仇道剛

（南京銘創(chuàng)測(cè)控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

聲波透射檢測(cè)基樁完整性，是目前基樁檢測(cè)中非常普及的檢測(cè)方法之一。在基樁質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)，因其不受地質(zhì)條件影響、不受樁長(zhǎng)影響，能夠較為形象直觀地反應(yīng)樁身混凝土的質(zhì)量情況，較為準(zhǔn)確地判斷缺陷的位置和大?。?］，已經(jīng)被廣泛使用。筆者經(jīng)過大量的工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分聲波透射檢測(cè)有問題的樁，經(jīng)過取芯或者開挖驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果和檢測(cè)結(jié)果是相符合的；不過，也有一小部分的問題基樁，驗(yàn)證結(jié)果與檢測(cè)結(jié)果不相符。聲波透射檢測(cè)技術(shù)有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，深入地研究聲波透射測(cè)樁缺陷分辨精度的影響因素，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，讓這個(gè)檢測(cè)方法更好地發(fā)揮它的作用，具有實(shí)用的工程意義。

1 檢測(cè)精度的影響因素

影響缺陷檢測(cè)精度的因素有很多，但是它們的影響程度卻有很大的不同?；鶚妒橇Ⅲw的混凝土構(gòu)筑物，為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的，檢測(cè)方法把對(duì)基樁的整體質(zhì)量評(píng)價(jià)簡(jiǎn)化成若干剖面的質(zhì)量評(píng)價(jià)。對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)剖面，可以當(dāng)作一個(gè)二維坐標(biāo)，如圖 1 所示，要定位這個(gè)剖面的缺陷，就相當(dāng)于定位這個(gè)剖面上的某一個(gè)點(diǎn)，需要兩個(gè)坐標(biāo)（x，y）。聲波透射檢測(cè)最常用的是平測(cè)，其實(shí)平測(cè)只提供了 y 坐標(biāo)，沒有 x 坐標(biāo)。

為了方便描述，把影響因素分為兩類：①對(duì) x 、y 精度都有影響的因素；②只影響 x 的因素。

圖1 二維坐標(biāo)圖

1.1 對(duì) x、y 都有影響的因素

1）檢測(cè)步距。步距越小，檢測(cè)精度越高。例如，步距 100 mm，尺寸小于 100 mm的缺陷可能在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間。這時(shí)，缺陷無法檢測(cè)到。一般情況下，減小檢測(cè)步距可以提高檢測(cè)精度。但是，并不是一味地降低步距，檢測(cè)精度就會(huì)一直升高，因?yàn)闄z測(cè)精度還同時(shí)受到別的因素的影響，最終的檢測(cè)精度，是若干影響因素共同作用的結(jié)果。

2）徑向換能器有效工作段的長(zhǎng)度。徑向換能器有效工作段的長(zhǎng)度越小，檢測(cè)精度越高。例如，徑向換能器有效工作段的長(zhǎng)度 150 mm，尺寸小于 150 mm 的缺陷可能是檢測(cè)不出來的。因?yàn)閺较驌Q能器是柱狀聲源，對(duì)于檢測(cè)剖面來說是線聲源，而聲波檢測(cè)缺陷尺寸推算是基于傳統(tǒng)的點(diǎn)聲源模式，線聲源的長(zhǎng)度決定了分辨能力［2］。目前，常用徑向換能器有效工作段長(zhǎng)度一般為 150 mm。

3）聲波在混凝土里傳播的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越小，檢測(cè)精度越高。基樁檢測(cè)所用聲波頻率一般為 50 kHz，在混凝土里的波長(zhǎng)為 100 mm 左右，尺寸小于或者與波長(zhǎng)接近的缺陷是分辨不出來的，只有尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的缺陷才能被分辨出來［3］。

這 3 個(gè)影響因素其實(shí)是同時(shí)存在、共同影響的。它們的最大值決定了檢測(cè)精度。例如，步距 100 mm、徑向換能器有效工作段長(zhǎng)度 150 mm、波長(zhǎng) 100 mm，那么檢測(cè)精度是 150 mm。由此可見，這個(gè)時(shí)候再提高檢測(cè)的步距已經(jīng)沒有意義了。

