混凝土声波检测的几种工作方法Word下载.docx

1、水下浅地层剖面金属探伤铸件及锻件、焊缝、钢轨、钢管、钢板等非金属探伤涂层厚度、医疗诊断等开关、防盗等折岩体结构划分（单孔测井一发双收）岩体风化壳划分与评价、岩体软弱结构面、断层破碎带划分、提取横波声速、含水层划分、固井质量混凝土损伤层厚度、隧道喷射混凝土厚度声 波（ f20kHz ）稳态面波测试地质分层、溶洞、洞穴、古墓、混凝土厚度及缺陷瞬态面波测试点火花透射测试溶洞、裂缝、塌陷、结构CT成像、岩体完整性系数冲击回波测试（ImpactEcho简称IE法）基桩完整性、基桩桩身倾斜路面厚度、跑道厚度、隧道衬砌厚度、楼板厚度隧道开挖前方不良地质体预报、矿山安全、混凝土裂缝被动式声波检测（f=0.11

2、106Hz）声发射观测（Acoustic Emission）地质灾害预报、矿井岩崩预报、金属容器探伤地脉动观测地层自然谐振周期、推断地质构造地声监测滑坡、泥石流、岩崩地质灾害预报 测试前的准备工作。确定换能器的频率，换能器选择的主要指标是频率，以及由频率计算出的波长应满足小于混凝土样横向垂直声线方向尺寸的倍，考虑到接收信号的主频率会低于发射频率，因此要求（），同时要求（为混凝土平均粒径）。反过来确定换能器的频率，（）/。混凝土样品的测试，在声速可以穿透的情况下尽量选用频率高一些的换能器，因为这时会有好的指向性。例如的纵波换能器，在声速为4000/Sec的混凝土中，其波长，而换能器的辐射面约，其

3、线度已大于波长4倍，指向角约35已表现出一定的指向性，有利于发射声波的能量充分传播至接收点。此外，为保证换能器是良好的，有一定的电声，和声电转换效率，其收发传输效率大于%。 系统的校零。在测试之前，必须测试发射换能器、电路、接收换能器的系统延时值。，故每更换一次换能器需重复此相工作一次。的测试方法最简单的是对接法，即将收发换能器的辐射面间加黄油或凡士林作为偶合剂，并相互紧贴，将发射能量调到最小，读取这时的声时，即为。此外尚有标准棒法，即一个一定长度的铝棒或有机玻璃棒，事先在精密仪器上标定了它的声波传播时间时，只需将此标准棒的声波传播时间测试一下，肯定所测之值要大于n，如果是m,则0mn，n值已

4、在棒上标出，故0可以获取。当然还有长短棒法，即取同一段有机玻璃棒其直径应不小于50，截取25、50、75、100、120数段，分别用仪器依次测取其声波传播时间，如为、，即可做时距曲线，或进行一元线性回归，即可测得值，如果能够做到每次的偶合状态均达到最佳，那么所测得的值，基本上与对接法相一致，其相互间的误差仅在0.1微秒内，即相当于一个偶合油层的声波传波时间。 测取混凝土样品尺寸，一般可采用卡尺，其精度在0.02可满足要求，但对加工面是否平行应加考虑，方法是采取对混凝土样的两测试面间，改换角度多次测量，以求得两被测面中心点至中心点间的距离。混凝土超声波的判读与处理：我们主要通过波的到时，以及频率

5、、周期、振幅、相位等定性定量数据，借以研究混凝土结构和岩体的基本物理力学性质。.获得波形剖面的方法。 详细了解并掌握声波检查仪性能，充分利用仪器的某些特殊设计，如改变脉冲的宽度和输出发射电压的大小等。 详细了解并掌握换能器的声波指向性，适当选择并安放收发 换能器的位置及倾斜角度。 根据研究目的和波形特点，适当选取收、发探头的频率。 换能器的电声及声电转换效率与换能器的输出输入阻抗匹配情况有很大影响。应采用磨平探测点混凝土表明或加偶合剂的办法来改善换能器与混凝土的偶合状态。 选择最佳的观测系统。 消除干扰波。通过实测取得一张完整的波形剖面图后，就要对剖面进行震相辨认，区分出直达纵波、直达横波、反

