超声波透射法检测桩技术研究应用.docx

1、超声波透射法检测桩技术研究应用超声波透射法检测桩技术研究应用 桩基础是一种重要的基础形式，由于桩基施工条件和工艺等因素，桩基产生缺陷的比例较大，对整个工程质量易造成严重的影响，甚至留下严重的隐患。目前，桩基动测能较好地解决检测诊断桩基本身砼完整性问题。但是，桩基动测只能定性而不能定量的判断桩身缺陷。超声波是一种机械波，同时它又是弹性波测试方法中的一种，固体介质中弹性波的传播理论是它的理论基础。目前，国内外已普遍应用超声测试解决；研究砼构件凝结过程特征、探伤、测定混凝土的动弹性模量，评定混凝土桩和构件的匀质性，评定混凝土的参考力学强度。利用超声波测桩可以定量评定桩身质量。一 超声波检测灌注桩方法

2、超声波透射法检测灌注桩有以下三种检测方式：（一）双孔测量：发射探头和接收探头分别置于两根管道中，超声脉冲穿过两管道之间的混凝土（见图1），超声波束从发射探头到接收探头所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布置合理（见图4）。双孔测量可发为平测、斜测、扇形扫测等方式，在检测时根据需要而定。（二）单孔测量钻孔取芯后形成一个检测孔道，采用单孔测量（见图2）。超声波从水中及混凝土中分别绕射到接收探头，所得到的接收信号为水及混凝土中传播而来的信号叠加，分析这一叠加信号，并测出不同声通路的声时、波高、频率等物理量，即可分析孔道周围混凝土的质量情况。用这一方式进行检测时，必须进行波形分析，排除管中

3、的混响干扰，测量较为困难，而且检测有效范围不大，当孔中有钢质套管时，则不能用单孔测量。（三）桩外孔测量当上部结构已施工，在桩内无法检测时，可在桩外的土层中钻一孔，埋入套管作为检测通道。桩外孔测量的装置如图3所示，在桩顶上置一较强功率的低频发射探头，超声脉冲沿桩身向下传播，增压式接收探头从桩孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身并穿过桩与测孔之间的土进入接收换能器，逐段测读各物理量，即可作为分析桩身质量的依据。同于超声脉冲在混凝土及土层中的衰减现象，这种方法的可检深度受仪器穿透能力的限制。以上三种方式中，双孔测量应是基桩测量的基本形式，它要求在灌注混凝土以前即预埋检测管道， 图 桩外测孔布置示意图虽然增加

4、了少量费用，但此管可一管多用，一举数得，并非浪费。其它两种检测方式在检测结果的分析上较为困难，可作为特殊情况下的补救措施。二 声测管的预埋和管材的选择为了使探头能达到检测部位，必须预留若干检测通道。因此，在采用超声检测时，必须在灌注混凝土前预埋声测管，混凝土硬化后无法抽出，该管道即成为桩的一部分，也是声通路的一部分，必须影响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局，决定了检测的有效面积和探头提拉次数。所以声测管的预埋是影响检测方式和信号分析判断的基本问题。声测管材质的选择应考虑声能损失和安装定位的。假定不计混凝土对声能的吸收衰减，而只考虑因声测管所引起的界面损失，则各界面声能透过系数可按下式

5、计算： (1)式中，T为透过系数，Z1、Z2为界面两侧介质的声阻抗率。双孔测量时，声通路中有4个界面，总的声能透过系数应为：T总=T1T2T3T4 （2）根据计算和试验，采用钢管时，双孔测量的声能通过率只有0.5%，塑料管则为42%，可见采用塑料管时接收信号比采用钢管时强。但由于在地下水泥水化热不易发散，而塑料温度变形系数较大，当混凝土硬化后塑料管因温度下降而产生纵向和径向收缩，致使混凝土与塑料管局部脱开，容易造成误判。试验证明，钢管的界面损失虽然较大，但仍有足够大的接收信号，而且安装方便，可代部分钢筋截面，还可作为以后桩底压浆的通道，所以采用钢管作声测管是合适的。塑料管的声能透过率较高，如能

