聲波透射法檢測樁身完整性能力驗證實施方案與經驗探討

劉洲

重慶中億工程檢測有限公司 重慶 402460

1 引言

樁基礎是國內應用最為廣泛的一種基礎形式，確保其工程質量一直備受建設各方的關注。聲波透射法作為基樁樁身完整性的可靠檢測手段與有效評價方法，如今被業內廣泛采用。重慶市市場監管部門將“建筑基樁樁身完整性（聲波透射法）”作為2022年度全市檢驗檢測機構能力驗證項目，具有一定的科學性和代表性。2022年度檢驗檢測機構能力驗證結果通報[1]中，參加基樁樁身完整性項目的檢測機構共106家，考核結果為94家合格，12家不合格，不合格機構占比為11.3%。本文通過檢驗過程控制與影響因素分析，以期提升實驗室的基樁檢測技術能力，在類似能力驗證活動中獲得滿意的比對結果。

2 能力驗證實施方案

能力驗證[2]，是指市場監管部門采取實驗室間比對等方式，按照相關標準或者技術規范預先制定的考核規則，對檢驗檢測機構技術能力是否持續符合資質認定條件和要求實施的技術管理手段。2022年度重慶市建筑基樁項目能力驗證實施方案如下：

2.1 人員

參與能力驗證的檢測人員應具有代表性，應從檢測機構在職并參與過樁身完整性檢測的人員中隨機產生。

2.2 樣品

能力驗證樣品為基樁，由主辦方重慶市認證認可協會提供，各參加機構在指定的地點對基樁進行檢測并得到數據結果。基樁直徑1200mm，長10m，每個機構現場隨機檢測1根。

2.3 檢驗項目

基樁樁身完整性。

2.4 檢測方法

本次能力驗證的檢測標準見表1，可任選其一。

表1 檢測標準及方法

2.5 檢測設備

1）檢測機構自備非金屬超聲波檢測儀、檢測數據處理電腦及軟件、游標卡尺、鋼卷尺，儀器設備滿足相應檢測標準的要求；

2）參加能力驗證所使用的非金屬超聲波檢測儀應在計量檢校合格期內，且經過確認滿足檢測要求。

2.6 現場檢測

1）各機構選派3人參加能力驗證，其中2人為檢測人員， 1 人輔助攝像。人員到場后需提供機構授權書、近兩個月社保證明、本人身份證原件及復印件、設備校準證書原件及復印件，復印件均需加蓋單位公章；

2）各機構人員須提前半小時到達能力驗證現場；

3）參加人員簽到后在準備區等待，由引導員指示前往測試區。進入測試區后，現場抽取基樁編號；

4）現場檢測前應標定超聲波檢測儀的系統延遲時間t0，可在試驗開始前自行完成；

5）現場專家發出開始口令后方可進行測試，同時記錄現場檢測開始時間。參加人員須在70分鐘內完成現場檢測、數據處理、檢測結果提交，超時為不合格，其中，現場檢測時間不得超過50分鐘；

6）參加人員使用自備的檢測設備采用聲波透射法對抽取基樁進行樁身完整性檢測，測點間距為100mm；

7）現場檢測由2名檢測人員配合完成，其中1名負責記錄并復誦，檢測人員須現場完成能力驗證“原始記錄”和“檢測結果報告單”，經現場專家確認后交工作人員封存。輔助攝像人員應全程跟拍；

