超聲波樁基檢測ppt

1、基 樁 檢 測 的 常 用 方 法 之 一基 樁 檢 測 的 常 用 方 法 之 一超聲波法： 是在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，或單孔中發(fā)射，可以測出被測混凝土介質(zhì)的參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會波產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而達到接收換能器時，根據(jù)聲時、波幅及主頻等特征參數(shù)的變化來判別樁身的完整性。鑒于目前公路橋梁工程大量使用大直徑樁和超長樁，該方法將越來越多的使用在基樁的檢測中。l聲學理論l檢測技術(shù)l測試方法l工程實例l聲學基礎(chǔ)l聲波在介質(zhì)中的傳播速度l聲波在介質(zhì)界面上的反射與透射l聲波在傳播過程中的衰減l混凝土中的聲波特性一

2、、聲學基礎(chǔ) 1、波動 波動是物質(zhì)的一種運動形式，波動可分為兩大類：一類是機械波機械波，它由于機械振動在彈性介質(zhì)中引起的波動過程，例如；水波、聲波、超聲波等；另一類是電磁波電磁波，它是由于電磁振蕩所產(chǎn)生的變化電場和變化磁場在空間的轉(zhuǎn)播過程，例如無線電波、紅外線、紫外線、可見光、雷達波等。聲波聲波: : 是彈性介質(zhì)的機械波。人們所能聽到聲 波頻率范圍是2020KHz，即可聞聲波。 當聲波頻率超過2020KHz時，人耳就聽 不到了，這種聲波就叫超聲波，超聲波，其頻率范 圍是20K20K100MHz 100MHz ；當頻率低于20Hz的叫 次聲波，人耳也聽不到。各種聲波的頻率 范圍見下表。次聲波可聞聲

3、波超聲波特超聲波0202020K20K100M100M2、諧振動 物體在一定位置附近作來回重復(fù)運動稱為振動振動，例如擺的運動、汽缸中活塞的運動、彈簧振子的運動等，這些是可以直接看到的振動。又例如一切發(fā)聲體的運動、在高頻電壓激勵下壓電晶體的運動，這些是不易或不能直接看到的振動。 相互間由彈性力聯(lián)系著的質(zhì)點所組成的物質(zhì)，稱為彈性介質(zhì)彈性介質(zhì)。需要進行超聲檢驗的大量固體構(gòu)件都是彈性介質(zhì)。彈性介質(zhì)是由相互間用小彈簧聯(lián)系著的質(zhì)點所組成。如圖1-1所示。若這種介質(zhì)中任何一個質(zhì)點離開了平衡位置，則會產(chǎn)生使它恢復(fù)到平衡位置的力，這就是彈彈性力性力。 進一步來說明諧振動 可以用彈簧振子來說明諧振動。如圖1-2所

4、示，彈簧左端固定，右端系一物體。為使討論較為簡單，設(shè)彈簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力對運動的影響。設(shè)物體在位置0時，彈簧作用在物體上的力是零。這個位置就是物體的平衡位置，若把物體向右移動到位置B，這時彈簧被拉長，相應(yīng)地有指向左方即向平衡位置的彈性力作用在物體上，使物體返回平衡位置。當物體回到平衡位置時，彈簧的彈力等于零，但物體在返回時獲得了速度，由于慣性，它將繼續(xù)向左移動。當物體在平衡位置左邊時，彈簧被壓縮，物體所受彈性力是指向右方，即平衡位置。這時彈性力作用是阻礙物體運動，直至物體停止在位置C。在這以后，物體在彈性力的作用下向右移動，情況和上述向左移動相似。這樣，在彈簧的彈性力作用

5、下，物體在平衡位置的左右作重復(fù)運動，即振動。 取平衡位置0為X軸的原點，并設(shè)X軸的正向向右根據(jù)胡克定律，物體所受的彈性力F與物體位移x（即彈簧的變形量）的關(guān)系為： F=-kx (1.1) 式中：k彈簧的彈性系數(shù)； -力和位移的方向相反。 設(shè)物體的質(zhì)量為m根據(jù)牛頓第二定律（ ），它的速度為： (1.2)xmkmFamaF 因為k和質(zhì)量m都是常數(shù)，所以它們的比值可以用一恒量F表示,即： (1.3) 式中：角頻率或圓頻率。 代入上式，得： a=-a=-2 2x x (1.4) 從上式看出，上述振動的特征是：物體的物體的加速度和位移成正比且方向相反，這種振動稱加速度和位移成正比且方向相反，這種振動稱為

6、諧振動。為諧振動。物體在彈性力作用下發(fā)生的運動是諧振動。諧振動是最簡單最基本的振動。任何復(fù)雜振動都是由許多不同頻率的諧振動許多不同頻率的諧振動所合成的。2/mk因為 = ,又得： +2x=0 (1.5) 根據(jù)微分方程理論，上式的解為： x=Acos(t+x=Acos(t+ ) ) (1.6) 式中 A,兩個恒量； A振幅，它是質(zhì)點離開平衡位置的最大 位移； t+振動的相位。 這是諧振動中位移x和時間t的關(guān)系式，稱為諧振動的運動方程式，簡稱諧振動方程式諧振動方程式。 22dtxda22dtxd3、波的產(chǎn)生與傳播 在彈性介質(zhì)中，任何一個質(zhì)點機械振動時，因為這個質(zhì)點與其鄰近的質(zhì)點間有相互作用的彈性力