6、射波、折射波及其它各种转换.8-1 透射法实测波形图。波的到时及波形特点，并计算波速和研究各类波的所携带的有用信息。图8-1 透射法实测波形图。从图上可以 看出：由时标可分别计算发射脉冲到接收探头之间纵波的初至点及时间间隔，从而计算波速。波形分析及震相的识别是在工作一开始就要考虑的问题，这一工作贯穿在整个声波测试工作的始终。如在选用探头和探头的安装上就应考虑到突出被测震相，其次要了解各类波的震相特点和利用各类波的对比才能加以识别。纵波初至时间的测定应尽量增大放大器的增益，这样找到的波形起跳点“干净”。在增大放大器的增益时，噪声也将随之放大，测定起跳点时，应避免噪声的干扰等产生的误差。在有高频成

7、分干扰P波初至时，最好采用高频包络线与基准线（0线）的交点作为初至时刻。当纵波P的初动不明显或初动反向时，需要根据震相特点及波速，波速比等诸因素认真研究。同时改变探头的偶合条件和倾斜方向，力争使各测点初动方向一致。横波初致时间的确定：由于S波的初致时间较晚，基本在P波的续至区及其它界面波的干扰区内，因此S波的初至的测定是比较困难的。根据经验我们认为可采用如下措施： 把放大器的增益尽量减少，使P波振幅几乎小到与水平基线重合的程度，这时在波列图上只能见到S波的振幅，这样可以大体上确定S波的起点。然后，在加大增益，细找S波的起始点。一般情况下在S波大振幅前面去找周期、振幅、相位与P波列不同的属S波初

8、至的震相。也可根据纵横波速比值及理论时距曲线法查找初致。 空气中声速的测试取常用平面换能器一对，接于声波仪上，开机预热30min，在空气中将两换能器辐射面对准，在变动两辐射面彼此相隔距离的情况下（如0.1m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m），将接收信号尽可能放大，通过调节微机按键测出相应于各间距的声时t1，t2，t3.。测量时应注意：换能器间距的测量误差应小于或等于0.5%；换能器宜悬空相对，若置于地板及桌面上时，需在换能器下面垫以海绵块。计算空气的声速：以换能器距离为纵坐标，声速读数为横坐标，将各组数据点绘在直角坐标图上，各点应在一直线上。在坐标纸上画

9、出该直线，并算出直线斜率；即为空气声速实测值v。.2.声波探测的基本方法 声波在均匀的固体介质中传播时，特别是在金属中定向传播过程中，实际上并没有什么衰减，而在金属与空气界面上则几乎全被反射回来这就是利用声波来检测金属零部件均匀性和零件内是否有气孔、裂缝铸造等缺陷的物理基础而混凝土超声探测亦是根据这一原理来研究混凝土的结构形态目前比较成功的方法有以下几种类型：（1）用超声波通过混凝土来判断混凝土内部结构的方法，叫透射法或穿透法（2）用声波所产生的回波信号来研究混凝土内部结构及裂缝位置及波速叫反射法（3）用声波的界面滑行波来研究岩体的下伏界面速度及界面位置的方法叫折射法（4）用钻孔来了解混凝土内

10、波速及结构特征随深度的变化，称为孔中测定法。下面分别介绍各种方法工作的特点及使用条件透射波（直达波）法：混凝土超声波透射法，是一种简单而效果又是最好的探测方法采用透射法发收、换能器机电，电机转换效率高，因而在混凝土中的穿透能力相对较强，传播距离相对较长，可以扩大探测范围。透射波法可以获得较反射波法大几倍，较折射波法大几十倍的能量，因而波形单纯、清楚、干扰较小，初至清晰，各类波形易于辨认。透射波法要求发射探头和接受探头之间的距离必须能够准确丈量，否则计算出来的误差值较大，反而影响了测量的精度。有时混凝土间的距离不易丈量，这时可采用多点测定。 如图82假定混凝土是均匀的，在混凝土壁上发射，在另一测

11、接收，OA垂直于混凝土壁，（如果不知是否垂直，可在混凝土壁上、下左右测定一些点，找出纵波走时最小 的点（A），这时最好采用优选法寻找）。也可以通过A点作一测线BC或DE，假定ABX则：VtaOA Vtb=OBOA2x2 （OA）2（Vtb）2x2则：（Vtb）2x2（Vta）2 X2 V=tb2-ta2从而可以求出混凝土壁内的速度。如果OA线并不垂直于岩壁，则也可以过A点以X作图测定B、C、D、E各点的到时，然后利用余弦定理，进行计算，寻找A点，如图8-3所示当rc等于rb时a90，如果固定C点，则不断移动并测试B、A或D、E各点就可以找出垂直于BC及DE线的OA线，并确定A点，如图83从而可

