超声波作 业 指 导 书.docx

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超声波作业指导书

作业指导书

（超声波检测）

编写：

审核：

批准：

生效日期：

年月日

第1版第0次修改

管理类别受控非受控.

二OO八年十一月

作业指导书

1.检测方法及适用范围

超声波法：

基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在材料和结构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接收和记录下来的波动信号，来确定岩土介质和结构的力学特性，了解它们的内部缺陷。

本方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。

适用于水利、矿业、交通、铁道、市政等地下工程。

2.检测依据标准

中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003。

3.检测的目的

检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。

4.检测原理

一、波动方程：

由弹性力学可知，经过静力学、几何、物理三方面的综合以后，可以得出拉密运动方程。

当不计体程时，该方程可表示为：

（1-1）

其中：

（1-2）

（1-3）

（1-4）

式中：

、G——拉密系数

——本积应变

、v、w——分别为质点在X、Y、Z方向的位移

——介质密度

代号

是拉普拉斯算子：

由拉密运动方程式（1-1）出发，可以导出纵波（P）与横波（S）的波动方程，下面讨论这两种波的传播速度。

1.纵波

质量振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。

设

则拉密运动方程可写成：

或写成

（1-5）

（1-6）

其中，式（7-5）为无限弹性介质中纵波的波动方程，即为纵波的传播速度，如将

和G用E和

表示，则可得出：

（1-7）

2.横波

质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。

设

则拉密运动方程式（7-1）变为：

（1-8）

或写成

（1-9）

其中

（1-10）

式（7-9）即为无限弹性介质中横波的波动方程，VS即为横波的传播速度，如用E，

表示，又可写成

（1-11）

3.一维波动方程

对于一根混凝土桩，当桩的长度L远远大于桩的直径D时，即L>D时，可把桩看成是具有侧限约束（围压）的杆系结构。

在桩顶施加一个初始扰动力（锤击一下），弹性波立即从桩头沿桩身往桩底传播，并满足一维波动方程。

在一维情况下，拉密方程变为：

（1-12）

（1-13）

式中VB——波速；

u——轴向位移；

x——轴向坐标；

t——时间。

一维波动方程的解为：

（1-14）

式中

——分别为初始位移、初始应变和初始速度；

、

——自变量的任意函数，分别对应入射波和反射波。

比较VP，VS和VB三式，不难看出：

故有VP>VB>VS，即纵波速度总是大于横波速度，因此，纵波又称P（Primary）波，意即初始波，因其波速VP最快；横波又称S（Secondary）波，意即次波，因此波速VS最小。

由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波在介质中传播的速度也不同。

这样，如用人工（爆破、锤击等）发生弹性波，并设法用接收仪表测定其波速，则可以用来判别岩体的特性及状态（如坚硬或松软，裂隙与完整等）以及混凝土桩基的完整性和承载力等，这就是工程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。

实测时，由于s波的发生和接收都比较困难，以及其它原因，故多以测P波为主。

所谓P波也就是声波，因此，弹性波探测又称为声波探测。

它在各个工程领域内已得到广泛的应用。

二、波的反射与透射：

当弹性波在传播过程中遇到介质突然变化的界面时（如岩体中的节理、裂隙和断层等；岩石与混凝土的界面，基桩的桩底、桩身的夹泥薄层、断裂、严重扩颈和缩颈等），将会产生反射和透射，这是因为波动方程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。

现考察图1-1，并分析反射和透射的特点。

当振幅为Ao的

纵波入射到界面R上时，为了满足边界条件，会产生振幅为A1的反射纵波、振幅为A2的透射纵波、振幅为B，的反射横波和振幅为B2的透射横波，它们之间的关系由斯奈尔定律决定，即

（1-15）

式中

——纵波入射角和反射角；

——纵波透射角；

——分别为界面上下两种介质的纵波速度，

——分别为界面上下两种介质的纵波速度；

——分别为界面上下两种介质的横波速度；

图1-1波的反射与透射

在桩基质量检测时，满足一个特殊的边界条件，即桩顶锤击时，平面波垂直入射（

=0），当弹性波从桩顶往下传播时，碰到弹性性质突然变化的界面时，不产生波的转换，仅有反射波和透射波的存在，而不存在反射横波和透射横波，即B1=B2=0，故得反射系数为

（1-16）

式中A、A0——分别为反射纵波和入射纵波的幅值，

、V1、

、V2——分别为第一层介质和第二层介质的质量密度和纵波速度；其积为波阻抗。

透射系数为

（1-17）

式中，A2一透射纵波幅值。

由式（1-16），虽然，反射系数n的取值范围一1≤n≤l。

反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的多少，说明界面上能量的分配问题，而反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差。

波阻抗差越大，n越大，反射波的振幅也越大；反之，反射波的振幅就小，当

时，则不产生反射。

§1.2声波探测技术

岩体中往往包含有各种层面，节理和裂隙等结构面，岩体中的这些结构面在动荷载作用下产生变形，对岩体中的波动过程产生了一系列的影响，如反射、折射、绕射和散射等。

这样，岩体界面起着消耗能量和改变波的传播途径的作用，并导致岩体波的非均质性及方向异性。

因此，岩体结构影响着岩体中弹性波的传播过程，也就是说岩体弹性波的波动特性反应了岩体的结构特征；所以，弹性波探测技术已成为工程岩体研究中一项有效而简便可靠的手段。

岩体在动应力作用下产生三种弹性波，即纵波（P波）、横波（S波）和面波（R波）。

它们的传播可以用波速、振幅、频率和波形来描述。

目前采用的弹性波测试主要是纵波波速，其次是横波波速，并开始注意研究它们的振幅特性和频率特性。

由现场和试验室研究表明，弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度和含水量等有关，具有如下规律：

