摘要：本文介紹了超聲波檢測(cè)樁基完整性的理論基本原理以及聲學(xué)參數(shù)在混凝土缺陷中的變化情況，闡述了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)方法、零聲時(shí)校準(zhǔn)、首波正確信號(hào)的認(rèn)知以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試常見(jiàn)問(wèn)題，總結(jié)得出了通過(guò)聲速、波幅、PSD判據(jù)、實(shí)測(cè)波形、主頻（或頻譜）等基本物理量來(lái)綜合判斷樁身混凝土的缺陷，列舉了實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中常遇到的樁底沉渣和Ⅱ類樁的信號(hào)曲線分析。實(shí)踐證明，采用超聲波技術(shù)檢測(cè)樁身完整性能形象直觀地判斷混凝土的缺陷位置及大小。

關(guān)鍵詞：超聲波；首波；混凝土缺陷；應(yīng)用實(shí)例

中圖分類號(hào)：U443.16""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）05?0223?04

Application of Ultrasonic Technology in Pile Body Integrity Detection

LI Bo

（Zhuhai Traffic Engineering Quality Monitoring Station， Zhuhai Guangdong 519070， China）

Abstract： This paper introduces the theoretical principle of ultrasonic pile foundation integrity and the change of acoustic parameters in concrete defects， and expounds the actual detection method， calibration at zero sound， recognition of first wave correct signal and common problems of field test. The terms of the sound velocity， the amplitude， the PSD criterion， the main frequency （or the spectrum）. The signal curve analysis of pile bottom sediment and class pile often encountered in the actual detection process is listed. It is practically proved that ultrasonic technology is used to detect the complete performance of pile body and judge the defect position of concrete.

Key words： ultrasonic wave; first wave; concrete defect; application example

0 引言

現(xiàn)在，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和工程建設(shè)的需要，樁基礎(chǔ)已在房屋建筑、橋梁碼頭、桿塔結(jié)構(gòu)和海上石油平臺(tái)等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用?[1]，而且我國(guó)在樁的設(shè)計(jì)計(jì)算、施工管理、成樁檢測(cè)等方面領(lǐng)先世界，以及在超聲波層析成像CT技術(shù)方面也不斷進(jìn)步、更新?[2]。樁基檢測(cè)主要有完整性和承載力兩個(gè)重要指標(biāo)，樁在設(shè)計(jì)勘察準(zhǔn)確的前提下，樁身完整性滿足要求則樁承載力必定合格，反之，完整性不滿足要求則承載力不一定達(dá)到要求，由此推理：完整性檢測(cè)極為重要?[3]?；鶚锻暾詸z測(cè)包括低應(yīng)變反射波法、聲波透射法、鉆孔取芯、高應(yīng)變法動(dòng)力檢驗(yàn)，其中超聲波是從樁底向上連續(xù)性檢測(cè)，連續(xù)性包含了樁長(zhǎng)不夠的情況；雖然樁身完整性存在缺陷對(duì)承載力影響沒(méi)有具體量化值，但肯定會(huì)影響到樁身承載力的發(fā)揮，對(duì)于樁身缺陷類型的判定應(yīng)綜合地質(zhì)資料、樁型、成樁工藝和施工記錄等進(jìn)行綜合判斷。

1 超聲波透射法原理

1.1 聲波在介質(zhì)中的聲學(xué)特征

1.2 聲波檢測(cè)工作中的三個(gè)重要原理

1.2.1 費(fèi)瑪原理

聲波在物體介質(zhì)內(nèi)的傳播，必定會(huì)沿著最佳、最短的路徑傳播。如遇障礙物（缺陷）尺寸大于波長(zhǎng)，傳播路徑將發(fā)生反射或折射；如遇障礙物（缺陷）尺寸與波長(zhǎng)相近，傳播路徑將發(fā)生繞射；

1.2.2 疊加原理

在聲波的傳播過(guò)程中，有時(shí)從不同路徑傳播的聲波先后到達(dá)接收點(diǎn)，在接收換能器將按照到達(dá)的先后順序，重疊成新的脈沖聲波信號(hào)，其結(jié)果會(huì)使得接收到的波形復(fù)雜、畸變。

1.2.3 惠更斯原理

其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動(dòng)狀態(tài)是由各處的波動(dòng)決定的。物理理解就是聲波的傳播是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)并擾動(dòng)相鄰質(zhì)點(diǎn)依次產(chǎn)生的，所以在聲波波前上的任一質(zhì)點(diǎn)都可以視為新的點(diǎn)振源。