12、以迅速的求出穿透混凝土壁的超声波速度。 当被测对象较破碎，或存在张裂缝时岩体对声波的衰减系数较大，以及做大距离测试，可采用锤击法。这时接收仍可采用单片弯曲式换能器接收，其谐振频率以10千赫左右为宜。因为在混凝土上加板的激发频率主频约在数千赫。鉴于这时所测声时值较大，发射到接收的系统延时值在数微秒，可忽略，顾不在计较to的值。2.反射波（回波）法、用发射、接收换能器检测混凝土质量。超声波在混凝土中传播时，所遇到的每个波阻抗面上，都将发生反射透射现象，在有几个波阻抗面存在时，则在每个界面上都将发生反射和透射。这样我们在混凝土表面上可以观测到一系列依次到达的反射波如图84所示，为多层界面反射透射示意

13、图。 反射波的强度不仅与入射波的强度有关外，而且决定界面的反射系数，即决定两种介质的声阻抗。声波在介质中传播过程中，由于波前的发散作用和凝滞及阻尼等吸收作用，波内稀疏部分与压缩部分中间之热传导及辐射，以及反射波形成过程中都会使入射波的振幅随着传播的距离增加而迅速衰减，在均匀同性介质中，振幅随距离按指数规律衰减。在各向异性介质中,振幅一方面要随距离衰减外，而且随着节理、层理、界面曲率、混凝土结构的破碎程度、裂缝的宽度和长度及与波传播的方向等因素有关，无一定规律的衰减，在计算时，这要看诸影响因素中起主导作用的是什么，抓住主要矛盾，在考虑其它因素。 混凝土不均匀或者由界面破碎等波阻抗面的不同所造成的

14、反射波，当波阻抗面距离小于波形振动的延续面时，则往往造成两个波形振动带的干涉使之产生叠加，反射波多层薄层分辩率最好的位置是在发射探头附近，发射和接收探头距离过大，则往往使之浅层反射波振动带来严重干扰下层的反射波，这时超声波形图将是及其复杂而无法分辨的。由持此，在应用反射法时应注意以下几个问题：I接收探头应尽量靠近发射探头，因为这时波具有稳定的强度和一致的波形，这使得反射波容易追踪。II在发射探头附近的测区内，反射波法可以分辨界面相距较近的反射波。并且干扰最小。III观测点距离发射探头不远时，反射波射线在方向上接近于反射面的法线。因此上部混凝土中间分界面上折射的影响大大减少，这样就便于认识波形和

15、提高解释的精度。、用力锤做震源传感器接收反射波。对于混凝土桩基这样较长的被测体，若用一个换能器作为发射另一个换能器做接收，根本无法推定较深缺陷的类型及其在桩身中的位置，我们通常采用反射波法。其原理是弹性固体内应力波的传播理论，当桩的长、径比很大时，可将其视为一维介质，从桩顶以手锤激发一弹性波，此波动将沿桩的轴线向下传播，当其波动到达桩底的波阻抗界面时即向上反射。如果桩身存在破损（如断裂、离析、夹泥、缩径、蜂窝及不均匀等缺陷），亦会形成波阻差异，从而在这些破损界面上产生反射。反射波被安装在桩顶的传感器接收并记录在接收仪器上，通过对反射波的初至、振幅及相位分析，可得出桩身的声波平均传播速度（强度）

16、，缺陷程度及深度位置。现场检测过程：平整、清理被测桩桩头，被测桩应凿去浮浆，切除外露的主钢筋。以黄油偶合固定传感器于桩顶；初进现场，首先检查仪器工作状况；对首根桩进行多次反复观测，以确定最佳激振方式和接收条件。锤击点保持于桩头中心部位,传感器应稳固的安装在桩头上。对于桩径大于350mm的桩可安置两个或多个传感器。当随机干扰信号较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高质量截止频率的传感器和放大器。判断桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收，进行辅助判定。每一根被检测的单桩应进行二次及以上重复检测。出现异常波形应在现场及时研

17、究，排除影响测试的不良因素后再重复测试。重复测试的波形与原波形应具有相似性。检测数据的处理与判定：应依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，推定单桩的完整性。桩身混凝土的波速vp、桩身缺陷的深度L可分别按下列公式计算：vp2L/tr L=vpmtr 其中L桩身全长；tr桩低反射波的到达时间；tr-桩身缺陷部位反射波的到达时间；vpm同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均速度较高的桩为完整性好的桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；且振幅较大，往往出现多次反射，难以观测

18、到桩底反射波的桩，系桩身断裂。桩身混凝土严重离隙时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细分析，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合判断。桩体浅部断裂是定性评价，可通过横向激振比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。 低应变法测桩技术敲击力力谱成份对检测桩身缺陷