6、保证它与混凝土良好粘结的前提下，也可使用。（1）声测管预埋声测管在桩的横截面上的布局有如图4所示的三种方式，图中阴影部分为检测有效区。根据工地实测验证，直径1m以下的桩，采用方案I（两管对测），即可基本上反映全断面各部位的主要缺陷，1m以上的桩应采用方案（三管测量），该方案的“盲区”在中心位置，而中心位置产生缺陷的可能性最小，对于直径2.5m以上的大直径桩，则应采用方案（四管六次对测）。声测管之间的不平行度应控制在一定的范围内，但在实际施工中，由于钢筋骨架刚度的原因，会造成一定的误差，应尽量控制。三 钻孔桩内部缺陷与判断1用声时判断缺陷的PSD判据湖南大学吴慧敏教授提出一种新的判据形式，称为“

7、相领两测点间声时的斜率和差值的乘积判据”，即PSD判据用公式表达PSD判据如下：Ci=(ti-ti-1)2/(Hi-Hi-1) (1)式中 Ci为第i个测点判据值；ti，ti-1为相邻两测点声时值；Hi，Hi-1为相令两测点深度值。该判据抛弃了声时值按正态分布的假定，即常用的数理统计方法求出平均声时t和标准差，以+2作为判据，凡声时t1+2测点视为缺陷的分析方法，而建立在这样的基础之上，即缺陷区超声传播介质的性质发生穿梭变，因此声时值在缺陷区的变化规律是一不连续函数。至少在缺陷区的边界上，该函数斜率增大。当i处相邻两测点声时没有变化，判据Ci=0；当有变化时，由于Ci与（ti-ti-1）2成正

8、比，Ci将大幅度提高。因此PSD判据对缺陷十分敏感。同时又可排除声测管不平行或混凝土不均匀引起声时变化等非缺陷因素的影响。凡是在判据值较大的地方，均作为疑问区，作进一步的细测。PSD判据可以与缺陷性质，大小建立理论关系式。当缺陷为夹层时， 式（2）式中，为夹层的临界判据，V1为完好混凝土的声速，V2为夹层中夹杂物的声速，H为测点间距，当某一测点判据值CiCc时，该点可初判为夹层。当缺陷为空洞时， 式（3）式中，R为孔洞半径，其余同前。根据此式可列出孔洞CKR对照表。当缺陷为蜂窝时， 式（4）式中，R为蜂窝半径，V3为蜂窝区声速，其余同前。根据此式可列出蜂窝CKR对照表。理论上，通过以上三个公式

9、提出的临界判据值或CiR对照表即可确定缺陷的性质和大小。但由于缺陷区夹杂物声速（V2、V3）等参数是预先估计的，不可能和实际完全一致，甚至有较大的出入。尤其是蜂窝、孔洞判据公式的推导，多是假定缺陷位于两声测管中部，实际上缺陷靠近桩周及声测管的情况更多些。因而单纯依据PSD判据得出的缺陷大小和性质只是粗略的估计，尚需通过细测手段以缺陷大小进行空间定位及采用综合的分析方法对缺陷性质确定和复核。2缺陷区空间定位阴影重叠原则采用超声脉冲法检测分为全桩扫测和有怀疑部位细测两步进行。扫测一般采用平测或高差50cm的斜测，步进50cm为宜，扫测只读声进值。一般确定以下原则，例如对2.2，钻孔桩，现场扫测时相

10、领邻50cm两点时差大于20s，声波明显衰减，且在两个以上测试面相同高程有反映时需要作细测判断，并在报告中给予说明。而对就一个测试面有反映的局部缺陷，一般不必过于拘泥。所谓细测判断，就是对声时增加，波形衰减的异常区将测点由50cm加密至10cm，在测读声时的基础上同时观察声波波幅，波形的变化，综合动用这些物理量找出缺陷区造成的专用阴影范围。即使用平测、双向斜测三组细测，阴影重叠区即为缺陷位置称之为“阴影重叠原则”。方法如图6所示。特别应该注意到，在混凝土中，由于各种不均匀界面的漫射和低频波绕射等原因，阴影边界往往十分模糊，加之由好混凝土到缺陷区一物质财富是渐变的，给确定阴影临界带来困难。可以认

