密度大小直接影響傳播的聲速降低。

超聲波在混凝土中傳輸后，將攜帶關于混凝土材料特性、結構和組成的信息。通過準確計算聲音在經混凝土傳播各聲響參數的變化，可推測混凝土的特性、結構及組成情況。

4 結語

通過聲波透射法來對樁基的靜載試驗法、鉆芯法、低應變法、高應變法等樁基檢測方法進行綜合對比，快捷、簡單、全面、細致，對場地要求低，準確性高，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位，是檢查混凝土灌注樁樁體缺陷、評估其完整性的一個有效辦法，可根據情況與靜載試驗法、鉆芯法、低應變法結合，全面判斷成樁質量。

參考文獻

[1]呂世雄. 超聲波技術在樁基完整性檢測中的應用[J]. 中國高新科技， 2021（16）： 58-59.

[2]宋會川. 超聲波透射法在基樁檢測中的應用與研究[J]. 科技經濟市場， 2019（9）： 3-4.

[3]魏德敏， 王棚， 徐明江. 基于首至波波幅的既有樁基旁孔透射波法[J]. 地下空間與工程學報， 2019（S1）： 243-248.

[4]沈家文， 周麟， 劉俊峰， 等. 淺談超聲波檢測結構混凝土內部不密實區域或空洞的大小和位置[J]. 施工技術， 2018（S4）： 291-294.

[5]楊嘉明， 閆占豹， 王春陽， 等. 超聲波透射法在樁基檢測中的應用[J]. 東北水利水電， 2018（3）： 50-52+72.

[6]邱雪峰. 超聲波無損檢測技術在樁基工程中的應用研究[J]. 科技創新與應用， 2016（7）： 235.

[7]余安， 湯洪志， 劉朋梅， 等. 聲波透射法和反射波法在混凝土灌注樁缺陷檢測中的對比研究[J]. 工程地球物理學報， 2015（1）： 111-116.