賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

耦合介質(zhì)對(duì)基樁超聲波檢測(cè)的影響

賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定超聲波檢測(cè)波速波幅與泥漿密度的關(guān)系，并且結(jié)合具體工程檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析耦合介質(zhì)對(duì)基樁超聲波檢測(cè)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)泥漿密度小于一定數(shù)值時(shí)，耦合劑對(duì)超聲波的檢測(cè)參數(shù)影響很小，但是在超過(guò)這一數(shù)值的情況下，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對(duì)超聲波檢測(cè)參數(shù)的影響越來(lái)越大，波幅和波速值越來(lái)越小，從而影響了工程檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和判斷。

超聲波；樁基檢測(cè)完整性；耦合劑；超聲波檢測(cè)參數(shù)

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)灌注樁的過(guò)程中主要是通過(guò)觀測(cè)和分析聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的波形、聲速、幅度、頻率等來(lái)判定被檢測(cè)物體的缺陷［1－2］。但是除了缺陷會(huì)對(duì)超聲波傳播產(chǎn)生影響外，一些非缺陷的因素也會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，影響超聲檢測(cè)的非缺陷因素主要有：耦合介質(zhì)、混凝土齡期、超聲脈沖頻率、測(cè)距［3－4］。根據(jù)混凝土灌注樁聲波透射法檢測(cè)的工作原理，聲測(cè)管要灌入清水作為發(fā)收換能器和混凝土之間的耦合劑。如果灌入的是泥漿水，水中泥漿中的泥、砂等雜質(zhì)懸浮顆粒向不同方向產(chǎn)生散射，導(dǎo)致聲波減弱，接收聲波能量降低，聲速、波幅偏?。?］。由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，再加上天氣原因，流入聲測(cè)管的污水或污泥，使耦合劑中含有大量雜質(zhì)。聲測(cè)管中渾濁水將顯著影響超聲檢測(cè)結(jié)果，如果在檢測(cè)過(guò)程中不加以分析并區(qū)別，很容易給檢測(cè)人員帶來(lái)誤判和漏判［6－7］。

1 耦合介質(zhì)水對(duì)基樁超聲波檢測(cè)的影響

1.1 散射衰減

散射衰減是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，它既和介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)，又與介質(zhì)中固體顆粒的性質(zhì)、形狀和數(shù)量有關(guān)，在大顆粒和高頻超聲波條件下產(chǎn)生的作用尤為顯著［8，9］。對(duì)于理論研究而言，一般都會(huì)做比較粗略的近似估算，即把這些粒子當(dāng)作完全剛性的、半徑為r的球狀物體。在這一設(shè)定條件下，如果單位體積中含有n個(gè)散射粒子，由瑞利理論［10］知。散射衰減系數(shù)

式中，f為超聲波波數(shù)，r為介質(zhì)中顆粒的尺寸大小，n為單位體積內(nèi)粒子數(shù)目，c為聲速。

從上式可以看到，超聲波在非均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，散射衰減系數(shù)αs與介質(zhì)中顆粒的數(shù)目n有關(guān)，其大小尺寸的三次方成正比。也就是說(shuō)在一定的介質(zhì)體系中，超粒子數(shù)目越多，換能器接收到的信號(hào)越弱，使散射衰減系數(shù)增大，進(jìn)而超聲波波速波幅會(huì)減小。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定超聲波檢測(cè)波速波幅與泥漿密度的關(guān)系

研究泥漿的密度對(duì)超聲波波速和波幅的影響，需要在泥漿粒徑值一定和超聲波頻率一定的條件下進(jìn)行。為了研究方便，將泥漿的粒徑值固定為10－6m，超聲波頻率45kHz時(shí)，取泥漿密度分別為1.005 g／cm3、1.010g／cm3、1.015g／cm3、1.020g／cm3、1.025g／cm3、1.030g／cm3、1.035g／cm3、1.040g／cm3、1.045g／cm3、1.050g／cm3雜質(zhì)的水作為耦合劑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的兩組C30混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)。以泥漿密度為變量得出超聲波速度與泥漿密度的關(guān)系曲線和超聲波波幅與泥漿密度的關(guān)系曲線。

圖2 不同泥漿密度時(shí)超聲波波幅變化

從圖1和圖2中可見(jiàn)，當(dāng)泥漿密度從1.005g／cm3逐漸升高到1.015g／cm3的過(guò)程中，各組試塊的超聲波波速和波幅幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。這是因?yàn)槟酀{密度很小，粒子間的相互作用很微弱，此時(shí)可以忽略粒子間的相互作用。隨著泥漿密度從1.015g／cm3逐漸升高到1.050g／cm3，波速和波幅都發(fā)生了不同程度的減小，其波幅減小的程度比波速要大，這是因?yàn)楫?dāng)泥漿密度達(dá)到一定值時(shí)，泥漿離子間的相互作用較大，不能忽略，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生多次散射波和黏滯的損耗，能量的損失對(duì)波幅的影響很明顯。