7、聯(lián)系著，所以它的振動將傳遞給與之相鄰近的質(zhì)點，使鄰近的質(zhì)點也同樣地發(fā)生振動，然后振動又傳給下一個質(zhì)點，依次類推。這樣，振動就由近及遠向各個方向以一定速度傳播出去，從而形成了機械波。從上述可知，機械波的產(chǎn)生，首先要有做機械振動機械波的產(chǎn)生，首先要有做機械振動的波（聲）源，其次要有傳播這種機械振動的介質(zhì)。的波（聲）源，其次要有傳播這種機械振動的介質(zhì)。例如，把石子投入平靜的水中，在水面上可以看到一圈圈向外擴展的水波。4、波的種類 波的種類是根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向的關(guān)系來區(qū)分的。它主要分為縱波、橫波、表面波縱波、橫波、表面波等。(1) 縱波：介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，這種波稱

8、為縱波，例如空氣、水中傳播的聲波就是縱波，如圖1-5所示?？v波又常稱“ P”波。 縱波的傳播是依靠介質(zhì)時疏時密（即時而拉伸，時而壓縮）使介質(zhì)的容積發(fā)生變形引起壓強的變化而傳播的，因此和介質(zhì)的容變彈性有關(guān)。任何彈性介質(zhì)（固體、液體、氣體）在容積變化時都能產(chǎn)生彈性力，所以縱波可以在任何固體、液體、氣體中傳播在任何固體、液體、氣體中傳播。 （3）表面波：固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力，使介質(zhì)表面的質(zhì)點發(fā)生相應(yīng)的縱向振動和橫向振動，結(jié)果使質(zhì)點作這兩種振動的合成振動，即繞其平衡位置作橢圓振動。橢圓振動又作用于相鄰的質(zhì)點而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，這種波稱表面波，常以“ R”表示。 圖1-7為表面波傳播示意圖。

9、圖中示出了瞬時的質(zhì)點位移狀態(tài)。右側(cè)的橢圓表示質(zhì)點振動的軌跡。由圖可知，質(zhì)點只在xy平面內(nèi)作橢圓振動而波在體表面（xz平面）沿x方向傳播。振動的長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。表面波傳播時，質(zhì)點振動的振幅隨深度的增加而迅速減小。當深度等于2倍的波長時，振幅已經(jīng)很小了，因此，表面波多用于探測構(gòu)件表面的情況。 5、波的形式 波的形式是根據(jù)波陣面的形狀來劃分的。如圖1-8所示，聲源在無限大且各向同性的介質(zhì)中振動時，振動向各方面?zhèn)鞑ァ鞑サ姆较蚍Q為波線；在某一時刻振動所傳到各點的軌跡稱為波前；介質(zhì)中振動相應(yīng)相同的所有質(zhì)點的軌跡稱為波陣面。在任一確定的時刻，波前的位置總是確定的，只有一個波

10、前，而波陣面的數(shù)目則是任意多的。 按波陣面的形狀可以把波分成平面波、球面波和柱面波。 （1）平面波：波陣面為平面的波稱為平面波，其振源是一個作諧振動的無限大的平面。另外，從無窮遠的點狀聲源（點源）傳來的波，其波陣面可視為平面，也可稱為平面波。 （2）球面波：波振面為球面的波稱為球面波，其振源是一個點狀聲源。 （3）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波，其振源是一無限長的直柱形。6、波動方程 用數(shù)學方程式來描述一個前進中的波動，即描述介質(zhì)中某質(zhì)點相對于平衡位置的位移隨時間的變化，該數(shù)學方程式為波動方程。由于諧振動是最簡單的振動，所以由它產(chǎn)生的余弦波是最簡單、最基本的波。因此，先討論余弦振動在

11、均勻介質(zhì)中傳播過程所形成的余弦波波動方程。 如1-9所示，設(shè)一平面余弦波在無吸收的無限均勻介質(zhì)中沿x軸的正向傳播，波速為0、設(shè)0為波線上任意一點，并取其為坐標原點y軸為振動位移，若0點處質(zhì)點作諧振動，從（1.6）式可知，其振動方程為： (1.7) 式中：A振幅；角頻率； y0質(zhì)點在時間t時離開平衡位置的位移。tAycos0 若是橫波，則位移方向與X軸垂直；如是縱波，則位移方向沿著X軸。設(shè)B為波線上另一任意點，離開原0的距離為x。因為振動從0點傳播到B點需要的時間為x/，所以B點處質(zhì)點在時間t的位置等于0點處質(zhì)點在時間(t-x)的位移，即 （1.8） )(cosvxtAy (18)式表示，在波線

12、上任意一點（距原點距離為x）處的質(zhì)點在任一瞬時的位移，即沿x軸方向前進的平面余弦的波動方程。 波在一個周期T內(nèi)（或者說質(zhì)點完成一次振動）所傳播的路程為波長，用表示。根據(jù)周期和波速的定義，三者關(guān)系為： =T (1.9) 因為周期T與頻率f互為倒數(shù)，所以(4.1.9)式也可寫為： (1.10) 這是波速、波長、頻率間的基本關(guān)系。 f 不同類型的波在傳播過程中速度各不相同，且其聲速還取決于固體介質(zhì)的性質(zhì)（密度、彈性模量、泊松比），所以聲速是表征介質(zhì)聲學特性的一個參數(shù)。另外，聲通的大小還與固體介質(zhì)的邊界條件有關(guān)。 1、縱波聲速 在無限大固體介質(zhì)中傳播的縱波聲速： (1.11) 式中：E 楊氏彈性模量；