1.3 超聲波在混凝土缺陷中傳播原理

鉆孔灌注樁由混凝土組成，成樁工藝在水下施工過(guò)程存在不確定性，屬于隱蔽工程，可能存在蜂窩、夾泥、離析、裂隙、洞穴、縮徑擴(kuò)徑、斷樁等施工缺陷，產(chǎn)生聲波的阻抗力降低。把混凝土當(dāng)作彈性介質(zhì)，則聲波傳播遵循彈性波規(guī)律，發(fā)射換能器發(fā)射的聲波經(jīng)過(guò)耦合劑傳到聲測(cè)管，再經(jīng)過(guò)混凝土到達(dá)另一個(gè)聲測(cè)管和接收換能器，這個(gè)過(guò)程形成復(fù)雜的聲波場(chǎng)地，聲波會(huì)沿著不同的路徑進(jìn)行傳播，由于路徑長(zhǎng)短不一，所以最終到達(dá)接收換能器的時(shí)間也不一樣，當(dāng)最短的一條聲波被接收探頭接收到信號(hào)時(shí)，所測(cè)信號(hào)會(huì)形成首次起跳，即：所謂的“首波”，若兩管（發(fā)射和接收換能器）之間混凝土完好，就認(rèn)為這條路徑最短，聲速相應(yīng)高，是已知參數(shù)，而首波到達(dá)的時(shí)間還包括：儀器零聲時(shí) 、聲測(cè)管零聲時(shí) 、水的零聲時(shí) ，故必須扣除零聲時(shí)，由此可知聲波在兩換能器之間傳播的實(shí)際時(shí)間，便可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲速?[5]。當(dāng)混凝土存在夾泥、離析、裂隙、洞穴、縮徑擴(kuò)徑、斷樁等施工缺陷，破壞了介質(zhì)的連續(xù)性，聲波傳播路徑復(fù)雜了，此時(shí)聲波會(huì)穿過(guò)或繞過(guò)這些缺陷進(jìn)行傳播，那么路徑比原來(lái)的直線距離增長(zhǎng)，相應(yīng)聲時(shí)也延長(zhǎng)，這樣波速就降低了，聲波遇到空洞和夾泥、離析、裂縫等缺陷，會(huì)產(chǎn)生反射和散射，能量遞減，所以接收到的信號(hào)中波幅突然降低，頻率突然減小，再次，收發(fā)換能器間不同路徑聲波疊加，重疊后兩者干擾，導(dǎo)致接收的信號(hào)波形畸形。由此可知，聲波通過(guò)樁身混凝土缺陷時(shí)，其聲學(xué)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)：波形紊亂、振幅降低、波速降低、主頻信號(hào)發(fā)生變化等物理變化特征。根據(jù)這些聲學(xué)參數(shù)的變化和測(cè)量值來(lái)分析、計(jì)算樁身混凝土的完整性??[6]，評(píng)判樁身類別。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

根據(jù)檢測(cè)流程來(lái)準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工作，采用直接法或率定法來(lái)獲取標(biāo)定儀器的零聲時(shí)，按照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程一般步驟是：首先，測(cè)量各聲測(cè)管間距（應(yīng)測(cè)量管壁內(nèi)間距）、復(fù)核聲測(cè)管標(biāo)高；將換能器放置到聲測(cè)管底部，復(fù)核各聲測(cè)管深度是否一致；將換能器、計(jì)數(shù)滑輪分別與聲波儀主機(jī)連接好；其次，為了拉線順滑，在管口安裝線輪，防止聲測(cè)管口毛刺損壞測(cè)線，開(kāi)機(jī)，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)并調(diào)整好首波；最后，正式采樣，勻速向上同步提升換能器至樁頂部；對(duì)于有疑問(wèn)或者沒(méi)有測(cè)試好的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測(cè)；保存測(cè)試數(shù)據(jù)，收納好相應(yīng)的配件，開(kāi)始采用平測(cè)由樁底往上提升核查所有剖面的聲學(xué)信號(hào)，出現(xiàn)波形畸變的位置時(shí)，對(duì)缺陷異常部位進(jìn)行加密、斜測(cè)或扇形檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的目的是測(cè)得樁身有效、完整的信號(hào)，以便于檢測(cè)工程師能夠準(zhǔn)確地對(duì)樁身完整性做出正確的結(jié)論。而現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)首波采集的正確與否，則決定了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的成功與失敗。

