超声波桩基检测案例分析.pptx

1、,超声波法,基桩检测的常用方法之一,公路工程基桩检测的规定：,（JTJ/T F81-01-2004）1、公路工程基桩应进行100的完整性 检测，各种方法的选定应具有代表性和满 足工程检测的特定要求；2、重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测的桩数不应少于50；3、高应变动测法的抽检率可由工程设 计或监理单位酌情决定，但不宜少于相近 条件下总桩数的5且不少于根。,超声波法：是在桩身预埋一定数量的声测管，通过 水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在 另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以 测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在 混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和 折射，因而达到接收换能器时，根

2、据声时、波幅及主频等特征参数的变化来判别桩身的 完整性。鉴于目前公路桥梁工程大量使用大 直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用 在基桩的检测中。,分四个部分讲解：,声学理论检测技术测试方法工程实例,第一部分声学理论,声学基础声波在介质中的传播速度声波在介质界面上的反射与透射声波在传播过程中的衰减混凝土中的声波特性,一、声学基础,1、波动波动是物质的一种运动形式，波动 可分为两大类：一类是机械波，它由于 机械振动在弹性介质中引起的波动过程，例如；水波、声波、超声波等；另一 类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生 的变化电场和变化磁场在空间的转播过 程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。

3、,声波:是弹性介质的机械波。人们所能听到声 波频率范围是2020KHz，即可闻声波。当声波频率超过2020KHz时，人耳就听 不到了，这种声波就叫超声波，其频率范 围是20K100MHz；当频率低于20Hz的叫 次声波，人耳也听不到。各种声波的频率 范围见下表。,各种声波的频率范围（Hz）,在混凝土中超声检测使用的频率一般 在20KHz200KHz范围内。,2、谐振动,物体在一定位置附近作来回重复运动称为 振动，例如摆的运动、汽缸中活塞的运动、弹 簧振子的运动等，这些是可以直接看到的振动。又例如一切发声体的运动、在高频电压激励下 压电晶体的运动，这些是不易或不能直接看到 的振动。相互间由弹性力

4、联系着的质点所组成的物 质，称为弹性介质。需要进行超声检验的大量 固体构件都是弹性介质。弹性介质是由相互间 用小弹簧联系着的质点所组成。如图1-1所示。若这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则会产生使它恢复到平衡位置的力，这就是弹 性力。,图1-2弹簧振子的振动,图1-1弹性介质模型1-质点：2-小弹簧,进一步来说明谐振动,可以用弹簧振子来说明谐振动。如图1-2所示，弹 簧左端固定，右端系一物体。为使讨论较为简单，设弹 簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力对运动的 影响。设物体在位置0时，弹簧作用在物体上的力是零。这个位置就是物体的平衡位置，若把物体向右移动到位 置B，这时弹簧被拉长，相

5、应地有指向左方即向平衡位 置的弹性力作用在物体上，使物体返回平衡位置。当物 体回到平衡位置时，弹簧的弹力等于零，但物体在返回 时获得了速度，由于惯性，它将继续向左移动。当物体 在平衡位置左边时，弹簧被压缩，物体所受弹性力是指 向右方，即平衡位置。这时弹性力作用是阻碍物体运动 直至物体停止在位置C。在这以后，物体在弹性力的作 用下向右移动，情况和上述向左移动相似。这样，在弹 簧的弹性力作用下，物体在平衡位置的左右作重复运动 即振动。,取平衡位置0为X轴的原点，并设X轴的正向向右 根据胡克定律，物体所受的弹性力F与物体位移x（即弹簧的变形量）的关系为：,(1.1),），,F=-kx式中：k弹簧的弹