13、 泊松比； 密度。 在有限固體介質(zhì)中傳播時，則形成制導波，其速度變小。 )21)(1 (1Evp)1 (212EGvs3、材料的彈性參數(shù)與聲速值 下表列出了部分材料的彈性參數(shù)與聲速值。 pspsps 通過對固體介質(zhì)聲速的討論可以看出： （1）介質(zhì)的彈性性能愈強即E或G愈大，密度愈小，則聲速愈高。 （2）把（1.11）、（1.12）兩式相除，得到縱、橫波速度之比： (1.13) 對于一般固體介質(zhì)大約在0.33左右，故p s2?；炷恋牟此杀冉橛?.20、0.30之間，因此ps介于1.631.87之間，即在混凝土中，縱波速在混凝土中，縱波速度為橫波速度的度為橫波速度的1.631.631.871.8

14、7倍。倍。 21)1 (2sp 聲波在無限大介質(zhì)中傳播只是在理論上成立。實際上任何介質(zhì)總有一個邊界。當聲波在傳播中從一種介質(zhì)到達另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分聲波被反射，仍然回到原來介質(zhì)中，稱為反射波反射波；另一部分聲波則透過界面進入另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波折射波（透射波）。聲波透過界面時，其方向、強度、波型均產(chǎn)生變化。這種變化取決于兩種介質(zhì)的特性阻抗特性阻抗和入射波的方向入射波的方向?，F(xiàn)分垂直入射和傾斜入射兩種情況來討論。 1、垂直入射（1）單一的平面界面 當平面波垂直入射到一個光滑平面界面時，將產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波和一個與入射波方向相同的透射波（圖1-10）

15、。這是波入射到界面上時最簡單的情況。 先討論入射波、反射波和透射波聲壓之間的關(guān)系。在界面上，用反射波聲壓pr與入射波聲壓p0的比值表示聲壓反射率R，即： (1.14) 用透射波聲壓Pd與入射波聲壓p0的比值表示聲壓透射率D即： (1.15) 界面兩側(cè)兩種介質(zhì)的特性阻抗分別為Z1和Z2。0ppRrodppD 2、傾斜入射 當聲波在一種介質(zhì)中傾斜入射到另一介質(zhì)界面時，將產(chǎn)生方向、角度及波形的變化。和光的傳播類似，聲波在界面上方向和角度的變化服從反射定律和折射定律，如圖1-11。21vvSinSini 以上情況可以在流體（氣體、液體）的分界面看到。在這種情況下，介質(zhì)中只有單一的波-縱波出現(xiàn)。 在固體

16、介質(zhì)分界面的情況則復(fù)雜一些。當一種波（例如縱波）入射到固體分界面時，不僅波方向發(fā)生變化且波型也發(fā)生變化，分離為反射縱波、反射橫波，反射縱波、反射橫波，折射縱波折射縱波和折射橫波折射橫波。各類波的傳播方向（即反射角與折射角）各不相同，如圖1-12所示。 各種類型波的傳播方向的變化亦符合幾何光學中的反射定律和折射定律。其數(shù)學表達式如下： (1.17) 1p,2p縱波在第一、二介質(zhì)中的傳播速度； ip,p， p 縱波入射角、反射角、折射角； S，S橫波反射角、折射角。ssppssppppSinvSinvSinvSinvSiniv22111 增大入射波的入射角，則折射波的折射角亦隨之增大。如果入射波是

17、縱波，且1pip,即折射角大于入射角。當ip增大，p也增大，當p90時，此時的入射角叫第一臨第一臨界角界角，用符號i 1；表示。顯然，當入射角大于第一臨界角時，第二種介質(zhì)中只有折射橫波存在，如圖1-13。這是一種獲得橫波的方法。 第一臨界角 (1.18) 當=90時，此時的入射角叫第二臨界角第二臨界角，用符號i 2表示，如圖1-14。 第二臨界角 (1.19) ppvvSini2111spvvSini2112 聲波在介質(zhì)中傳播過程中其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸減小的現(xiàn)象為衰減衰減。聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所使用的超聲頻率及傳播距離，也取決于被檢測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能性能。因此

18、研究聲波在介質(zhì)中的衰減情況將有助于探測介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。 致密、強度高的混凝土聲衰減系數(shù)小，相對接收波幅大；強度低或存在缺陷混凝土衰減系數(shù)大，相對接收波幅小。當混凝土質(zhì)量差或存在缺陷時接收到的聲信號中高頻已損失，頻率變低。 （2）脈沖超聲波不具有單一頻率而是所謂復(fù)頻波。 也就是說，這一組超聲波由許多不同頻率的余弦波組成。當然，它也有其固有的主頻率，這就是換能器上的標稱頻率。這種復(fù)頻超聲波復(fù)頻超聲波在有頻散現(xiàn)象的介質(zhì)中傳播時，各種頻率成分的波將以不同速度傳播，這就使得脈沖波形將隨傳播距離的增大而發(fā)生畸彎，變成如圖1-16所示，脈沖開始部分的頻率比后面部分要高，后面愈來愈平坦變寬。 由于聲波的