11、为，在缺陷附近，声时值、波高及波形等任一物理量发生变化，都是有问题的信号，可视为缺陷区域上下临界线。缺陷宽度在阴影限度的区域内以弧线连接确定。还应注意双向斜测时斜度也是很重要的。显然两探头高差越大，缺陷定位越准确。比如图3（C）中环状缺陷（缩颈），如果探头高差小于缺陷层厚，很可能误判为全断面低强区或夹层了。因此，应尽量加大探头斜差。实践证明，在混凝土达到28天龄期后，使且35kc探头，测距达4m，即斜差达23m时仍可测试。对于全断面夹层除利用图3（d）方法确定外，还可利用扇形细测确定夹层的上下界面。即一个探头固定，另一个探头上下移动，找到波高和声时的突变点。作为夹层的临界点（图7）。采用以上方

12、法对缺陷竖直面定位后，可以各对测面为坐标系将缺陷宽度按比例反映到平面，作出较准确的缺陷平面图并计算出缺陷面积来（参见实例2）。管道布置越多平面定位就越准确，因而对2.2m钻孔桩选择4孔测量是适宜的。对设计者而言，缺陷面积是复核验算提出处理方法的重要依据，必须算准确，在全筋区段，缺陷面积超过桩截面10的桩都要进行处理。3缺陷区性质的确定利用PSD判据对于夹层的判断及定位是准确的。对于蜂窝、孔洞、低强度区等局部缺陷定性误差较大，必须采用以下方法复核之。（1）缺陷区声速法利用以上缺陷空间定位方法确定缺陷面积后，可计算出缺陷区介质声速。简单推导如下（图8）以ti-1为声波在好混凝土中传播声时，可以t代

13、表；ti为声波穿过缺陷区时间；L2为缺陷宽度；V1、V3分别为好混凝土和缺陷区杂质的声速。则：ti-1=L/V1ti=L2/V3+(L-L2)/V1 图 缺陷区和完好区混凝土声速比较 所以，V3=LL2/L(ti-ti-1)+L2ti-1 式（5）缺陷位于两声测管中间时应首先计算声波绕声速并与完好区混凝土声速比较，如绕射声速与好混凝土声速相符，则可确定声波以发生绕射，缺陷区为夹砂团的松散无强度的“孔洞”；如绕射声速小于好混凝土声速，则可确定声波从缺陷区内穿过，由式（5）教育处缺陷声速V3后，参照表1确定缺陷性质。表1 某工地混凝土声速分级标准声速ms4000350040003000350025

14、0030002506性 质好混凝土蜂窝(低强区)砾砂(胶结)泥沙(松散)泥土（2）综合判断法超声脉冲在遇到局部缺陷时，通过夹杂物的声速一般低于正常混凝土，即声时增加；由于缺陷内夹杂物对声波能量吸收较多，造成接收波振幅的明显衰减；同时由于反射波散射波迭加结果，接收到的波形可能发生畸变等。但缺陷不一定同时具备这样特征，且不同缺陷其特征表现不尽一样。比如声时增加，声波可能并未衰减反而增加，声波衰减，声时却未增加等等，这样都与缺陷各类和性质有关。见表2。表2 综合定性判断表 声时波幅正 常（声速正常）偏 小（声速偏高）偏 大（声速偏小）偏 大强度正常或偏高强度较高，质量较好强度较低或正常混凝土浆多石少