6、性系数；-力和位移的方向相反。设物体的质量为m根据牛顿第二定律（它的速度为：,(1.2),因为k和质量m都是常数，所以它们的比值 可以用一恒量F表示,即：(1.3)式中：角频率或圆频率。代入上式，得：a=-2x(1.4)从上式看出，上述振动的特征是：物体的 加速度和位移成正比且方向相反，这种振动称 为谐振动。物体在弹性力作用下发生的运动是谐 振动。谐振动是最简单最基本的振动。任何复杂 振动都是由许多不同频率的谐振动所合成的。,因为=,又得：+2x=0,(1.5),根据微分方程理论，上式的解为：x=Acos(t+),(1.6),式中A,两个恒量；A振幅，它是质点离开平衡位置的最大 位移；t+振动

7、的相位。这是谐振动中位移x和时间t的关系式，称 为谐振动的运动方程式，简称谐振动方程式。,3、波的产生与传播,在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，因 为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力 联系着，所以它的振动将传递给与之相邻近的质点，使邻近的质点也同样地发生振动，然后振动又传给 下一个质点，依次类推。这样，振动就由近及远向 各个方向以一定速度传播出去，从而形成了机械波。从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动 的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。例如，把石子投入平静的水中，在水面上可以看到 一圈圈向外扩展的水波。,再举二个实例弹性横波：手握绳子一端上下振动，可以看到如图

8、 1-3的波向前传播的过程，这就是弹性横 波。弹性纵波：用手迅速而有节奏地推拉弹簧的一端，可以看到如图1-4弹簧上有部分密集，部 分稀疏，部份疏密相间，且这种疏密相间 的状态沿着弹簧向前传播，这就是弹性纵 波。,图3.1-3,绳子上的横波,图3.1-4弹簧上的纵波,4、波的种类,波的种类是根据介质质点的振动方向和波的传播方 向的关系来区分的。它主要分为纵波、横波、表面波等(1)纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这 种波称为纵波，例如空气、水中传播的声波就是纵波，如图1-5所示。纵波又常称“P”波。纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时 而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化

9、而传播 的，因此和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体 液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，所以纵波 可以在任何固体、液体、气体中传播。,图1-5纵波,如图1-6所示。横波又常称“S”波。横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应 力变化而传播的，因此和介质的切变弹性有关。由于液 体、气体无一定形状，当它们的形状发生变化时，不产 生切变应力，所以液体、气体不能传播横波，只有固体 才能传播横波。在气体、液体中只有纵波存在。,图1-6横波,（3）表面波：固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动，结 果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作 椭

10、圆振动。椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面 传播，这种波称表面波，常以“R”表示。图1-7为表面波传播示意图。图中示出了瞬时的质 点位移状态。右侧的椭圆表示质点振动的轨迹。由图可 知，质点只在xy平面内作椭圆振动而波在体表面（xz平 面）沿x方向传播。振动的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。表面波传播时，质点振动的 振幅随深度的增加而迅速减小。当深度等于2倍的波长 时，振幅已经很小了，因此，表面波多用于探测构件表 面的情况。,图 1-7表面波表面波只能在固体中传播。,5、波的形式,波的形式是根据波阵面的形状来划分的。如图1-8 所示，声源在无限大且各向同性的介质中振动时，振动

11、 向各方面传播。传播的方向称为波线；在某一时刻振动 所传到各点的轨迹称为波前；介质中振动相应相同的所 有质点的轨迹称为波阵面。在任一确定的时刻，波前的 位置总是确定的，只有一个波前，而波阵面的数目则是 任意多的。,图1-8波线、波前、波阵面（a）平面波；（b）球面波；（c）柱面波1-波线；2-波前；3-波阵面,按波阵面的形状可以把波分成平面波、球面波和 柱面波。平面波：波阵面为平面的波称为平面波，其 振源是一个作谐振动的无限大的平面。另外，从无穷 远的点状声源（点源）传来的波，其波阵面可视为平 面，也可称为平面波。球面波：波振面为球面的波称为球面波，其 振源是一个点状声源。柱面波：波阵面为同轴