19、衰減與頻率有關(guān)，頻率越高衰減越大，因此在脈沖超聲波傳播時由于衰減將引起主頻率向低步側(cè)的漂移，即所謂頻漂。 l超聲波檢測混凝土缺陷的基本原理l超聲波檢測混凝土灌注樁完整性方法的適用范圍l超聲波檢測儀器與設(shè)備 采用超聲脈沖檢測混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術(shù)條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）的混凝土中傳播傳播的的時間時間（或速度）、接收波的振幅振幅和頻率頻率等聲學參數(shù)的相對變化來判定混凝土的缺陷混凝土的缺陷。 超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實度密實度有直接關(guān)系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝聲速高則混凝土密實土密實，

20、相反則混凝土不密實。當有空洞或裂縫存在時，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)過缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發(fā)生畸變。 根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學參數(shù)聲學參數(shù)測量值測量值和相對變化相對變化綜合分

21、析，判別其缺陷的位位置置和范圍范圍，或估算缺陷的尺寸尺寸。 在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，或單孔中發(fā)射并接收，可以測出被測混凝土介質(zhì)的聲學參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而到達接收換能器的聲時、波幅及主頻發(fā)生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數(shù)來判別樁身的完樁身的完整性。整性。 對跨孔透射法跨孔透射法，當樁徑較小時，聲測管間距也較小，其測試誤差相對較大，同時預(yù)埋聲測管可能引起附加的灌注樁施工質(zhì)量問題。因此，超聲波檢測方法適用于檢測直徑不小于直徑不小于800mm800mm的混凝土灌注樁的完整性，它包括跨孔

22、透射法跨孔透射法和單孔折射法單孔折射法。單孔折射波法是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對基樁的質(zhì)量要求，檢測鉆芯孔孔壁周圍的混凝土質(zhì)量。 用超聲波法檢測鉆孔灌注樁完整性的優(yōu)點在于結(jié)果準確可靠，不受樁長、樁徑限制，無結(jié)果準確可靠，不受樁長、樁徑限制，無盲區(qū)盲區(qū)（聲測管范圍內(nèi)都可檢測），（聲測管范圍內(nèi)都可檢測），可測樁頂?shù)涂蓽y樁頂?shù)蛷妳^(qū)強區(qū)和和樁底沉渣厚度，樁頂不露出地面樁底沉渣厚度，樁頂不露出地面即可檢即可檢測，方便施工，也可測，方便施工，也可粗略估測混凝土強度。粗略估測混凝土強度。 1、超聲波儀 超聲波儀是混凝土灌注樁缺陷檢測的基本裝置。它的作用是產(chǎn)生重復(fù)的電脈沖并激勵發(fā)射換能器。發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合進入

23、混凝土，在混凝土中傳播后被接收換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，電信號送至超聲儀，經(jīng)放大后顯示在示波屏上。自60年代開始生產(chǎn)第一代電子管超聲儀至今已發(fā)展為第四代智能數(shù)字式超聲儀，見下表： 超聲波儀的發(fā)展概況 表3.2-1 超聲波儀的發(fā)展概況 表3.2-1 超聲檢測系統(tǒng)應(yīng)包括三大部分：即接收信號接收信號放大器，數(shù)據(jù)采集及處理存儲器放大器，數(shù)據(jù)采集及處理存儲器和徑向振動換能徑向振動換能器器等。為了提高現(xiàn)場檢測及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的工作效率，保證檢測結(jié)果的準確性和科學性，聲波測試儀器必須具有實時顯示波形、分析功能實時顯示波形、分析功能及一發(fā)一發(fā)雙收等功能雙收等功能。聲波發(fā)射應(yīng)采用高壓階躍脈沖或矩形脈沖，其電壓最大

24、值不應(yīng)小于1000V，且分檔可調(diào)。數(shù)字式超聲波儀的基本工作原理框圖見圖2-1所示。 (1)儀器接收放大器頻率響應(yīng)范圍（頻帶）應(yīng)有足夠?qū)挾?，一般?200kHz，其下限不宜降低，否則不利于濾去因換能器絕緣性能降低而產(chǎn)生的低頻信號，造成自動判讀時丟波和錯判現(xiàn)象。增益不應(yīng)小于100dB，放大器的噪聲有效值不大于 2 s，波幅測量范圍不小于 80 dB，測量誤差小于1 dB 。 (2) 為滿足最大測距的要求，儀器的計時顯示范圍應(yīng)大于2000s，保證有足夠的掃描延遲時間及聲時顯示位數(shù)，并應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，聲時顯示調(diào)節(jié)在2030s范圍內(nèi)，2小時內(nèi)聲時顯示的漂移應(yīng)不大于0.2s ，且不允許發(fā)生間隔跳動。

25、(3) 儀器應(yīng)有較好的接收靈敏度（即對微弱信號的接收分辨能力）。一般要求接收靈敏度50，該參數(shù)取決于儀器的放大能力和信噪比水平，提高靈敏度可以加大穿透距離，提高對微弱信號的識別能力。為滿足混凝土試件聲速測量精度的要求，測時最小分辨度為0.5，計時誤差不大于2。 (4) 采集器模數(shù)轉(zhuǎn)換精度不應(yīng)低于8bit，采樣頻率不應(yīng)小于10MHz，最大采樣長度不應(yīng)小于32kB。 (5) 儀器宜具有示波屏顯示波形和游標測讀功能，以便較準確的測讀聲時、振幅及頻率等參數(shù)。若采用整形自動測讀時，檢測混凝土測距不宜超過lm（以軟件判別方法自動測讀的智能超聲儀除外）。 (6) 為了提高現(xiàn)場測試效率，儀器應(yīng)有自動測讀、信號

