左鴻鵬

(山西交院試驗檢測有限公司，山西 太原 030006)

1 聲波透射法基本原理

利用聲波在彈性介質(zhì)中傳播前后的參數(shù)變化來反映介質(zhì)的相關性能是超聲波無損檢測的基本原理。目前用于混凝土結構檢測的聲波主要為縱波，一般用聲速、波幅、頻率來表征聲波的性狀。聲速取決于聲波類型、介質(zhì)形態(tài)、邊界條件，基樁檢測時通常以聲時表征聲速；波幅表征質(zhì)點間作用力，即壓電晶體電壓值；頻率則表達超聲波強度交變快慢。

2 聲學參數(shù)異常及后果

由本單位2016～2018年的檢測結果統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，因非質(zhì)量引起的聲學參數(shù)異常率較高見表1，影響完整性的準確評定，需進行復測甚至采取開挖、取芯、承載力檢測等方式進行驗證，這不僅大大增加檢測成本、影響工程進度見表2，且影響對工程質(zhì)量的客觀評價。

表1 2016～2018年基樁超聲檢測結果統(tǒng)計

由表2可知，由非樁身質(zhì)量引發(fā)的聲學參數(shù)異常率達8.3%，年均復測費用高達16.3萬元，累計復測天數(shù)達62.1 d，同其他檢測單位交流發(fā)現(xiàn)，普遍存在非質(zhì)量引發(fā)聲學參數(shù)異常率較高的問題，干擾基樁質(zhì)量的準確評定，需驗證的基樁頻率高，不僅影響檢測效率還增加檢測成本，影響工期。

表2 2016～2018年基樁復測信息統(tǒng)計

3 超聲檢測聲學參數(shù)異常分析

3.1 探頭徑向擺動問題

超聲檢測中，徑向探頭直徑一般為20 mm，聲測管內(nèi)徑為50 mm。一般徑向探頭前部裝有防止探頭過度擺動、震蕩的扶正器，隨著探頭的頻繁的使用，扶正器會不斷磨損、變形，使其扶正作用減弱。經(jīng)過對探頭扶正器檢查，發(fā)現(xiàn)扶正器有不同程度的磨損、變形，有效尺寸已接近探頭直徑，基本已失去扶正作用。實際檢測中，不同項目或同一項目不同批號的聲測管內(nèi)徑均有一定的差異，但儀器所配的扶正器規(guī)格相同，且尺寸較小，扶正效果有限，難以滿足檢測需求。

聲波始發(fā)波在混凝土中聲時一般在為200 μs左右，而探頭在發(fā)生擺動、震蕩時，始發(fā)波在耦合劑中通行時間最大相差可達40 μs，實際檢測中，這部分時間差將被計算在混凝土中，故探頭擺動、震蕩導致的聲時偏差將高達20%，而正?；炷谅晻r偏差為5%左右(始發(fā)波在耦合劑中聲時極差10 μs)。

3.2 耦合劑問題

(1)現(xiàn)場耦合劑使用現(xiàn)狀

超聲檢測要求耦合劑為清水，然而公路修建遠離市區(qū)，水資源匱乏，且現(xiàn)場地勢高低縱橫，運水極為不便，一般聲測管中灌注水為現(xiàn)場施工用水、河水、開挖時滲出的地下水等，水質(zhì)潔凈程度不一。

(2)耦合劑凈潔度對聲學參數(shù)的影響

①超聲檢測時聲波必須通過耦合劑才可進入檢測介質(zhì)，耦合劑同時也是傳播介質(zhì)之一，根據(jù)聲波衰減理論，介質(zhì)越均勻，聲波傳輸能量散射衰減越小，聲學參數(shù)越穩(wěn)定，反之，聲波能量衰減越大，聲學參數(shù)變化越大。

②為確定耦合劑潔凈程度對聲學參數(shù)的影響，將一立方試塊置于方形水槽內(nèi)，用以模擬基樁，以密度來表征泥沙含量，分析耦合劑潔凈程度對聲學參數(shù)的影響，結果如表3。

表3 耦合劑潔凈度室內(nèi)模擬試驗

如表3所示，耦合劑中泥沙含量同聲學參數(shù)畸變成正相關關系，當耦合劑密度達到1.1.0時便會引起聲波能量急速衰減，聲學參數(shù)嚴重異常，波形嚴重畸變。

③耦合劑分層

由以上分析，耦合劑中的泥沙對聲學參數(shù)影響明顯。耦合劑中泥沙隨著時間會自然沉淀，在聲測管中形成渾濁程度不同的水層，當探頭通過不同的分層時，聲學參數(shù)表現(xiàn)也不同，表現(xiàn)為下層聲學參數(shù)異常率高、波形畸變，中間層聲學參數(shù)中度異常、波形輕微畸變，上層聲學參數(shù)正常或輕微異常。

4 超聲檢測聲學參數(shù)異常對策研究

4.1 控制始發(fā)波在聲測管中的聲時差

由上述研究可知，聲波始發(fā)波在聲測管中的聲時差主要來源于徑向探頭的擺動、震蕩，破解方法為通過扶正器控制徑向探頭同聲測管內(nèi)壁間的間距，在不影響移動的前提下，將聲波始發(fā)波在聲測管中的聲時偏差控制在合理范圍內(nèi)。根據(jù)工程實際，采用厚度為3 mm的橡膠材料制作45 mm、40 mm、35 mm三種扶正器，可滿足不同聲測管內(nèi)徑要求，將耦合劑中聲時偏差控制在5 μs以內(nèi)，不僅大大降低了探頭在聲測管中的擺動空間，且材料不易翹曲變形，實施效果顯著。不同尺寸扶正器始發(fā)波在耦合劑中聲時始發(fā)波在耦合劑中聲時見表4。

表4 始發(fā)波在耦合劑中聲時極差

4.2 提升耦合劑質(zhì)量

(1)控制耦合劑質(zhì)量

基樁完整性現(xiàn)場檢測影響因素多，檢測結果關乎多方責任，現(xiàn)場檢測環(huán)境、資源有限，需要施工單位的大力配合。耦合劑作為檢測成敗的關鍵，耗時費力，所以檢測前耦合劑灌注的技術交底尤為重要。積極主動的溝通交流、適時的現(xiàn)場指導有助于提升耦合劑的整體質(zhì)量，為檢測的圓滿完成墊定基礎。

(2)耦合劑重復利用

基樁超聲檢測需水量大，一根30 m長4孔超聲檢測需水量達250 L。高速公路建設現(xiàn)場遠離市區(qū)，清水來源有限，檢測用水成本高，大量水資源檢測后失去價值，浪費嚴重。所以耦合劑重復使用，不僅可降低檢測成本，且提高資源利用率。采用施工現(xiàn)場常備的抽水泵配合足夠長軟水管可以實現(xiàn)水資源的重復利用，將已檢測合格的基樁聲測管中的清水抽出就近灌注于待測樁中即可，若安排合理，可節(jié)省近1/3的水資源。

5 結 論

經(jīng)過對基樁超聲檢測中非質(zhì)量引發(fā)聲學參數(shù)異常原因分析，發(fā)現(xiàn)因徑向探頭擺動、震蕩導致的聲時偏差高達20%；耦合劑中泥沙含量同聲學參數(shù)異常率成正相關關系。通過研制扶正器、控制耦合劑，將由非質(zhì)量引發(fā)聲學參數(shù)異常率由年均8.3%降低至2.6%。不僅提高了基樁檢測數(shù)據(jù)有效率，且降低復測、驗證的數(shù)量，節(jié)約了檢測成本，縮短了復測周期，工程實踐效益顯著。