19、有什么影响?桩身材料有一定阻尼以及桩周土存在侧摩阻力,应力波沿桩身传播过程将产生衰减,衰减快慢除和桩、土阻尼有关外,还和应力波频率成份密切相关,频率高衰减快,频率低衰减慢。振动振幅随距离的增加,一般是按指数衰减规律而变化的,即A=Ame-ax5一24）式中A一一振帽;x一一与振源距离;a一一衰减系数。衰减系数a和频率的关系为:a=n1f+n2f2+nsf45一25式中n1、n3一-均由材料特性所决定的系数。所以,当检测桩身深层缺陷时,脉冲力持续时间要长些,这样力谱的低频成份丰富,频率低,传播深度深,这样才能看到缺陷位置的反射波。例如:可用尼龙等锤头敲击。当要检测桩身浅层缺陷时,脉冲力持续时间要

20、短,力谱高频成份丰富,这样波长小,判断缺陷位置精度高。例如对于高桩顶数+厘米位置的缺陷,可用修钟表的小头等小质量锤敲击,产生高频激振力,可以较好地激发出浅层缺陷信号。具体操作固定传感器于桩顶;初进现场,首先检查仪器工作状况;又才首根桩进行多次反复观测,以确定最佳激振方式和接收条件。当随机干扰信号较大时,可采用信号增强方式,进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率,应使用小能量激振,并选用高质量截止频率的传感器和放大器。判断桩身浅部缺陷,可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收,进行辅助判定。出现异常波形应在现场及时研究,排除影响测试的不良因素后再重复测试。检测数据的处理与判定:应依据波列图中

21、的人射波和反射波的波形、相位、振帽、频率及泼的到达时间等特征,推定单桩的完整性。桩身混凝土的波速vp、桩身缺陷的深度LF可分别按下列公式计算:Vp=2L/tr LF=VpmtrF其中L一桩身全长;tr一桩低反射波的到达时间;tr,一桩身缺陷部位反射波的到达时间;Vpm一同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。反射波波形规则,波列清晰,桩底反射波明显,易于读取反射波到达时间,及桩身混凝土平均速度较高的桩为完整性好的桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间;且振幅较大,往往出现多次反射,难以观测到桩底反射波的桩,系桩身断裂。桩身混凝土严重离隙时,其波速较低,反射波幅减少,频率降低。缩径与扩径

22、的部位可按反射历时进行估算,类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时,将记录到多个相互干涉的反射波组,形成复杂波列。此时应仔细分析,并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合判断。桩体浅部断裂是定性评价,可通过横向激振比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。在上述时域分析的基础上,尚可采用频谱分析技术,利用振幅谱进行辅助判断。波速与混凝土抗压强度的换算系数,应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。c、低应变法测桩技术 如何判定应力波反射波形的优劣?应力波反射法所采集的较好波形应该是:1多次锤击的波形重复性好z（2）波形真实反映桩的实际情况,完好桩桩底反射明确;（3）波形光滑,

23、不应含毛刺或振荡波形;（4）波形最终回归基线。 什么是测桩盲区?当桩顶受到锤击或敲击时,其锤击能量在桩土系统中沿深度传递过程为波动,下行的压力波遇到桩身阻抗有变化和桩侧阻力都要产生上行的应力反射波。桩顶受点振源锤击扰动后,最后形成的波动区,靠近桩顶部分形成半球面波,传播不满足平面假定。同时下行的压力波和上行的阻力波、桩身阻抗变化反射波比较,占有绝对优势,下行压力波往往掩盖了上行波,使得反映桩身缺陷或扩颈的上行波不易识别。桩顶部呈现这种现象的区段称为盲区。盲区范围一般离桩顶l-l.5D（D桩径范围内。 有哪些原因不易检测到桩身缺陷和如何解决? 除了存在测检盲区外,不易检测到桩身缺陷的原因还有:I

24、、由波长公式:A=cT=一式中k一应力波波长;C一波速;它、f-激振脉冲力宽和激振力频率。激振力频率f小,波长k长,当波长大于桩身缺陷深度时,不产生波动现象,将测不到桩身缺陷的反射波。因此测浅层缺陷时应提高入射波频率f,使波长入减小。例如用小锤甚至修钟表的小挪头敲击。E、桩身和桩侧土阻尼影响,桩身和桩侧土阻尼对应力波有衰减作用,阻尼大,衰减快,不易看到缺陷或桩底反射;混凝土强度高、龄期长的比强度低、龄期短的桩易看到桩底反射;同样土层,灌注桩比预制代人桩侧阻力和桩底土刚度小,易看到桩底反射。所以对长桩或侧阻大的桩,应加大锤击能量和降低激振力频率。E对于特长桩,如桩长大于60m的桩,低应变法已难于