12、圆柱面的波称为柱面 波，其振源是一无限长的直柱形。,6、波动方程,用数学方程式来描述一个前进中的波动，即描述 介质中某质点相对于平衡位置的位移随时间的变化，该数学方程式为波动方程。由于谐振动是最简单的 振动，所以由它产生的余弦波是最简单、最基本的 波。因此，先讨论余弦振动在均匀介质中传播过程 所形成的余弦波波动方程。如1-9所示，设一平面余弦波在无吸收的无限均 匀介质中沿x轴的正向传播，波速为0、设0为波线 上任意一点，并取其为坐标原点y轴为振动位移，若 0点处质点作谐振动，从（1.6）式可知，其振动方 程为：(1.7)式中：A振幅；角频率；y0质点在时间t时离开平衡位置的位移。,图1-9,波

13、动方程推导,若是横波，则位移方向与X轴垂直；如是纵 波，则位移方向沿着X轴。设B为波线上另一任 意点，离开原0的距离为x。因为振动从0点传播 到B点需要的时间为x/，所以B点处质点在时 间t的位置等于0点处质点在时间(t-x)的位 移，即（1.8）,(18)式表示，在波线上任意一点（距原 点距离为x）处的质点在任一瞬时的位移，即沿x 轴方向前进的平面余弦的波动方程。波在一个周期T内（或者说质点完成一次振动）,表示。根据周期和波,所传播的路程为波长，用 速的定义，三者关系为：=T,(1.9),因为周期T与频率f互为倒数，所以(4.1.9)式 也可写为：(1.10)这是波速、波长、频率间的基本关系

14、。,不同类型的波在传播过程中速度各不 相同，且其声速还取决于固体介质的性质（密度、弹性模量、泊松比），所以声速 是表征介质声学特性的一个参数。另外，声通的大小还与固体介质的边界条件有关。,二、声波在介质中的传播速度,1、纵波声速在无限大固体介质中传播的纵波声速：,(1.11),式中：E 杨氏弹性模量；泊松比；密度。在有限固体介质中传播时，则形成制导波，其速度变小。,2、横波声速,在无限大固体介质中传播的横波声速：(1.12),式中：G 切变弹性模量。,3、材料的弹性参数与声速值,下表列出了部分材料的弹性参数与声速值。,通过对固体介质声速的讨论可以看出：（1）介质的弹性性能愈强即E或G愈大，密度

15、愈 小，则声速愈高。（2）把（1.11）、（1.12）两式相除，得到纵、横 波速度之比：(1.13)对于一般固体介质大约在0.33左右，故p s2。混凝土的泊松比介于0.20、0.30之间，因此 ps介于1.631.87之间，即在混凝土中，纵波速 度为横波速度的1.631.87倍。,声波在无限大介质中传播只是在理论上成立。实 际上任何介质总有一个边界。当声波在传播中从一种 介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一 部分声波被反射，仍然回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折射波（透射波）。声波透过界面时，其方向、强度、波型均产生变化。这种变化取决

16、于两种介质的 特性阻抗和入射波的方向。现分垂直入射和倾斜入射 两种情况来讨论。,三、声波在介质界面的反射与透射,1、垂直入射,（1）单一的平面界面当平面波垂直入射到一个光滑平面界面时，将产生一个与入射波方向相反的反射波和一个与 入射波方向相同的透射波（图1-10）。这是波入 射到界面上时最简单的情况。,先讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。在界面上，用反射波声压pr与入射波声压p0的比值表示 声压反射率R，即：(1.14)用透射波声压Pd与入射波声压p0的比值表示声压透 射率D即：(1.15)界面两侧两种介质的特性阻抗分别为Z1和Z2。,当声波在一种介质中传播时，有时会遇到 第二层介质的薄层，如混凝土裂缝就是这种情况。这种情况下将产生多次反射与透射，情况要更复 杂一些。,2、倾斜入射,当声波在一种介质中倾斜入射到另一介质界 面时，将产生方向、角度及波形的变化。和光的 传播类似，声波在界面上方向和角度的变化服从 反射定律和折射定律，如图1-11。,于入射波与反射波在同一介质中，其速度相等，所以入射角等于反射角（i=）。折射定律：入射角（i）的正弦与折射角（）的正弦之比等于入射波与折