以上是對(duì)聲測(cè)管中均含有雜質(zhì)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，如圖3中11、12、13剖面為雙管泥漿?？紤]到在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，可能只有一根聲測(cè)管中混入了泥漿雜質(zhì)水，而其他聲測(cè)管都是清水的情況，如圖3中12、13剖面為單管泥漿，單管泥漿情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單管泥漿密度與超聲波波速波幅數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，受單管泥漿水的影響，波速與波幅值隨著泥漿密度的增加逐漸減小，其中在不同密度下的平均波速不低于4m／s，平均波幅的變化也沒(méi)有圖2明顯，參數(shù)變化趨勢(shì)大致與圖1和圖2一致，表明了單管泥漿水對(duì)樁基檢測(cè)結(jié)果的影響程度小于耦合劑都是雜質(zhì)水的情況。

圖3聲測(cè)管中均含有雜質(zhì)

圖4部分聲測(cè)管中有雜質(zhì)

2 聲測(cè)管中滲入泥漿案例分析

超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播，遇到不同聲阻抗的介質(zhì)組成的界面時(shí)，聲波會(huì)向不同方向散射，使其沿著相對(duì)復(fù)雜的路徑繼續(xù)傳播下去，最終一部分聲波傳播到了超聲波換能器，由超聲波換能器檢測(cè)到回波信號(hào)，而另一部分聲波可能到達(dá)不了超聲換能器，導(dǎo)致聲波能量的損耗［11－12］。在含有不同密度泥漿耦合介質(zhì)水的聲測(cè)管中，各種細(xì)小的固體顆粒大量存在，使得超聲波檢測(cè)在聲測(cè)管中就發(fā)生衰減，也延長(zhǎng)了超聲波的傳播時(shí)間，造成波速和波幅的急劇下降，波形嚴(yán)重畸變或無(wú)法接受波形，從而影響檢測(cè)結(jié)果［13－14］。現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)聲測(cè)管中滲入泥漿的不同情況進(jìn)行分析。

超聲波樁基檢測(cè)正常波形圖形

圖5為典型超聲波樁基檢測(cè)正常波形圖形。從波形圖可以看出檢測(cè)剖面波速v、波幅A曲線各測(cè)點(diǎn)測(cè)值離散性不大，且波速平均值在4.5m／s，屬混凝土正常取值。實(shí)測(cè)波形首波陡峭，后續(xù)波波幅增大，主頻漂移不大，且該漂移量較穩(wěn)定。綜合以上特征，該樁樁身完整性判定為Ⅰ類(lèi)樁。

案例：武漢市某改造工程高架橋建設(shè)中一根水下成孔灌注樁，該樁樁長(zhǎng)37m，樁徑1200mm，混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C35，樁身埋設(shè)三根聲測(cè)管，且呈三角形布置，12、13、23剖面的測(cè)管距離分別為：810 mm、800mm、810mm。圖6、圖7和圖8為該樁超聲波檢測(cè)波形圖形。

表2 聲測(cè)管中含有泥漿成孔灌注樁超聲波各檢測(cè)剖面的測(cè)試值

從波形圖可以看出，該樁波速波幅變化均勻，與正常實(shí)測(cè)波形相比，波速波幅在數(shù)值上都偏小，其中12剖面對(duì)比13、23剖面，波速與波幅在數(shù)值上小得多，而一般的波速范圍在4.4～4.8m／s。三個(gè)檢測(cè)剖面測(cè)試數(shù)據(jù)在35～37m處同時(shí)出現(xiàn)異常，波速明顯偏小，波幅明顯偏低，且都小于臨界值，經(jīng)過(guò)對(duì)36m處測(cè)點(diǎn)波形圖分析，發(fā)現(xiàn)3個(gè)剖面異常測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)波形與正常測(cè)點(diǎn)相比首波幅值明顯下降，后續(xù)波幅也有明顯降低，有些測(cè)點(diǎn)無(wú)法接收聲波信號(hào)，初步判定樁身混凝土強(qiáng)度較低，樁底有沉渣。仔細(xì)詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)施工人員澆筑情況，得知在混凝土澆筑完后，在挪移沖擊鉆孔機(jī)時(shí)不慎將其中1、2根聲測(cè)管磕碰，有可能滲入泥漿水，其中12剖面為聲測(cè)管均含有泥漿的聲測(cè)管，13、23剖面為只有一個(gè)聲測(cè)管有泥漿。

現(xiàn)場(chǎng)取三根聲管中溶液少許，測(cè)量泥漿的密度分別為1.033g／cm3、1.037g／cm3、1.002g／cm3，將檢測(cè)結(jié)果（表2）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低，但在控制范圍之內(nèi)，這是由于大的泥漿顆粒或砂石下沉，聚集在聲測(cè)管底部，導(dǎo)致管底泥漿密度增大，雜質(zhì)增多，波速和波幅明顯下降，這一特殊現(xiàn)象在波形圖中樁底35～37m處得到了很好的反映。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論的正確性，項(xiàng)目組組織現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)聲測(cè)管進(jìn)行高壓水沖洗，發(fā)現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)聲測(cè)管溢出水質(zhì)渾濁，且有泥團(tuán)和細(xì)小砂石冒出，而3號(hào)聲測(cè)管水質(zhì)良好。通過(guò)三到四遍的沖洗，再灌滿清水進(jìn)行超聲波檢測(cè)，此時(shí)波幅波速趨于穩(wěn)定，且達(dá)到正常值。結(jié)合上述檢測(cè)結(jié)果，表明不僅泥漿密度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響，會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)在數(shù)值上減小，雙管泥漿水檢測(cè)比單管檢測(cè)對(duì)聲學(xué)參數(shù)的影響要大。當(dāng)大的泥漿顆?；蛏笆练e在管底時(shí)，會(huì)加劇超聲波的衰減。