25、检测,可改用高应变法检测。 用应力波反射法检测大直径桩应注意哪些问题? 桩动测技术是建立在一维应力波理论基础上,并作了平截面假定,应力波反射法也不例外;但是小锤敲击,桩顶面近似点振源,桩顶附近,桩各截面每一质点的运动速度并不一致,尤其是大直径桩。这种三维效应更为严重。因此,不同振源部位和传感器安装在不同位置将产生不同测试结果。1968年学者R.D.Wwwds的研究成果表明,敲击应力波在半元限体介质中传播时,瑞利波能量占67%;剪切波占26%;压缩波占7%。同时,压缩波衰减最快,剪切波次之,瑞利波最慢。当小锤在桩顶面中心点敲击时,各种波将传播至桩周边缘并产生反射。压缩波传至桩周,只有部分能量反射

26、回桩顶中心,质点运动速度为水平向的且能量很小,对顶面质点纵向运动影响小。剪切波将从桩周产生全反射,能量占的比例较大,将使测试信号产生一定的高频成分。瑞利波也有很大一部分能量从周边反射,同时衰减慢,也将使测试信号产生高频成分。因而大直径桩的高频干扰是剪切波和瑞利波地桩中心和周边来回反射而形成的二种高频波的精合。这种高频干扰波会掩盖桩身反射波,尤其较微弱的桩底反射。根据理论计算,在距桩中心2/3倍半径处,这种高频干扰最小。所以,应力波反射法检测大直径桩时,在桩中心点敲击,量测响应传感器安装在2/3半径处是最理想的。另外,对大直径桩,当敲击力脉冲过窄,也易产生高频干扰信号。图8一14为直径1.0m,

27、长度10m的桩,敲击力脉冲宽度为0.5ms和LOrns的二种理论计算反射波波形比较。显然,窄脉冲力高频干扰大得多。所以检测大直径桩,应该用尼龙头或加大锤垫厚度增大敲击力脉冲宽度,减小高频干扰信号影响。图8一14不同敲击力脉冲宽度的高频干扰 用低应变法检测桩身结构完整性时如何把握激振技术? 低应变法检测桩身结构完整性,首先应进行桩顶处理,凿去浮浆层至新鲜混凝土,平整桩顶,安装激振器或敲击点的桩中心部位和安装量测响应传感器位置要磨削平整光滑,避免激振时传感器产生寄生共振。稳态激振的激振器安装,若是半刚性悬挂式的,一定要注意粘贴在桩顶面中心的钢板保持水平;若采用柔性悬挂式,所用的吊挂橡皮绳要有足够的

28、弹性和强度,如用自行车内胎等。瞬态激振和应力波反射法即使同一根桩,同一型号测桩仪,但不同人检测都可能得到形态完全两样的波形。其中把握激振技术是重要环节,要特别注意的有以下三点:I、敲击力要集中、铅直,使振动模式单一。采用力棒或自由落锤,激振能量的可控性和信号重复性都比用锤敲击效果好。E、激振能量要适当,激振能量以能看到桩底反射的前提下尽量小,使桩周参加振动的土体尽量少,以减少对波形干扰。桩身阻抗比桩周土阻抗大得多,激振能量除在桩身中传播外,部分被桩周土吸收扩散,好土吸收能量多,差土吸收能量少,所以土愈好,桩愈长,要用大锤敲击,土愈差,桩愈短,用小锤敲击即可.E、敲击脉冲力宽度要适中,为了满足一

29、维杆波动理论,脉冲力宽度应满足下式：5/C式中一脉冲力宽度;D一栏直径C一应力波传播波速。 要得到较明显的桩底反射,不同桩长可采用不同的脉冲力宽度。一般土层情况,桩长10m以下,T勾0.7一1.0m问桩长10一20m汀勾1.0一2.0ms;桩长20一30m,T勾2.。一3.0m问桩长大于30m的摩擦桩,它句3.。一4.0ms。假如应力波反射法得到的波形要做频谱分析,脉冲力宽应掌握在使谱图上出现2一3阶谐振频率,这样才能得到两个频差。（8）应力波反射法产生振荡波形的原因是什么?有哪些消除方法? 应力波反射法测桩产生的振荡波形有传感器本身特性、电源50Hz干扰、敲击振源、传感器安装和桩身浅部缺陷等原因引起的。 a.有的传感器频响较窄,例如38Hz地震检波器由于安装条件不同,在830Hz一1700Hz左右