（1）弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降，这与波速理论公式相符。

（2）岩石越致密，岩体声速越高。

波速公式中，波速与密度成反比，但密度增高，弹性模量将有大幅度的增高，因而波速也将越高。

常见的几种完整岩石的波纵波波速为：

变质岩5500~6000m/s，火成岩、石灰岩及胶结好的砂岩为3000～5500m/s：

沉积岩、胶结差的碎屑岩为1500~3000m/s。

（3）结构面的存在，使得声速降低，并使声波在岩体中传播时存在各向异性。

垂直于结构面方向声速低，平行于结构面方向声速高。

（4）岩体风化程度大则声速低。

（5）压应力方向上声波速度高。

（6）孔隙率n大，则波速低，密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。

声波振幅同样与岩体特性有关，当岩体较破碎、节理裂隙发育时，声波振幅小，反之，声波振幅较大。

垂直于结构面方向传播的声波振幅较平行方向为

小。

5.仪器设备及管理

5.1岩体声波探测的全过程是声波发射，传播及接收显示后处理，其相应的仪器有发射换能器，接收换能器，RSM—SY7声波仪。

1、声波换能器

换能器是声电能量的转换器件，俗称探头。

换能器一般利用压电陶瓷晶体的压电效应原理工作。

其中发射换能器是将声波仪发射机输出的具有一定功率的电信号转换成声信号发射到岩体中，它的工作原理是利用晶体的逆电压电效应。

而接收换能器是将岩体中传播的声信号转换成电信号，输入到声波仪接收机的输入系统中，其工作原理是利用晶体的压电效应。

因实测中对换能器和频率、频带，工作方式的要求不同，因此做成了具有不同结构和不同振动方式的压电换能器，目前我国生产的压电系列换能器见表1一l，增压式换能器的构造如图l--2所示，它的外形为圆杯形，适合于在钻孔内进行测试，具有轻便和灵敏高等特点。

图1—3和图1—4是用于岩石试件测试的小型换能器。

仪器的主要技术性能：

●前置程控放大器：

增益

、

、

、1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000、5000、10000倍（一20～80ab）定点或浮点放大可程控带宽：

1KHz~500KHz

●模拟滤波器：

高通：

10Hz、1KHz、bi

低通：

2KHz、10KHz、50KHz、500KHz四档

●触发电路：

触发方式：

连击状态，外同步（EXT）、内同步（1NT）

单击状态，信号自同步、键盘触发（适于稳态）

触发电平：

20、40、80、160、320、640、1280、2500mV可选

触发延迟（或前置）：

人工预设或按信号初至自动寻找l、2—65536个采样周期

●模—数转换器：

采样间隔；0.1

~6553

幅值分辨率，12位1／2LSB

每道采样长度：

0．5K、1K、2K、4K、8K、16K可选

●声波发射电路：

发射电压：

300伏／800伏可选

发射脉宽：

0.1、0.2、10、20（S）

同步信号输出：

TTL电平负脉冲，有以控制外置振源

●串行通讯口：

标准RS--232，波特率57600bps／19200bps可选

●计算机系统配置：

586真彩笔记薄式计算机、便携式喷墨打印机

●电源电压：

～220伏AC或+12伏DC交直流两用（配有+12V可充电电池）

●整机功耗；约5瓦

●采集仪重量：

约3公斤

●工作温度；一10℃～+40~2

●结构：

分体式与一体式两种

5.2对检测设备及传感器的要求：

5.3仪器设备的管理

①仪器设备进出库应进行登记，并确认完好状态。

②设备使用时进行维护并填写日常运营保养记录。

5.3常用设备为：

①数据采集：

作为通用性软件，本程序可以实现RSMSY7非金属超声波检测仪硬件系统所支持的所有指标。

a.触发方式：

INT（内触发），EXT（外融发），CHl（信号触发）

b.触发阈值：

20mV，40mV，80mV，160mV，320mV，640mV，1280mV，2560mV

c.记录通道；CH1，CH1和CH2

d.记录长度；0.5k，1k，2k，4k，8k，16k

e.采样周期：

0.1

~6553.5

f.延迟时间：

（一32768~+32767）×采样周期

g.脉宽：

0.2

~6553.5

h．增益：

自动，0.1～10000倍（一20dB~80dB）

i.低通：

ZkHz，10kHz，50kHz，500kHz

j.高通：

0.01kHz，0.1kHz，5kHz，20kHz

k．发射电压：

300V，800V

②波形显示：

本程序提供灵活、方便、实用的波形显示功能。

a.显示波形区域1％，2％，5％，10％，20％，50％，100％。

用以进行波形的局部观察。

b.实时频谱显示；加余弦窗的可细化功率谱。

c.波形加权叠加显示；用以提高信噪比的任意次加权叠加。

d.小波形压缩与平移。

e．绝对坐标轴：

给出数据点对应的准确时间值。

③测点位置自动定位功能（参见§5．测点自动定位与记录参数）

④可实时读取的参数：

a，测点自动定位系统确定的测点坐标，跨距。

b．声时，声速，声幅，一发双收声速，主频，弹性模量，强度。

⑤数据存储与读取：

以波列或波形的方式存储或读取数据。

a.波形方式：

一个波形文件用以存