首波是接收到的超聲波的第一個(gè)波峰或波谷信號(hào)，其重要性是反映出了判別樁身完整性的幾個(gè)重要聲學(xué)參數(shù)：聲時(shí)（T）、聲速（V）、波幅（dB）、PSD等，正確信號(hào)的首波應(yīng)該滿足以下兩點(diǎn)基本要求：（1）首波的起跳點(diǎn)應(yīng)距離顯示窗口約1/3之一處（或者離屏幕左邊緣2公分左右）；（2）首波的峰值（或谷值）應(yīng)在門限線以外且不溢出屏幕。注意：現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和延遲時(shí)間功能，采集到正確的首波信?號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常見(jiàn)不規(guī)范操作：（1）水平測(cè)試時(shí)，換能器不在同一水平位置（易使缺陷放大，造成誤判）；（2）拉線速度不均勻，造成首波前面有干擾信號(hào)（拉線三慢原則，樁底慢、缺陷處慢、樁頭慢）；當(dāng)拉線快到樁頂部時(shí)，如聲測(cè)管缺水應(yīng)及時(shí)補(bǔ)水；（3）延遲時(shí)間和增益調(diào)得不合適，聲測(cè)管發(fā)生堵管時(shí)尤其要注意；（4）不按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行聲測(cè)管編號(hào)。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與結(jié)果判定

樁身完整性主要依據(jù)實(shí)測(cè)聲速與正?；炷恋穆曀伲ɑ蚱骄担┑钠x程度、缺陷混凝土和正?；炷敛ㄐ蜗啾鹊幕?，實(shí)測(cè)缺陷處與同一剖面內(nèi)正常混凝土波幅（或平均值）的偏離程度、混凝土缺陷處的PSD判據(jù)突變幅度，綜合推斷混凝土的缺陷程度。

3.1 判斷樁內(nèi)缺陷的基本物理量

3.1.1 聲速

聲速是分析混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，聲速低，表明聲波在混凝土中遇到缺陷所傳播的路徑變長(zhǎng)，聲速高，則混凝土密實(shí)無(wú)缺陷，傳播距離短。規(guī)范中以概率法和聲速低限值來(lái)分析判斷波速，即：某剖面聲測(cè)線聲速不大于聲速異常判斷臨界?[6]。

3.1.2 波幅

對(duì)缺陷反應(yīng)最敏感的是首波波幅，與聲速相比其值不穩(wěn)定，原因?yàn)椴ǚ艿酵饨缭S多因素（如管距、耦合、儀器等）的影響。即：同一剖面各測(cè)點(diǎn)波幅平均值的一半為波幅異常的臨界值判據(jù)。

3.1.3 PSD判據(jù)（斜率法判據(jù)）

PSD判據(jù)的原理，依據(jù)樁身某一測(cè)點(diǎn)剖面的實(shí)測(cè)聲時(shí)、高程，便知一個(gè)以實(shí)測(cè)聲時(shí)為因變量，高程為自變量的數(shù)學(xué)函數(shù)，無(wú)缺陷時(shí)，函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)可導(dǎo)的，此剖面有缺陷時(shí)，缺陷與正?；炷练纸缣帲暯橘|(zhì)性質(zhì)突然變化，聲時(shí)也突變，當(dāng)函數(shù)趨于零時(shí)，聲速不趨于零，即函數(shù)在此處不可導(dǎo)，因此缺陷界面位置就是函數(shù)不可導(dǎo)點(diǎn)?[7]。某剖面測(cè)點(diǎn)的PSD判據(jù)是根據(jù)實(shí)測(cè)聲時(shí)計(jì)算來(lái)的，繪制“深度?判據(jù)值”曲線，以PSD值在某處的突然變化，以及波幅變化情況，判定異常點(diǎn)。即：聲時(shí)和深度曲線上相鄰兩點(diǎn)連線的斜率與聲時(shí)差相乘就是PSD值。

3.1.4 實(shí)測(cè)聲波波形

判斷樁身缺陷以實(shí)測(cè)波形畸變?yōu)閰⒖?，聲波通過(guò)缺陷時(shí)，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)復(fù)雜的聲場(chǎng)的波束疊加，產(chǎn)生畸?變。

3.1.5 主頻（或頻譜）

具有多種頻率脈沖成分的復(fù)頻波，傳播經(jīng)過(guò)混凝土?xí)r，遇到缺陷時(shí)各頻率成分的衰減程度不同，低頻部分衰減沒(méi)有高頻部分嚴(yán)重，從而使接收信號(hào)的主頻漂移越大，該點(diǎn)缺陷越大。

