超聲波透射法檢測技術的原理和應用分析

盧森旺

（通標標準技術服務（上海）有限公司廈門分公司，福建 廈門 361012）

0 引言

近年來，我國基礎設施建設蓬勃發展，鐵路橋梁大量開展建設，樁基礎作為橋梁工程最常用的基礎形式，在橋梁工程中被大量采用。混凝土灌注樁為地下隱蔽工程，施工工藝復雜、施工難度較大、混凝土硬化環境及成型條件復雜，容易出現斷樁、空洞、縮頸、局部混凝土松散等樁身缺陷，影響上部結構的使用安全。為了檢測混凝土灌注樁樁身完整性，準確判斷缺陷的位置和大小，我們一般選用超聲波透射法檢測技術。

1 樁基超聲波透射法檢測原理

樁基超聲波透射法檢測是由發射換能器向混凝土內發射高頻彈性脈沖波，用接收換能器記錄穿過混凝土的超聲波聲學參數[1]。該彈性波在傳播過程中，遇到混凝土介質缺陷會產生透射、反射、繞射、散射，由接收換能器接收波形，對波的聲速、波幅、頻率及波形特征進行綜合分析，確定樁身缺陷的位置范圍及嚴重程度，進而判定樁身完整性[2]。

2 聲學參數與混凝土質量的關系

超聲波透射法檢測技術是檢測混凝土灌注樁樁身完整性，準確判斷缺陷位置和大小的有效方法。超聲波從發射換能器發射經混凝土傳播后，接收換能器接收到的超聲波信號包含混凝土的材料性質、內部的結構和組成的信息，通過分析接收到的超聲波信號各聲學參數值及其變化量，便可推定混凝土內部的結構以及組成情況。超聲波檢測混凝土灌注樁通常以聲速、波幅、頻率和波形等作為判別樁身完整性的依據[3]。

2.1 超聲波聲速與混凝土強度的關系

聲速是混凝土彈性性質的反映，和混凝土強度相關。混凝土構件內部孔隙率越低、混凝土越密實，超聲波聲速就越高，強度也就越大。但不能用聲速來推算混凝土強度，只能用來判定混凝土的密實程度。

2.2 超聲波波幅與混凝土內部質量的關系

波幅是聲波沿混凝土傳播后引起的能量衰減程度的反映，波幅強的部位混凝土粘塑性高，波幅弱的部位混凝土粘塑性低，混凝土中強度較低、離析、夾泥、蜂窩等缺陷部位，超聲波能量被吸收衰減或散射衰減量大，波幅值顯著下降[4]。

2.3 超聲波頻率與混凝土質量的關系

超聲波脈沖是復頻波，包含多種頻率，各頻率成分穿透混凝土后衰減程度存在差異，低頻聲波衰減程度較輕，高頻聲波衰減程度較嚴重，因此接收到的聲波主頻率有向低頻端漂移的趨勢。衰減因素越嚴重漂移得越顯著。接收波的主頻率是反映介質衰減作用的表征量，聲波穿過混凝土缺陷后主頻率會顯著降低。

2.4 超聲波波形與混凝土質量的關系

聲波穿過正常混凝土后的波形特征：波形形狀規則，均勻無畸變；首波波幅陡峭，波幅值大；頻率高，衰減慢[5]。

聲波透過有缺陷的混凝土后，接收波波形特征：波形畸變不規則；首波平緩，振幅小；頻率低，衰減快；當缺陷嚴重且范圍較大時，無法接收到波形。

3 超聲波透射法檢測技術的應用

3.1 準備工作

按設計或規范要求在樁身全長范圍內預埋聲測管，樁頭砍至設計標高，聲測管管口高于樁頂設計標高100mm，并用清水將聲測管灌滿。每兩根聲測管為一組，測量每組聲測管外壁凈間距。

3.2 設置超聲波檢測儀參數

設置零時校正值、聲時修正值，輸入延遲時間，設置超聲波采樣增益，采樣長度，測點間隔，測點間距不應＞200mm，不宜＜100mm，確保采集到完整的首波信號。同一根樁波形采集過程中，不能改變聲波發射電壓，儀器設置參數應保持不變。

3.3 現場超聲波樁基檢測

檢測前，將聲測管灌滿清水，各聲測管每2根作為一個檢測剖面，超聲波從發射換能器中發出，在接收換能器中接收信號，測定各聲學參數并記錄儲存[6]。發射、接收換能器放置于聲測管底，聲測管底標高應一致，同步提升直至完成整根樁長的檢測。遇到聲學參數異常部位，可通過水平加密、斜測、扇形掃測等方式加強檢測，進一步確定缺陷范圍。