8）提交檢測結果報告單后，所有相關檢測電子數據應全部刪除，檢測人員簽字確認后方可離場。

2.7 結果提交

1）提交“原始記錄”和“檢測結果報告單”，并打印各檢測剖面的聲速-深度、波幅-深度和PSD值-深度曲線圖以及實測波列圖；

2）檢測結果保留位數按“檢測結果報告單”的要求嚴格填寫，并由檢測人員在各頁結果單上簽字確認；

3）結果以現場提交的報告單為準，無需提供正式報告。

2.8 結果判定

2.8.1 以下事項中存在1項不符合，能力驗證結果即視為不合格

1）機構漏報、少報檢測人員；

2）檢測人員私自調換或冒名頂替；

3）使用未經檢校或檢校不合格設備；

4）未在規定時間內完成所有檢測工作，現場檢測時間不得超過50分鐘；

5）基樁樁身完整性類別判定不準確；

6）基樁樁身完整性判定為III、IV類的樁，其缺陷位置及范圍偏差大于30cm。

2.8.2 以下事項中存在4項不符合，能力驗證結果即視為不合格

1）應準確測量聲測管的內、外管徑和換能器外徑，測量精度為±0.1mm，測量樁頭處聲測管外壁間的凈距離，測量精度為±1mm；

2）聲測管內灌滿清水，且保證換能器應能在聲測管中升降暢通；

3）每個換能器能下到樁底，檢查每個聲測管是否下到同一高度；

4）聲測管應進行合理編號；

5）測試前應輸入各項檢測參數；

6）檢查儀器狀態，只有在儀器正常工作狀態下才能開始測試；

7）測試過程中換能器提升應緩慢勻速；

8）測試完后應再次檢查儀器設備狀態。

3 檢驗過程控制及影響因素分析

聲波透射法[3]是指在預埋聲測管之間發射并接收聲波，通過實測聲波在混凝土介質中傳播的聲時、頻率和波幅衰減等聲學參數的相對變化，對樁身完整性進行檢測的一種無損方法。依據能力驗證的結果判定規則，在整個考核過程中，可重點控制以下環節：

3.1 儀器設備的運行狀態

聲波儀使用頻率通常較高，現場環境條件惡劣，搬運過程易振動跌落。考核過程中，一旦設備發生故障，將無法順利完成檢測工作，故務必保證檢測設備處于正常穩定的工作狀態。參加能力驗證前，可按下列內容核查其功能狀態：

1）聲波儀能否正常開機，各個按鍵有無松動，脫落或接觸不良等現象；

2）供電電池能否正常充電，續航時間能否保障；

3）觸摸屏能否正常操作，點擊反應是否靈敏；

4）數據能否正常導出，U盤與設備是否匹配；

5）換能器性能是否下降，定位卡是否缺損，電纜線深度標志是否清晰、終端接頭是否脫焊。

3.2 聲學參數的準確采集

樁身聲速、波幅、頻率以及波形等聲學參數的準確有效采集，直接關系到樁身質量類別的評判。檢測過程中，可按下列步驟指引完成檢測操作：

3.2.1 儀器參數設置

1）采樣間隔：指兩次采樣之間的時間間隔。波形由點組成，采樣間隔則用以設置每兩個采樣點之間的時間，可選0.2μs或0.4μs；

2）采樣長度：表示一次采樣的數據點數。用以設置一次采集數據量的多少，可選512點或1024點。如無特殊需要勿輸入較大的數值，否則會影響動態采集的速度；

3）發射脈寬：指發射脈沖從發射到放電的時間。可設置（1～5）ms之間，如使用高壓，則設定為1ms；

4）發射電壓：其波形為階躍脈沖或矩形脈沖，脈沖電壓宜為250V～1000V，且分檔可調。發射電壓越高，接收信號越強，通常使用低壓，當跨距較大時可采用高壓；

5）增益調整：以基樁的完整部分為參照點，顯示波形的首波清晰可見，無削波，首波前的噪聲信號不會干擾首波判定，首波后的波峰基本接近滿視窗。增益的調整只改變波形的顯示大小，增益增大會放大有效信號，同樣也會放大噪聲信號，因此增益設置一般不得大于800。增益調整如圖1所示。

圖1 增益調整

6）延時調整：以基樁的完整部分為參照點，顯示波形的首波大致位于屏幕的1/3至1/2處。延時調整只改變波形的左右位置，可用于壓制首播前的噪聲，使之處于采集窗口之外。延時調整如圖2所示。

圖2 延時調整

3.2.2 儀器系統延遲時間標定

可采用率定法，先將當前校正通道的延時調整為“0”或者負數，聲測管內、外徑和探頭外徑三者數值調整為一致，然后將發射和接收換能器平行懸于清水中，逐次改變點源距離并測量相應聲時，記錄不少于4個點的聲時數據并作線性回歸時距曲線。線性回歸時距曲線如圖3所示，線性回歸方程見式（1）。

圖3 線性回歸時距曲線

式中：

b ——直線斜率（μs/mm）；

l ——換能器表面凈距離（mm）；

t ——儀器各次測讀的聲時（μs）；

t0——儀器系統延遲時間（μs）。

3.2.3 聲測管及耦合水層聲時修正

兩根聲測管之間，聲波從發射到接收，不僅是在混凝土中傳播，而且有一段時間是在管內耦合水和管壁中傳播，為獲得樁身實際波速，應扣除該部分的傳播時間。聲測管及耦合水層的聲時修正按式（2）計算。