15、偏 小（衰减）强度正常但表层不良或有内部缺陷强度正常，混凝土石多浆少强度偏低，质量不良，内部有缺陷一般来说，完好混凝桩，声时曲线基本呈直线，无明显折点，波幅也无明显衰减。蜂窝、局部夹泥沙团声时值有明显增加，最大相对差1020，波幅有衰减。局部夹层和断桩声时值增加明显，声时曲线出现较大峰值，最大相对差大于30，波幅衰减强烈。对砾沙夹层可衰减到50100，对泥沙夹层则衰减达80100，声波几成一条直线，加大增益也无法测试，夹层厚度一般在50cm以上，是较好判别的（图9）。四 声透法其它评定方法和影响因素1其它判断缺陷的分析方法简介砼内存在缺陷，会使测试的声速、频率、波幅发生明显变化（降低），因此实

16、测数据是判断砼缺陷的依据。目前国内判断缺陷的数据分析方法除PSD法外还有概率法、斜率法、NEP法等。它们选用参数基本为一项（声速或声时）或者多项。（1）概率法该法首先由南京水利科学院罗骐先高级工程师提出，它是用单一的声速或频率参数进行分析的。其步骤如下：（a）首先根据经验剔除可疑数据；（b）统计整根桩的测值（如声速或频率）的平均值和标准差，然后进行判断：对某个低声速Ci值计算该点Ki值 式（6a）再根据Ki值查正态分布表，求出Ci值出现的概率P（Ci）和允许出现的次数NP（Ci）。若NP（Ci）1，说明在正常下一次也不能出现，但实际出现了，则该点为缺陷。三个声学参数单独用于缺陷判断，则各有其优

17、点和局限性。如声时（或声速），相对其它两参数来说，能在各种情况下获得比较一致的物理量，受测试操作人员经验的影响较少，但缺点在于变化幅度和范围不大，对缺陷反映不敏感。用频率值判别缺陷的优点是变化幅度较大，但需要有较熟练的测试技术，否则容易出现测试误差。波幅对缺陷反应十分敏感，但受仪器、基桩砼质量影响大，致使不同桩间测试可比性差，而且测试精度相对偏低。综上所述，用单一的声学参数作为判断的依据，必然有较大的局限性。（2）多因素概率分析法（简称NFP）为了克服用单一参数判别缺陷的缺点，大桥局科研所研究推荐一种使用多因素：声速、频率、波幅，通过对总体的概率分析，获得一个综合判断值NFP来判断缺陷的方法。

18、NFP值按下式计算的： (i=1,2n) 式（6b）式中 NFP(i)第i点的判据值 Ci、Fi、Ai第i点的声速、频率波幅的相对值，即分别除以该桩各测点中最大值所得之商；以上述三个参数相对值之积为样本的标准差；m概率保证系数，它系根据与样本相拟合的夏里埃（Char Liar）概率密度函数及样本的偏相关系数、峰凸系数及其保证概率（如0.01）所决定的。当NFP值1，表示该处有缺陷，NFP值1，则无缺陷，其值越大，砼质量越好。2几个影响因素的考虑和消除（1）t0及钢管、耦合水对计算声速的影响及修正设计制作905055mm长方体C18砂浆式块，在内预埋4根声测管（管材及型号与实际桩用同）。利用平面

19、探头及参考棒扣除机内tc后，以径向探头分别置于长、短方向孔中对测，以t代表各向声时测值，tc代表混凝土传播声时值，t包括一定频率探头及一定长度电缆影响的机外t0，钢管壁传播时间ts，耦合水传播时间tw，L为测管中心距，D为声测管外径。则有：各向砂浆纵波速度应该一致，则：即： 六个测向增均计算值t24s因而现场声速按下式修正： VM（L1D）/（t-24） 式（7）注意每次测试前均应使用50kc平面探头和声时参考棒扣除机内t0。（2）测距的影响和修正实验室采用立方试件距只有15cm，而工程桩测距达100200cm。由于混凝土的衰减作用，当超声脉冲穿过混凝土时，其高频部分首先被衰减，穿越的距离越长