4） 聲測(cè)管的平行度。聲測(cè)管越平行，誤差越小。聲速不是直接測(cè)量的值，它是根據(jù)測(cè)距和聲時(shí)計(jì)算出來的值。因此聲速的測(cè)試精度取決于測(cè)距和聲時(shí)的測(cè)試精度。而測(cè)距是樁頭聲測(cè)管管距的測(cè)量值，代替整個(gè)剖面的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)距，因此聲測(cè)管的平行度對(duì)聲速測(cè)試精度影響很大。同時(shí)，因?yàn)槁暅y(cè)管不平行帶來的對(duì)聲速的影響是漸變的、有規(guī)律的，而缺陷一般都是突變的。所以，非嚴(yán)重的聲測(cè)管傾斜對(duì)缺陷判斷影響不大。

5）采樣周期 T。采樣周期越小，精度越高?；鶚稒z測(cè)時(shí)常用采樣周期是 1 μs 或者 0.5 μs，采樣周期即為聲時(shí)的測(cè)讀精度。例如，采樣周期 1 μs，聲時(shí)測(cè)讀精度就是 1 μs，樁徑 1 000 mm 時(shí)，聲時(shí)在 150 μs（管距越大，聲時(shí)越大）左右，那么采樣周期對(duì)聲時(shí)的誤差小于 1 %。所以采樣周期對(duì)聲時(shí)影響較小，也就是對(duì)聲速影響較小。并且是樁徑越大，影響越小。

1.2 只影響 x 的因素

斜測(cè)角度（斜測(cè)時(shí)，兩個(gè)徑向換能器的中心連線與水平線夾角的大小，以下簡(jiǎn)稱“斜測(cè)角度”），是一個(gè)只影響 x 的因素。斜測(cè)角度越大，對(duì)基樁徑向上缺陷分辨精度越高。斜測(cè)角度如果等于 0°，其實(shí)就是平測(cè)。斜測(cè)角度等于 90°時(shí)，平測(cè)加斜測(cè)剛好是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二維坐標(biāo)，此時(shí)檢測(cè)精度最高。但是，由于基樁是長(zhǎng)徑比較大的構(gòu)筑物，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于技術(shù)限制，斜測(cè)角度無法做到太大。

2 平測(cè)的局限性

聲波透射測(cè)樁最常用的是平測(cè)，平測(cè)也是普檢的常用方法。平測(cè)對(duì)基樁缺陷在基樁軸向上能做到定量。但是平測(cè)也有局限性。①特殊情況的缺陷，平測(cè)是無法分辨的。例如，基樁的水平裂縫、混凝土水平結(jié)合面。由于薄層狀缺陷和聲測(cè)線是平行的，聲測(cè)線沒有穿過缺陷，故無法檢測(cè)。②平測(cè)數(shù)據(jù)只能分辨缺陷基樁軸向上的位置和大小，無法分辨缺陷在基樁徑向上的位置和大小。一般遇到平測(cè)有問題的樁，需要做斜測(cè)來進(jìn)一步確定缺陷在基樁徑向上的位置和大小。例如，如圖 2 所示，兩個(gè)剖面平測(cè)數(shù)據(jù)都是在 3.5～4 m 有缺陷，僅僅知道缺陷在基樁軸向上的大小范圍是 0.5 m，缺陷在基樁徑向上的位置和大小，平測(cè)數(shù)據(jù)是無法提供的。圖 2 的這兩種缺陷，在平測(cè)數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出的嚴(yán)重程度是一樣的，但是實(shí)際的缺陷情況卻大相徑庭。這時(shí)，要通過斜測(cè)來進(jìn)一步地確定缺陷的位置和大小。如果再加入扇測(cè)，結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確，但是扇測(cè)（扇測(cè)法由于測(cè)試工作量巨大，測(cè)試時(shí)測(cè)距是變化的，目前數(shù)據(jù)分析沒有公認(rèn)判據(jù)）不適合日常工程檢測(cè)。

圖2 平測(cè)局限性示意圖

3 理論缺陷模型分析

依據(jù)聲波透射測(cè)樁的基本檢測(cè)原理，當(dāng)聲測(cè)線遇到缺陷時(shí)，聲學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)這個(gè)原理分別繪制幾個(gè)不同斜測(cè)角度的缺陷分析圖，選取了 3 種有代表性缺陷的尺寸：橫向尺寸較大，如圖 3 所示；豎向尺寸較大，如圖 4 所示；橫向豎向尺寸接近，如圖 5 所示。分別以 30°、60°為斜測(cè)角度，繪制缺陷示意圖，圖中的實(shí)際缺陷分別為矩形、橢圓、圓。左右兩端的深顏色三角形是數(shù)據(jù)分析缺陷的誤判區(qū)域。通過圖 3～5，可以得到以下結(jié)論：①數(shù)據(jù)分析出的缺陷都大于實(shí)際的缺陷；②斜測(cè)角度越大，缺陷的誤判區(qū)域越小；③豎向尺寸大的缺陷，在斜測(cè)角度小的情況下，誤判的區(qū)域更大。為了便于描述，這里只列舉了幾種規(guī)則形狀的缺陷和兩個(gè)不同的角度的情況。其實(shí)，對(duì)于任意形狀的缺陷、不同的角度，最終的結(jié)論是一樣的。在實(shí)際的工程中，遇到聲波透射數(shù)據(jù)異常，需要取芯驗(yàn)證的基樁，取芯孔位置的確定主要取決于對(duì)缺陷在基樁徑向上大小和位置的判斷，這個(gè)判斷主要是斜測(cè)數(shù)據(jù)提供的。