式中：

t′ ——聲測管及耦合水層聲時修正值（μs）；

d1——聲測管外徑（mm）；

d2——聲測管內徑（mm）；

d′ ——換能器外徑（mm）；

vt——聲測管材料聲速（km/s），鋼管可取5.940，PVC管可取2.350；

vw——耦合水層聲速（km/s），可取1480[4]。

3.2.4 聲測管間距測量

假定聲測管相互之間完全平行，則構成某一檢測剖面的兩聲測管在樁頂面的凈距離L等于該檢測剖面所有聲測線的測距。若測量L時出現偏差，將會導致測試聲速偏離混凝土實際聲速值。當L值偏大則測試聲速偏高，L值偏小則測試聲速偏低。以下兩種測量方式，L值均可能產生誤差：

1）在聲測管的管口位置測量L值。聲測管埋設時，通常要求管口應高出混凝土頂面100mm以上，實際中，聲測管預留高度遠大于100mm。若管端預留過長，則外露部分可能產生傾斜，管口測量值L與其根部測量值會存在明顯差異；

2）以兩根聲測管的中心距作為L值。此時的L值實為混凝土、聲測管壁和耦合水層的距離之和，檢測前已進行管水修正，不應重復計算，應以兩根聲測管的內邊距測量結果為準。

3.2.5 聲學參數具有可比性

在同一根樁的各檢測剖面的檢測過程中，聲波發射電壓、增益、延時等參數應保持不變。

3.3 缺陷深度的精確定位

能力驗證結果判定規定：樁身完整性判定為III、IV類的樁，其缺陷位置及范圍偏差不得大于30cm。為準確定位缺陷，可采用下列相應檢測措施：

1）聲波換能器應從樁底向上同步提升。非勻速下降的換能器，由于存在不同程度的失重現象，使電纜線出現不同程度松弛，導致換能器位置不準確；

2）檢校編碼器、卡線輪和電纜線深度標志。提升過程中，自動記錄換能器位置時，電纜線帶動編碼器卡線輪轉動，編碼器計數卡線輪轉動值換算得到換能器位置。若編碼器計數、卡線輪直徑和電纜線深度標志存在誤差，勢必導致測試位置與樁身實際位置不一致。實際中，電纜線刻度誤差較大的情況較為常見；

3）校核換能器的深度和校正換能器的高差。提升過程中，由于電纜線與卡線輪之間的滑動，會導致編碼器計數位置與傳感器實際位置存在偏差，或換能器不在同一水平面，應隨時進行深度校核與高差校正；

4）保持測試過程中波形的穩定性。提升速度過快，會導致換能器在聲測管中劇烈擺動，甚至與管壁發生劇烈碰撞，增大換能器的深度誤差，同時對接收的聲波波形產生一定的影響。為此，要求換能器的同步提升速度不宜大于0.5m/s；

5）采取多種測試方式定位缺陷。經平測普查后，根據聲時、波幅和主頻等聲學參數的相對變化及實測波形的狀態，找出各檢測剖面的可疑聲測線，再經加密平測、交叉斜測等方式，既可檢驗平測普查的結論是否準確，又可依據加密測試結果繪制陰影圖判定樁身缺陷的邊界，進而推斷樁身缺陷的范圍和空間分布特征。加密平測和交叉斜測如圖4所示。

圖4 加密平測和交叉斜測

3.4 特殊情形的有效處理

如遇嚴重的樁底缺陷，當換能器下至樁底開始采樣時，可能無波形顯示或波形顯示紊亂，甚至出現死機的現象。若檢測人員缺乏經驗，加之考核時心情緊張，不能有效處理，反復地調整增益、延遲或開關機，或懷疑管體漏水，直至考核時間結束仍未采集到有效的檢測數據。此時，可將換能器提升至一定高度，即樁身無缺陷段，待波形穩定后，調整好相應參數，再將換能器放至樁底，勻速提升至樁頂完成整樁測試。

4 結語

基樁樁身完整性能力驗證，是一項科學有效、可操作性強、具有一定代表性的技術管理手段。因其專業性強、檢測流程復雜，故需參與方充分理解和熟悉相關檢測標準和技術規范，盡可能地消除或減少影響檢測數據和結果的潛在因素，對人、機、料、法、環、測等各個環節進行有效控制，才能獲得滿意的考核結果。