26、采集、存儲和處理系統(tǒng)，適于一般現(xiàn)場測試情況下的溫度、電源變化條件。 常用換能器按波型不同分為縱波換能器與橫波換能器，分別用于縱波與橫波的測量。目前，一般檢測中所用的多是縱波換能器。以發(fā)射和接收縱波為目的的換能器，又分為平面換能器、徑向換能器以及一發(fā)多收技能器，見圖2-2。 換能器的種類需根據(jù)被測結(jié)構(gòu)物的測試要求和測試條件確定。測樁所用的換能器應(yīng)是柱狀徑向換能器，其主頻宜為2550kHZ，長度宜為20cm。收、發(fā)換能器的導線均應(yīng)有長度標注，其標注允許偏差不應(yīng)大于10mm。為提高接收換能器的靈敏度，可在換能器中安裝前置放大器。前置放大器的頻帶寬度宜為550kHz。由于換能器在深水中工作，其水密性應(yīng)

27、滿足在1MPa水壓下不漏水。 換能器頻率的選擇需綜合考慮測距、聲波的衰減程度、測試精度等。測距越大，衰減越大，選用換能器的頻率越低；混凝土質(zhì)量越差，強度越低，齡期越短，對聲波的衰減越大，使用頻率越低；在滿足首波幅度測讀精度的條件下，宜選用較高頻率換能器。對于一般的正?；炷粒瑩Q能器頻率選擇可參見表2-2。 單孔檢測采用一發(fā)雙收一體型換能器，其發(fā)射換能器至接收換能器的最近距離不應(yīng)小于300mm，兩接收換能器的間距宜為200mm。3、聲測管 聲測管是進行超聲脈沖法檢測時換能器進入樁體的通道。它是灌注樁超聲脈沖檢測系統(tǒng)的重要組成部分。它在樁內(nèi)的預(yù)埋方式及其在樁的橫截面上的布置形式，將直接影響檢測結(jié)果

28、。因此，需檢測的樁應(yīng)在設(shè)計時將聲測管的布置和埋置方式標入圖紙，在施工時應(yīng)嚴格控制埋置的質(zhì)量，以確保檢測工作順利進行。 （1）聲測管的選擇，以透聲率較大、便于安裝及費用較低為原則?？紤]到公路基樁大多數(shù)是大樁、長樁，加上混凝土的水化熱作用及鋼筋籠安放和混凝土澆注過程中存在較大的作用力，容易造成檢測管變形、斷裂，從而影響檢測工作的順利進行。因此，聲測管應(yīng)采用強度較高的金屬管。 （2）聲測管常用的內(nèi)徑規(guī)格是5060mm。為了便于換能器在管中上下移動，聲測管的內(nèi)徑通常比徑向換能器的外徑大10mm；當對換能器加設(shè)定位器時，聲測管內(nèi)徑應(yīng)比換能器外徑大20mm。 （3）在聲波透射法檢測中，超聲波特征值僅與收、

29、發(fā)檢測管間連線兩邊窄帶區(qū)域 （聲測剖面）的混凝土質(zhì)量密切相關(guān)。當灌注樁的直徑增大時，每組聲測管間超聲波的混凝土檢測范圍占樁截面積比例減小，不能反映樁身截面混凝土的整體質(zhì)量狀況，因此，聲測管的數(shù)量及布置方法決定了樁身混凝土實際的檢測面積和檢測范圍，對直徑大的樁必須增加聲測管的數(shù)量。一般樁徑小于800mm時，沿直徑布置兩根聲測管，構(gòu)成一個聲測剖面；樁徑為 8001500mm時，應(yīng)按等邊三角形均勻布置三根聲測管，構(gòu)成三個聲測剖面；樁徑大于1500mm時，應(yīng)按正方形均勻布置四根聲測管，構(gòu)成六個聲測剖面，如圖2-3圖中的陰影區(qū)為檢測的控制面積。 （4）由于聲測管間距隨深度的變化難以確定，各深度處的聲速只

30、能采用樁頂二根聲測管的距離來計算，因此，為減少偏差必須將聲測管牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，并在相鄰聲測管之間焊接等長水平撐桿，保持管與管之前互相平行且定位準確。為避免產(chǎn)生漏漿、漏水和因焊渣造成管內(nèi)堵塞問題，聲測管不應(yīng)采用對焊方法連接，而應(yīng)采用螺紋連接，聲測管埋設(shè)至樁底并封閉，管口高出樁頂面300mm以上并加蓋。 （5）根據(jù)公路工程的特點和便于了解樁身缺陷存在的方位，聲測管埋設(shè)時宜將其中一根對準線路前行方向。以路線前進方向的頂點為起始點，按順時針旋轉(zhuǎn)方向進行編號和分組，每二根編為一組。 l測試方法l檢測數(shù)據(jù)分析與評定l樁身混凝土質(zhì)量評價l檢測報告1、檢測前的準備 （1）在檢測前應(yīng)進行現(xiàn)場調(diào)查，