圖3 橫向尺寸較大缺陷模型圖（矩形）

圖4 縱向尺寸較大缺陷模型圖（橢圓）

圖5 橫向縱向尺寸接近缺陷模型圖（圓形）

4 建議

以上，筆者只是從檢測(cè)原理的角度分析這個(gè)問題。在實(shí)際工程檢測(cè)中，是否能做到較大的斜測(cè)角度，還受到儀器設(shè)備性能的限制。因?yàn)樾睖y(cè)角度大了，儀器接收信號(hào)的幅值會(huì)隨斜測(cè)角度增大迅速減小，可能造成無法正常接收信號(hào)。近年來，隨著科技的發(fā)展，基樁儀器設(shè)備的性能也在不斷發(fā)展與提高。接收信號(hào)強(qiáng)、靈敏度高的檢測(cè)設(shè)備不斷出現(xiàn)。筆者認(rèn)為斜測(cè)角度的選擇應(yīng)該是在保證設(shè)備有良好的信號(hào)接受條件下，盡量選大的斜測(cè)角度。在此，筆者建議有關(guān)部門，開展斜測(cè)角度對(duì)測(cè)試精度的研究工作，給予檢測(cè)者以正確的指導(dǎo)，進(jìn)一步提高聲波透射檢測(cè)的缺陷分辨精度，更好地為工程質(zhì)量服務(wù)。

5 工程實(shí)例

某橋梁灌注樁，樁徑 1 000 mm，檢測(cè)樁長(zhǎng) 26.6 m。聲波透射檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)平測(cè)數(shù)據(jù) 1-2 剖面在 4.2～4.9 m位置有缺陷，1-3 剖面在 4.2～4.6 m 有缺陷，平測(cè)曲線如圖 6 所示。為了驗(yàn)證不同斜測(cè)角度對(duì)缺陷大小判斷的影響，分別通過30°、60°兩個(gè)角度分別對(duì) 1-2 剖面進(jìn)行了斜測(cè)，1-2 剖面的 30°斜測(cè)缺陷示意圖如圖 7 所示，1-2 剖面的 60°斜測(cè)缺陷示意圖如圖 8 所示，高度和管距均是按照 1∶1 的比例繪制，測(cè)試步距都是 100 mm。所用設(shè)備為 MC-6360 型多通道超聲基樁檢測(cè)儀。通過分析綜合判定，缺陷在 1 號(hào)管附近。并且在徑向上向 2 號(hào)管延伸大約 20 cm 左右。綜上所述，驗(yàn)證方法采用開挖的方式，開挖僅在 1 號(hào)管附件進(jìn)行，并沒有大面積開挖，開挖結(jié)果如圖 9～10 所示。實(shí)際缺陷類型是空洞。缺陷的大小和尺寸，跟 60°斜測(cè)數(shù)據(jù)分析的更接近。

圖6 平測(cè)曲線圖

圖7 30°斜測(cè)缺陷米格圖

圖8 60°斜測(cè)缺陷米格圖

6 結(jié)語

圖9 現(xiàn)場(chǎng)開挖圖

圖10 開挖缺陷細(xì)節(jié)圖

聲波透射測(cè)樁是一項(xiàng)成熟的檢測(cè)技術(shù)。在工程應(yīng)用中，目前還是平測(cè)使用最多，斜測(cè)在工程中相對(duì)而言用的還是比較少。但是，在對(duì)于一些有問題的樁，做定量分析時(shí)，尤其是取芯驗(yàn)證時(shí)，斜測(cè)是必要的手段。取芯驗(yàn)證的關(guān)鍵取決于缺陷在基樁徑向上的定位，缺陷在基樁徑向上的定位關(guān)鍵取決于斜測(cè)，斜測(cè)的關(guān)鍵取決于斜測(cè)角度。Q