（1）檢查聲測管是否暢通，避免因聲測管不暢通造成換能器卡住或換能器纜線拉斷，將發射、接收換能器分別放置于各剖面的兩根聲測管中，保持相同高度。換能器徑向應設置扶正器，確保換能器在管內居中，保證換能器在提升過程中不碰撞管壁。

（2）收、發換能器以相同的標高從聲測管底部開始同步提升，直到檢測到設計樁頂標高，超聲波檢測儀采集并記錄接收信號的時程曲線。

（3）按上述步驟對所有剖面進行檢測，當出現個別聲測管堵管時，可將接收與發射換能器放置于不同高度上，但兩個換能器的連線與水平面夾角不宜＞40°，當堵管長度過長時，可以結合其他方法，如鉆芯法進行完整性檢測。

（4）當平測檢測到樁身中有聲學參數異常時，應采用加密檢測，同時也可增加斜測、扇形掃測等檢測方式進一步確定缺陷范圍。

4 超聲波數據分析與判定

4.1 聲速判據

實測混凝土聲速值小于聲速臨界值時，判為聲速異常可疑缺陷區。

式中：

υi——第i測點的聲速值，km/s；

υD——聲速異常判斷的臨界值，km/s。

聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值減去2倍聲速標準差，即[2]：

式中：

——正常混凝土的聲速平均值，km/s；

συ——正常混凝土聲速的標準差，km/s；

υi——第i測點的聲速值，km/s；

n——測點數。

當一個檢測剖面中所有測點的聲速值普遍偏低，且離散性很小，用聲速低限值作為判據。當實測混凝土聲速值小于聲速低限值時，直接判定為異常。

式中：

υL——聲速低限值，km/s。

聲速低限值的確定：由同條件混凝土試件的抗壓強度與超聲波聲速對比試驗結果，同時結合本地區實際經驗確定。

4.2 波幅判據

波幅臨界值的確定：用波幅平均值減6dB，實測波幅值小于波幅臨界值時，判為波幅異常可疑缺陷區。

式中：

AD——波幅的臨界值，dB；

Am——波幅的平均值，dB；

Ai——第i測點相對波幅值，dB；

n——測點數。

4.3 PSD判據

采用PSD值作為超聲波的輔助異常判據，在某測點附近PSD值明顯變化時，將其判為可疑缺陷區。

式中：

ti——第i測點聲時值，μs；

ti-1——第i-1測點聲時值，μs；

Zi——第i測點深度，m；

Zi-1——第i-1測點深度，m。

規范對聲速和波幅給出了具體的判據算法，并做出了明確的規定，PSD判據、主頻和波形均未給出具體的量化判斷標準。

5 檢測數據分析

在樁基檢測過程中，應結合施工工藝，收集施工記錄和相關技術資料，綜合分析檢測數據，從而對樁身完整性作出準確評判。

如在改建鐵路鷹廈線華安城區段外移工程的樁基檢測過程中，檢測到一根檢測數據有異常的樁基，該樁樁長為17m，樁徑1.8m，混凝土標號為C35，埋設有4根聲測管。檢測波形見圖1。

圖1 檢測波形

從圖1波形可看出，所檢測的6個聲測剖面在11m和5m附近均有個別測點的波幅值低于波幅臨界值，樁身其它部位波形正常。該樁用低應變驗證，波形正常，無缺陷反射。查看施工記錄未發現異常情況，詢問現場灌樁技術人員和工人均表示施工過程一切正常。經過仔細分析，發現這兩個部位的缺陷有規律，11m處的缺陷距離樁底6m，5m處的缺陷距離11m處的缺陷也是6m。根據這個規律尋找原因，向施工單位總工詢問每根聲測管的長度及接頭施工工藝，了解到聲測管每根長度正好是6m，接頭用套管銜接。施工過程中，為了防止水泥漿滲入聲測管，在套管外用膠帶纏繞。這種接頭處理方式是引起缺陷波形出現的原因，套管外用膠帶纏繞，膠帶中可能存在空氣，膠帶以及膠帶中的空氣相當于樁身混凝土中的低強度區，導致超聲波波幅變弱。

因此，在樁基檢測過程中，應當多了解施工工藝，詢問現場施工人員施工情況，結合了解到的施工信息，綜合分析，才能準確判斷樁身完整性。

6 結束語

樁基工程是位于地下的隱蔽工程，樁基質量事關上部結構物的使用安全，一旦樁基出現事故，就可能導致重大的人身、財產安全事故，且樁基加固處理難度較大。因而樁基檢測是樁基質量把關中的一個重要環節，是工程領域的重大課題。實踐證明，超聲波透射法檢測技術是一項較為成熟、準確的檢測技術，在檢測樁基質量方面能發揮重要作用。但必須注意的是，該技術檢測結果一定要結合實際綜合分析，才能準確判斷樁身完整性。