31、多方面收集基樁的技術(shù)資料，如工程地質(zhì)資料、基樁設(shè)計圖紙和施工記錄、監(jiān)理日志等，了解施工工藝及施工過程中出現(xiàn)的異常情況，這對判定異常信號產(chǎn)生的真實原因十分有益。同時還應(yīng)根據(jù)調(diào)查結(jié)果和檢測的目的，制定相應(yīng)的檢測方案檢測方案。檢測方案包括：工程概況，目的與任務(wù)，方法與技術(shù)，儀器設(shè)備，檢測場地要求，檢測人員和時間安排，檢測報告等。 （2）檢測的時間應(yīng)滿足混凝土強度齡期的要求。為保證檢測結(jié)果的可靠性，同時考慮到混凝土在齡期14天后的超聲波波速等特性參數(shù)變化已經(jīng)趨于平緩，一般要求超聲波檢測混凝土灌注樁的齡混凝土灌注樁的齡期應(yīng)大于期應(yīng)大于1414天天。 （3）檢測前應(yīng)沖洗聲測管，以保證換能器在全程范圍內(nèi)升降

32、順暢。聲測管內(nèi)灌滿清水做為偶合劑，因聲測管中的渾濁水將明顯甚至嚴重加大聲波衰減和延長傳播時間，給聲波檢測結(jié)果帶來誤差。對利用取芯孔進行單孔超聲波混凝土質(zhì)量檢測，在檢測前也應(yīng)進行孔內(nèi)清洗，取芯孔的垂直度誤差不應(yīng)大于0.5。 （4）標定超聲波檢測儀從發(fā)射至接收儀器系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)延遲時間t0。將發(fā)、收換能器平行置于清水中的同一高度，其中心間距從400mm左右開始逐次加大兩換能器之間的距離，同時定幅測量與之相應(yīng)的聲時，再分別以縱、橫軸表示間距和聲時作圖，在聲時橫軸上的截距即為t0。為保證測試精度，兩換能器間距的測量誤差不應(yīng)大于0.5，測量點不應(yīng)少于5個點。 （5）用直徑明顯大于換能器的圓鋼疏通聲測管，

33、并記錄深度，準確量測聲測管的內(nèi)、外徑和兩相鄰聲測管外壁間的距離，量測精度為1mm。 2、測試裝置形式 灌注樁的測試裝置形式主要有： 1）水平同步平測，一對換能器分別置于兩個對應(yīng)聲測管中，位于同一高度進行測試； 2）等差同步斜測，一對換能器分別置于兩個對應(yīng)聲測管中，但不在同一高度，保持一定高程差進行測試； 3）扇形掃測，一對換能器分別置于兩個對應(yīng)聲測管中，保持一個換能器高度位置固定，另一個換能器以一定的高程差上下移動進行測試，如圖3-1。 3、檢測方法 （1）徑向換能器在水平方向具有一定的指向性，為了保證測點間聲場對樁身混凝土的覆蓋面，防止缺陷的漏檢，上、下相鄰兩測點的間距宜為250mm。測試時

34、，發(fā)射與接收換能器以相同標高同步升降，測試中，對收、發(fā)換能器所在的深度隨時校準，其累計相對高程誤差控制在20mm以內(nèi)，避免由于過大的相對高程誤差而產(chǎn)生較大的測試誤差。 （2）聲波透射法檢測混凝土灌注樁質(zhì)量中，聲時和波幅是兩個重要指標，其中波幅對混凝土內(nèi)部缺陷的反應(yīng)往往比聲時更具敏感性。在實際檢測中，波幅是一個相對量，而聲時又是根據(jù)波形的起跳點來確定的。因此，為了使不同位置處的檢測數(shù)據(jù)具有可比性和應(yīng)用價值，在同一根樁的檢測過程中，聲波發(fā)射電壓和放大器增益等參數(shù)應(yīng)保持不變，并進行等幅測試。 （3）對聲時值和波幅值的可疑點應(yīng)進行復(fù)測。對于聲時值和波幅值出現(xiàn)異常的部位，應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃

35、測等方法進行細測，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。其中水平加密細測是基本方法，而等差同步和扇形掃測主要用于確定缺陷位置和大小，其發(fā)、收換能器連線的水平夾角一般為3040。 （4）常規(guī)超聲波測試方法可以得到灌注樁沿樁長方向的粗略質(zhì)量分布情況。CT層析成像技術(shù)配有專門的分析軟件，適宜于對局部可疑區(qū)域或重要結(jié)構(gòu)進行重點加密細測，并可對樁身缺陷進行定量分析，其方法測試流程圖見圖3-2。 （5）同一根樁中有三根以上聲測管時，以每兩個管為一個測試剖面分別測試。并在測試過程中保持測試系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)不變。 目前樁身混凝土缺陷判別主要依據(jù)于實測聲速、波幅及其隨深度的變化曲線并根據(jù)聲速判聲速判據(jù)、

36、波幅判據(jù)據(jù)、波幅判據(jù)和PSDPSD判據(jù)判據(jù)綜合分析樁身質(zhì)量及混凝土缺陷程度缺陷程度。 1、判斷樁內(nèi)缺陷的基本物理量 在鉆孔灌注樁的檢測中所依據(jù)的基本物理量有以下四個： （1 1）聲速：）聲速：超聲波在混凝土中傳波的速度。當超聲波在傳播過程中遇到混凝土缺陷時將產(chǎn)生繞射，此時超聲波在混凝土中傳播的時間加長，計算出的聲速也降低。一般來說聲速指標比較穩(wěn)定，重復(fù)性好，數(shù)據(jù)有可比性，但對樁身缺陷反應(yīng)不夠敏感。 （2 2）波幅：）波幅：超聲波在缺陷界面產(chǎn)生反射、散射，能量衰減，波幅降低。采用波幅指標進行缺陷判斷時，要求波幅值有可比性。即儀器、換能器、信號線等測試系統(tǒng)不變，發(fā)射電壓、采樣頻率等測試參數(shù)不變，測