從現(xiàn)場(chǎng)了解到的情況，聲測(cè)管中滲入泥沙的情況有以下幾種：

1）孔口沒(méi)做好保護(hù)，流入污水或污泥的；

2）聲測(cè)管本身強(qiáng)度較低，當(dāng)澆筑混凝土?xí)r，巨大的沖擊作用易造成聲管變形破損，導(dǎo)致泥漿流入管中；

3）混凝土施工完成后，移除沖擊鉆時(shí)將聲測(cè)管折斷，且樁周?chē)粲杏倌啵?/p>

4）在破樁頭時(shí)，挖土機(jī)中泥土掉入聲測(cè)管，造成水中含有雜質(zhì)。

3 結(jié)論

1）通過(guò)不同泥漿密度的雜質(zhì)耦合劑水對(duì)樁基檢測(cè)結(jié)果影響分析，且結(jié)合工程實(shí)例對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泥漿密度很小時(shí)，由于耦合劑的稀釋作用，聲波在離子間的作用很小，可不考慮耦合劑的影響，即波幅波速無(wú)影響。

2）泥漿密度達(dá)到一定值時(shí)，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對(duì)超聲波檢測(cè)的影響越來(lái)越大，波幅和波速值越來(lái)越小。

3）泥漿水作為耦合劑有單管與雙管之分，雙管泥漿水檢測(cè)比單管的影響程度大。

4）對(duì)于聲測(cè)管中滲入泥漿溶液的情況，通常會(huì)出現(xiàn)大的泥漿顆粒下沉，導(dǎo)致管底泥漿密度增大，造成超聲波衰減更加嚴(yán)重。

5）在檢測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)波幅波速減小的，不應(yīng)僅考慮強(qiáng)度或沉渣原因，若是耦合劑引起的，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，避免造成誤判。

［1］ 陳凡，徐天平，陳久照.樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：222－312.

［2］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］ 劉強(qiáng).超聲波法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代物業(yè)（上旬刊），2015，14（7）：12－14.

［4］ 趙雪.淺談應(yīng)用聲波透射法進(jìn)行灌注樁檢測(cè)［J］.山西交通科技，2006，32（5）：53－55.

［5］ 張文耀.聲波透射法采用CBV判據(jù)分析樁身混凝土質(zhì)量［J］.福建建設(shè)科技，2008，10（1）：11－13.

［6］ 林仁德.灌注樁聲波透射法檢測(cè)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007.

［7］ 蔡林根.超聲波法檢測(cè)橋梁樁基的試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2007，33（1）：260－261.

［8］ 羅駭先，干平五.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2010，185－216.

［9］ 李 晨.樁基工程檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題［J］.四川建材，2006，32（4）：40－41.

［10］張全興.超聲波非均勻介質(zhì)傳播衰減特性研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2015.

［11］鄒 建.超聲波法在基樁檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，14（1）：40－55.

［12］王 寧，韓志型，王月明等.評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的聲發(fā)射相對(duì)強(qiáng)弱指標(biāo)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（2）：190－192.

［13］王丹陽(yáng).超聲波泥漿傳播衰減特性分析［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

［14］付玉軍，謝連生.超聲波法檢測(cè)橋梁樁基的探討［J］.湖南交通科技，2006，32（2）：90－92.

Effect of Couplant on Pile Ultrasonic Amplitude Analysis

HE Yingquan，F(xiàn)AN Ying，ZHENG Guang，ZHANG Lei
（School of Civil Engineering and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan，430068，China）

Clear－water as the ultrasound integrity of foundation pile test couplant in the underground foundation project has been widely used.Although relevant scholars of the impurities in water has studied the performance and achieved many results，the support of mud density performance factors is still unclear.The analysis is also far from perfect in this article to explore this.Based on the research of ultrasonic Sound Parameter and mud density concentration，and combined with the engineering data，this article analyses the couplant influence on pile ultrasonic testing.The results of this study indicate that when the mud density is smaller than a certain value，ultrasonic detection parameters effect is very small.But with the increase of mud density，the influence of couplant on ultrasonic testing parameter has a great influence.Wave velocity and wave volatility become increasingly small.It seriously affects the project on the analysis of testing data and testing of judgment，and brings the deviation to judge the correctness of the engineering results.Therefore，the research results of the article are very good to solve these problems.

ultrasonic；foundation pile integrity；couplant：ultrasonic sound parameter

TU197

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0107－04

2016－06－30

賀映全（1990－），男，湖北監(jiān)利人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖc土木工程

范 瑛（1969－），女，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)槁坊访胬碚?，道路與橋梁監(jiān)控