3.1.6 樁身混凝土缺陷的綜合判定

檢測(cè)最終目的是通過(guò)所測(cè)聲學(xué)參數(shù)來(lái)判定樁身完整性，由于隱蔽工程的施工工藝復(fù)雜，不可預(yù)見(jiàn)因素多，難度大，混凝土硬化環(huán)境條件和其他因素難以預(yù)見(jiàn)，因此樁身混凝土質(zhì)量的離散性和不確定性比橋梁上部可見(jiàn)結(jié)構(gòu)要高，所以聲學(xué)參數(shù)臨界值、聲速低限值、PSD判據(jù)、加密測(cè)試后的可疑點(diǎn)按現(xiàn)行規(guī)范樁身完整性判定特征來(lái)綜合判定，

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)全過(guò)程中進(jìn)行了綜合分析，可參照以下五點(diǎn)要求：（1）對(duì)樁各剖面采用平測(cè)法全面核查；（2）對(duì)各剖面的聲學(xué)特性進(jìn)行綜合分析，明確異常點(diǎn)范圍；（3）采用斜測(cè)、扇測(cè)等加密測(cè)試異常范圍；（4）?樁身缺陷范圍和程度由每個(gè)剖面的加密測(cè)試結(jié)果綜合推斷；（5）在明確樁身的缺陷范圍和程度后，參照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）?[8]進(jìn)行判定，還需要綜合考慮摩擦和端承樁的承載機(jī)理、抗壓、抗拔、水平等受力要求，基樁類型，缺陷在樁身的部位。由于超聲波是通過(guò)徑向換能器發(fā)射、接收聲學(xué)信號(hào)來(lái)分析樁身完整性，那么對(duì)于嵌巖和端承樁宜結(jié)合小應(yīng)變反射波法來(lái)核驗(yàn)樁端入巖情況，確?；鶚峨[蔽工程的檢測(cè)無(wú)死角。

4 聲波透射法檢測(cè)樁基實(shí)例分析應(yīng)用

實(shí)例1：某高速公路橋梁樁基8?2#樁，砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度C35，樁的直徑1"600mm，樁長(zhǎng)76.50m，埋設(shè)三根管，管距均是1"050mm，聲波檢測(cè)曲線見(jiàn)圖1，按規(guī)范從樁底往上勻速檢測(cè)，超聲波檢測(cè)的聲速平均值和臨界值以及波幅平均值和臨界值見(jiàn)表1。

根據(jù)表1所列的聲學(xué)參數(shù)及檢測(cè)曲線圖1，進(jìn)行綜合判定，此樁有輕微缺陷，存在聲學(xué)參數(shù)輕微異常，波形輕微畸變的異常聲測(cè)線，波形基本正常，1?2和1?3剖面在32.0m處各有一點(diǎn)聲速和波幅均小于臨界值，還在2#管67.0m處沒(méi)有曲線信號(hào)應(yīng)為堵管現(xiàn)象，1?2和2?3剖面無(wú)法測(cè)到樁底，綜合判定為Ⅱ類樁。

實(shí)例2：某高速公路橋梁樁基71?1#樁，砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，樁的直徑1"600mm，樁長(zhǎng)71.3m，埋設(shè)三根管，1?2、2?3、1?3剖面的管距分別為：1"050mm、1"057mm、1"061mm。聲波檢測(cè)曲線見(jiàn)圖2，按規(guī)范從樁底往上勻速檢測(cè)，超聲波檢測(cè)的聲速平均值和臨界值以及波幅平均值和臨界值見(jiàn)表2。

根據(jù)表2所列的聲學(xué)參數(shù)及檢測(cè)曲線圖2，進(jìn)行綜合判定，此樁有輕微缺陷，13.0m處聲速和波幅小于臨界值，樁底70.5m處聲速和波幅值明顯小于臨界值，可綜合判定樁底有沉渣，完整性類別由Ⅳ類往Ⅰ類依次判定。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上某高速公路橋梁樁基實(shí)測(cè)常見(jiàn)分析數(shù)據(jù)，雖不能定性，但在典型實(shí)例1、2分析曲線圖形中，清晰可見(jiàn)缺陷的嚴(yán)重程度和范圍，結(jié)合表1、2中聲速和波幅等聲學(xué)信號(hào)來(lái)綜合評(píng)判，順序由Ⅳ類往Ⅰ類判定，切勿輕判錯(cuò)判，混凝土為現(xiàn)今使用最多、最廣泛的一種材料，水下灌注樁作為隱蔽工程中的施工不可控因素多，且最重要的受力基礎(chǔ)，一旦有了問(wèn)題，將對(duì)橋梁運(yùn)行帶來(lái)災(zāi)難性的后果。

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