37、距相同，測試角度相同，這樣的測試數(shù)值才有可比性。波幅變化受表面耦合狀態(tài)的影響較大，因此應(yīng)保持傳感器與混凝土灌注樁之間有良好的耦合狀態(tài)。波幅變化對樁身缺陷的反應(yīng)就比較很敏感。 （3 3）主頻（或頻譜）：）主頻（或頻譜）：超聲脈沖是復(fù)頻波，具有多種頻率成分，當它穿過混凝土后，各頻率成分在遇到缺陷時衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴重，因而使接收信號的主頻率向低頻端漂移（頻移）。（4 4）波形畸變：）波形畸變：由于超聲脈沖在缺陷界面反射和折射，形成波線不同的波束，這些波束由于傳播路徑不同，或由于界面上產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換而形成橫波等原因，使得到達接收換能器的時間不同，因而使接收波成為許多同相位或不同相位

38、波束的疊加波，導致波形畸變。實踐證明，凡超聲波在傳播過程中遇到缺陷，其接收波形往往產(chǎn)生畸變，所以波形畸變可作為判斷缺陷的一個參考依據(jù)。但是，波形畸變的原因很多，某些非缺陷因素也會導致波形畸變，運用時應(yīng)慎重分析。關(guān)于波形畸變后采取怎樣的分析技術(shù)，還有待進一步研究。 2、聲時修正值的計算 當聲波從某一聲測管傳播至另一聲測管時，將通過耦合的水和金屬聲測管，因此必須進行聲時修正。其聲時修正的計算公式： (3.1) 式中：t聲時修正值（s）； D聲測管外徑（mm）； d聲測管內(nèi)徑（mm）； d換能器外徑（mm）； t預(yù)埋聲測管的聲速值（km/s）； w 水的聲速值（kms）。 對鋼質(zhì)聲測管，波速一般可取

39、5800ms；20C時水的聲速可取1480m/s。wtvddvdDt3、聲時初讀數(shù)的計算 超聲波在預(yù)埋聲測管之間傳播，所測得的走時包括：超聲系統(tǒng)聲時初讀數(shù)、超聲波在聲測管的耦合水里傳播的聲時、超聲波在聲測管中傳播的聲時、超聲波在混凝土中傳播的聲時。為了準確計算灌注樁的混凝土波速，應(yīng)對實測聲時讀數(shù)進行預(yù)處理，一般采取實測聲時減去聲時初讀數(shù)的方法，獲得超聲波在混凝土中傳播的實際聲時。該聲時初讀數(shù)的計算公式是： (3.2) 式中：t0超聲系統(tǒng)聲時初讀數(shù)； t聲時修正值（s）。ttt0004、聲時、聲速和聲速平均值 聲時、聲速和聲速平均值應(yīng)按下列公式計算，并繪制聲速-深度曲線、波幅-深度曲線。 (3.

40、3) (3.4) (3.5) 式中: ti超聲波第i測點聲時值（s）； t0聲波檢測系統(tǒng)延遲時間（s）； i第i個測點聲速值（kms）； l兩根檢測管外壁間的距離（mm）； m混凝土聲速平均值（kms）； n 測點數(shù)。 )(0ttttitlviniimnvv1 鑒于目前所用的換能器頻帶窄和用頻率判定樁身混凝土缺陷的方法還不成熟。因此，未將聲波頻率-深度曲線作為樁身混凝土完整性的主要判定指標之一。5、單孔折射法 為了測試單根聲測管或驗證取芯孔周圍的混凝土質(zhì)量，往往采用一發(fā)雙收的一體化徑向還能器。測試時，其聲時、聲速值應(yīng)按下列公式計算： (3.6) (3.7) 式中：i 第i測點的聲速值（km/s

41、） t 兩個接受換能器間的聲時差 (s); t 近道接收換能器聲時(s); t2 遠道接收換能器聲時(s); h 兩個接收換能器間的距離（mm）。12ttTthvi1、強度評價 混凝土強度的評價是建立在波速與混凝土物理力學指標之間相關(guān)性的基礎(chǔ)上。聲速可通過混凝土彈性模量與其力學強度的內(nèi)在聯(lián)系，與混凝土抗壓強度建立相關(guān)關(guān)系，并推定混凝土的強度。表3-1表示混凝土強度與聲速之間的相關(guān)關(guān)系混凝土強度與聲速之間的相關(guān)關(guān)系。 當聲速小于3500ms時，說明混凝土質(zhì)量較差。 在恒定泊松比情況下，混凝土彈性模量與壓縮波速度的經(jīng)驗關(guān)系如圖3-3所示，混凝土的抗壓強度與彈性模量的關(guān)系如圖3-4所示。在已知混凝土