20、，接收频率越低，接收波前沿明显平缓，因而在声时测读时使读数起始点后移，计算声速较低。综合国内外部分研究资料，并通过一部分完好桩平均声速（已扣除t）与预留试块声速成的比较，取以下修正值：当测距 L100cm时，Ki1.015L150cm，Ki1.020L200cm，Ki1.023（3）含水率的影响和修正试件的湿度对声速有明显影响，含水率增加，声速也增加。这是因为混凝土内毛细孔为水充填，而水的声速（1450ms）大于空气中声速（340ms）的缘故。在实验室进行FV曲线实验时，试块处于半干燥状态，实测含水率为1，钻孔桩水下混凝土芯样实测含水率为3。我国南京水科院研究资料表明，混凝土含水率增加1，则声

21、速增加1。因此，取湿度修正系数K20.98。综合以上几种影响因素，钻孔桩第1点修正后超声声速按式（8）计算：Vm1K1K2VHi 式（8）式中，K1为测距修正系数，K2为湿度修正系数，VHi为按（7）式修正声速。（4）声测管材料和管径声测管材料选择以尽可能减少超声脉冲穿过管壁的声能损失及考虑施工方便为原则。一般有如下几种：a.塑料管 由于塑料中声波传播速度介于水和混凝土之间，受阻碍引起的信号偏差小，声能通过率高，接受信号较强。但由于塑料热胀系数和混凝土相差悬殊，混凝土凝固后塑料管因湿度下降而收缩，可能使管子与混凝土局部脱开，影响测试。实际运用时要对外管壁洗涤拉毛处理。b.钢管 钢管与混凝土结合

22、较好，这些管子可直接焊在钢筋笼上，在某些场合可视作主筋或部分替代主筋使用。但钢管具较大的声阻抗值，发射声能通过率不如塑料管强，在混凝土龄期达到7天以上能满足测试要求。c.波纹管 如不考虑钢管替代主筋，可用铁皮卷制的波纹管制孔，以节省预埋钢管增加的一部分二次费用。d.抽拨管 在桩不很长，浇注时间可以控制的情况下，可用橡胶抽拨管成孔，这样形成的管道减少了界面声能反射损失，利于测试。但要注意成孔质量和成孔后孔口保护。测管直径以满足探头顺利通过即可。目前使用的水密式径向探头，直径一般为2535mm，因而测管内径以50mm左右为宜。（5）声测管埋置深度借鉴在无筋区不设声测管，给竣工验收带来困难的教训，将

23、声测管预埋到底（2.2m桩下部25m无筋区段伸4根主筋固定声测管），从而不留下一点疑问区。（6）声测管平行度控制由于声测法测桩依据于声波穿过两管间混凝土的时间，接收波形的衰减和畸变等物理量，因而要严格控制声测管平行管，不然对测值的分析及均一性评定都有较大影响，甚至造成误判。实践证明，施工中分段预制钢筋笼，现场接长，每节钢筋笼（约10m）两端管距误差控制小于2cm，则声测管倾斜度可控制在1以内。五 典型缺陷桩检测实例省内某大桥完成的钻孔桩中，经过超声测试发现近20根桩存在程度不同的缺陷，缺陷率近20，分类例举如下：1全断面夹层（断桩）判别实例以3号墩5号桩为例，该桩位于主航道深水区，桩径2.2m

24、，桩长60m，BON4钻机施工。在混凝土龄期20d后测试，发现在39.841.3m，深度的1.5m区段仙声波急剧衰减，声时值陡增。尤在40.541.0m深度。CiCc1，因而判断39.841.3m深度（标高27.025.0m）为缺陷段。其中40.341.0（26.325.8m）为全断面砾沙夹层，夹层厚度0.40.6m，夹层上下各有0.10.4m厚低强混凝土。断层面在25.8m高程。2局部缺陷判别实例以12号墩2号桩为例，该桩桩径2.2m，桩长65,，BDM4A型钻机施工。在7d龄期后粗测，发现在20.420.9m深度六个测向声波普遍异常，声时增加825，波形衰减。后按阴影重叠原则进行细测，排除