42、構(gòu)件的彈性波速度層析圖后，根據(jù)圖3-3可換算出混凝土的彈性模量，再根據(jù)圖3-4可換算出混凝土的抗壓強度并評定混凝土的質(zhì)量評定混凝土的質(zhì)量。 目前，在國內(nèi)一般采用統(tǒng)計方法建立專用曲線或數(shù)學表達式，如 兩種非線性的數(shù)學表達式，其中e為動彈性模量，v為波速， 為立方體抗壓強度，A、B、C為經(jīng)驗系數(shù)。 BVccuBccuAefAvf和ccuf2、樁身混凝土缺陷聲速判據(jù) 聲速臨界值的確定基于概率法，即無缺陷的混凝土聲速測值雖因其本身的不均勻性造成一定的離散性，但符合正態(tài)分布；由缺陷造成的低聲速值-異常值不符合正態(tài)分布。因此，確定臨界值時必須采用正?；炷恋穆曀倨骄导皹藴什睿駝t，求得的聲速平均值將偏小

43、，易造成漏判。同時還應(yīng)分析考慮聲測管間不平行產(chǎn)生的誤差影響。 聲速是材料的基本物理量之一，它與混凝土強度相關(guān)，實測聲速應(yīng)大于或等于聲速低限值。聲速低限值由同條件混凝土試件做強度和速度對比試驗，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗確定。聲速低限值相對應(yīng)的混凝土強度不宜低于0.9R（R為混凝土設(shè)計強度），若試件為鉆孔芯樣，則不宜低于0.85R。 當實測混凝土聲速值低于聲速臨界值聲速值低于聲速臨界值時應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)可疑缺陷區(qū)。 (3.8) 式中：i第i個測點聲速值（km/s）; D聲速臨界值(km/s);Divv 聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值正?；炷谅曀倨骄蹬c2 2倍聲速標準差倍聲速標準差之差，即： (3.

44、9) (3.10) (3.11) 式中：D 聲速臨界值（km/s）; 正常混凝土聲速平均值(km/s); 正?；炷谅曀贅藴什睿?i 第i個測點聲速值(km/s) n 測點數(shù)。vDvv2niinvv1niivnvv121)(v 當檢測剖面n個測點的聲速值普遍偏低且離散性很小時，宜采用聲速低限值判據(jù)。即實測混凝實測混凝土聲速值低于聲速低限值時，可直接判定為異常土聲速值低于聲速低限值時，可直接判定為異常。 (3.12) 式中：i第i個測點聲速值(km/s); L聲速低限值(km/s)。 聲速低限值應(yīng)由預(yù)留同條件混凝土試件的抗壓強度與聲速對比試驗結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)實際經(jīng)驗確定。Livv 3、樁身混凝土

45、缺陷波幅判據(jù) 波幅是相對測試，也曾有人試圖用概率統(tǒng)計理論來確定臨界值，但由于樁身混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變異性很大而難以找出較強的波幅統(tǒng)計規(guī)律性，因而實際中多是根據(jù)實測經(jīng)驗將波幅值的一半將波幅值的一半定為臨界值。定為臨界值。 用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值，當實測波幅低于波幅臨界值實測波幅低于波幅臨界值時，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。 (3.13) (3.14) 式中：A波幅臨界值（dB）； Am波幅平均值（dB）； Ai第i個測點相對波幅值（dB）。 6mDAAniimnAA1 PSD 法是基于缺陷處聲時的變化引起聲時深度曲線的斜率明顯增大，而聲時差的大小又與缺陷程度密切相關(guān)，因此兩者之積對缺陷的反映

46、更加明顯，即 (3.15)()(11iiiittHttTKPSD 采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當PSDPSD值在某值在某測點附近變化明顯測點附近變化明顯時，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。 (3.16) 式中：ti第i個測點聲時值（s）; ti-1第i個測點聲時值(s); zi第i個測點深度(m); zi-1第il個測點深度（m）。121)(iiiizzttPSD5、混凝土聲速、波幅和 PSD值出現(xiàn)異常 對于混凝土聲速和波幅值出現(xiàn)異常并判為可疑缺陷區(qū)的部位，應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃測等方法進行細測，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。 對聲速、波幅和 PSD值超越臨界值異常或突變時

47、，應(yīng)對缺陷處進行細測。同時結(jié)合波形、施工工藝和施工記錄等有關(guān)資料進行綜合分析，以確定樁身混凝土缺陷的位置和程度。當聲速普遍低于低限值時，應(yīng)通過鉆孔取芯法檢驗基樁的混凝土強度。6、支承樁或嵌巖板 對支承樁或嵌巖樁，宜同時采用低應(yīng)變反射波法檢測樁端的支承情況。 由于超聲波只能檢測樁身部分的混凝土質(zhì)量，對于支承樁或嵌巖樁，宜同時采用低應(yīng)變反射波法檢測樁端的支承情況，確?；鶚冻休d力滿足設(shè)計要求。 7、樁身完整性類別判定 類樁：類樁：各聲測剖面每個測點的聲速、波幅均大 于臨界值，波形正常。 類樁：類樁：某一聲測剖面?zhèn)€別測點的聲速、波幅略 小于臨界值，但波形基本正常。 類樁：類樁：某一聲測剖面連續(xù)多個測點或某一深度 樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值， PSD值變大，波形畸變。 IVIV類樁：類樁：某一聲測剖面連續(xù)多個測點或某一深度 樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界 值，PSD值突變，波形嚴重畸變。 試驗檢測報告應(yīng)包含下列內(nèi)容： 1工程地質(zhì)勘察報告； 2工程樁位平面圖； 3