25、了缺陷为全断面的可能性，确定的缺陷区域如图12所示。检测结论：在20.420.9m深度（标高39.338.8m）缺陷为马蹄形，覆盖A、B、C三管，平面面积约0.87m2，占总截面积21，宽度（钢筋笼以内）2040cm，厚度不均，靠D管稍薄，约2030cm，靠A、C管稍厚，约5070cm，缺陷区计算声速V332003600m/s（CD向低于AD向），估算强度48MPa，比正常区混凝土折减60以上。另在23.324.6m深度（标高36.435.1m）深度有围绕B管的局部砾沙团平面面积0.4m2，为桩截面10左右。3桩身混凝土均一性差判别实例4号墩2号桩桩径2.2m，桩长60m，QJ250型钻机施工

26、。28d和72d龄期测试，发现同其它已测好桩比较，声波普遍有衰减畸变，声时值离散性大，离散系数CV7.2，六个测向在不同标高处均出现许多声时峰值，且72d龄期测试结果略好于28d，因而综合判断该桩存在多处蜂窝低强度区。该处六个测向平均声速（已修正）Vm4491ms，推算强度为22.9MPa，而实际预留三组试块平均强度为22.0MPa，拟合性很强。4孔底软垫层实例11号墩8号桩设计桩长60m，桩径2.2m，采QJ250型钻机施工。8d龄期粗测发现，桩底2.53.0m一段六个测向声波严重衰减，声时值陡增。86d龄期重新测试未见好转，声转衰减70100，计算最大判剧Ci7762，而泥沙夹层临界判剧值

27、Cc2510，因而判断此桩孔底有1.43.0m厚泥沙软垫（图14）。此桩未作钻芯验桩分析施工原因，在成孔下置钢笼后，由于未及时灌注水下混凝土，在7.7510.75m泥岩区发生了局部塌孔，孔底沉渣增至6m，虽又吸渣清孔，但不彻底，形成“U”状软垫层。5桩顶缺陷的判别实例由于超压力不足形成桩顶混凝土不如下部密实。表现为桩顶声时值较大，并缓慢过渡到1.01.5m深度始转正常。应利用单声速法评估桩头混凝土强度，保证凿去不合格部分。图15即是桩头混凝土不良的一个实例。该桩在25d、38d龄期测试均发现桩头5.35m区段内多数测向声波异常，声时增加。判断为由于灌注速度减慢，超压力不足而将浮浆不均匀裹入形成

28、的低强混凝土区段，建议对3.25m以上强度小于15MPa混凝土予以凿去进行接桩处理。实际开挖证实，桩头混凝土局部夹有浮浆，含泥色，强度较低。此外，桩头还易发生孔壁坍塌形成的凹陷。14号墩11号桩桩径1.3m桩长25m，日本MT130套管钻机成孔。44d龄期测试发现，AB、BC测向1.7m以上声波衰减剧烈，无法测读声时，CA向1.3m以上无测读声时，1.31.7m声速低于3600ms，计算最大判剧Ci1564，泥沙夹层临界判据C01264，因而判断为桩顶漏砂凹陷（图16）。实际开挖发现，桩头1.7m范围为泥块、砂和水泥浆的混合物。凿至1.8m变为正常。原因分析：此桩桩头离地面4m多高，浇完混凝土拨出套管使孔壁坍塌，泥土裹入桩头混凝土中。之后对此桩进行接桩处理。六 结论1超声透射法检测基桩完整性，理论与实距证明，通过在桩内预埋声测管，进行超声脉冲发射检测，是可靠地检测大直径桩质量的可行方法。2“PSD判别法”（“声时深度”曲线法）显示出许多优越性，成为我国桩基基础质量超声波检测的重要分析方法。3目前国内已有单位将研究超声波成像，即工程声波CT，最后所得到被测介质的二维或三维透析图，能给出一个非常直观的效果。是本学科的发展方向。