羅劍

（深圳市港嘉工程檢測(cè)有限公司）

0 基本原理

聲波透射法的基本原理是用人工方法在混凝土介質(zhì)中激發(fā)一定頻率的彈性波，該彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射、透射、繞射，由接收換能器的波形，對(duì)波的聲速、波幅、頻率和波形的特征進(jìn)行觀測(cè)和分析判斷混凝土樁的完整性及缺陷的位置、范圍及程度。

聲波透射法用于檢測(cè)混凝土灌注樁的完整性開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，其操作方法是：在鋼筋籠內(nèi)側(cè)平行豎直固定兩根及以上聲測(cè)管，將換能器放入聲測(cè)管中發(fā)射和接收超聲波沿豎直方向穿過(guò)基樁混凝土的信號(hào)（如圖1），通過(guò)聲波儀A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)加以存儲(chǔ)并在專業(yè)計(jì)算機(jī)分析軟件上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理，如統(tǒng)計(jì)分析、濾波、管斜修正、手動(dòng)判讀首波。計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算平均波速、平均波幅、PSD、臨界波速和臨界波幅，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析和判斷，確定樁身混凝土的缺陷位置、范圍大小和嚴(yán)重程度，綜合判定樁身完整性類別。

圖1 聲波透射法檢測(cè)示意圖

1 聲波透射法

1.1 儀器設(shè)備

聲波透射法檢測(cè)主要設(shè)備包括聲波儀器主機(jī)、跨孔聲波探頭和深度計(jì)數(shù)器。聲波是在介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，其波動(dòng)的頻率范圍可達(dá)1010Hz，聲波透射法檢測(cè)基樁混凝土質(zhì)量的聲波頻率一般在2×104～2.5×105Hz，介于超聲波頻段，所以日常工作中經(jīng)常稱聲波透射法為超聲波法，對(duì)應(yīng)的儀器就叫超聲波儀。

1.1.1聲波儀器主機(jī)

聲波儀器主機(jī)應(yīng)符合下列規(guī)定：

⑴波形顯示應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定、可存儲(chǔ)；

⑵應(yīng)具有自動(dòng)和手動(dòng)聲時(shí)測(cè)量功能，聲時(shí)測(cè)量范圍宜為0.5μs～5000μs，聲時(shí)測(cè)量分辨力不宜低于0.1μs；

⑶宜具有自動(dòng)和手動(dòng)波幅或衰減測(cè)量功能；

⑷宜具有自動(dòng)和手動(dòng)頻率測(cè)量功能；

⑸接收放大系統(tǒng)的帶寬宜為10kHz～200kHz，接收系統(tǒng)靈敏度宜高于50Mv,宜具有增益調(diào)節(jié)功能，總增益不宜低于80dB；

⑹宜采用直流供電，宜配有備用電池；

⑺宜具有自動(dòng)記錄發(fā)射與接收換能器位置的功能[1]。

1.1.2跨孔聲波探頭

跨孔聲波探頭應(yīng)符合下列規(guī)定：

⑴跨孔聲波探頭應(yīng)采用圓環(huán)式徑向振動(dòng)的徑向換能器，即沿水平方向無(wú)指向性，諧振頻率為2×104Hz～6×104Hz，有效工作面軸向長(zhǎng)度不大于15cm；

⑵接收換能器宜內(nèi)裝有前置放大器；

⑶基樁混凝土質(zhì)量檢測(cè)一般是用水作為換能器與混凝土的耦合劑，對(duì)于水中的換能器，其水密性應(yīng)在1MPa 水壓下不滲漏，就是保證樁長(zhǎng)不大于100m 的水下能正常工作，一般樁長(zhǎng)不大于90m。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

1.2.1準(zhǔn)備工作

⑴被檢樁混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不低于20（15）MPa；

⑵破除樁頭浮漿、松散破損及超灌部分，使樁頂標(biāo)高為設(shè)計(jì)的樁頂標(biāo)高；

⑶割去所有高度較高的聲測(cè)管一部分，直至各聲測(cè)管口高度平齊。露出樁頭的聲測(cè)管管口高度以略高于樁頭30cm，若聲測(cè)管過(guò)高應(yīng)割低；

⑷用清水沖洗聲測(cè)管，沖洗方法為使用PVC 軟管插至聲測(cè)管底部，沖洗2～5 分鐘，直至聲測(cè)管底部的鐵銹等雜物沖洗干凈流出清水為止。遇有泥塊或者其他雜物堵住聲測(cè)管的情況可嘗試用8mm 鋼筋插入聲測(cè)管通管；

⑸測(cè)定儀器系統(tǒng)聲零聲時(shí)，以備在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行聲時(shí)修正。

1.2.2聲測(cè)管埋設(shè)規(guī)定

⑴聲測(cè)管可用鋼管（內(nèi)徑為40～50mm 管，壁厚3mm左右），管身不得有破損，管內(nèi)壁應(yīng)光滑，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，制作及施工過(guò)程中不得有損壞變形；

⑵聲測(cè)管應(yīng)從樁底開(kāi)始設(shè)置，直到高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高50cm 左右，管底用鐵板電焊（或管帽）封閉，以防漏水。上端管口要設(shè)帽，以防雜物堵塞，檢測(cè)時(shí)又便于打開(kāi)；

⑶鋼管拼接時(shí)宜用套管螺紋連接或焊接，接口處要求密封平整以利換能器上落無(wú)阻。預(yù)埋管應(yīng)固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，垂直均勻分布，管與管之間互相平行，各預(yù)埋管管底應(yīng)平齊；

⑷聲測(cè)管應(yīng)沿鋼筋籠內(nèi)圓周呈對(duì)稱分布，當(dāng)樁徑d≤800mm 時(shí)，安裝2 根聲測(cè)管；當(dāng)800mm＜d≤2000mm 時(shí)，應(yīng)安裝3 根聲測(cè)管；當(dāng)d＞2000mm 時(shí)，應(yīng)安裝4 根聲測(cè)管。應(yīng)自正北方向開(kāi)始，按順時(shí)針?lè)较驅(qū)β暅y(cè)管從“1”開(kāi)始編號(hào)（圖2）。

圖2 聲測(cè)管埋設(shè)平面示意圖

1.2.3現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的規(guī)定

⑴打開(kāi)操作系統(tǒng)，運(yùn)行程序，輸入各參數(shù)：檢測(cè)工程名稱、樁號(hào)、樁長(zhǎng)、跨距、增益、增益、延時(shí)、系統(tǒng)零聲時(shí)、步距、計(jì)步器輪徑、檢測(cè)時(shí)間等；

⑵采集開(kāi)始時(shí)勻速拉動(dòng)換能器連接線并觀察信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)可回退至信號(hào)正常位置再重新收線，確保不是因?yàn)椴杉惓?dǎo)致信號(hào)異常。采集完畢以后觀察探頭是否已到聲測(cè)管口以此判斷測(cè)試樁長(zhǎng)以實(shí)際樁長(zhǎng)是否一致；

⑶如對(duì)某個(gè)部位缺陷有懷疑時(shí)，可加密測(cè)試、斜測(cè)、扇測(cè)及CT 測(cè)試，可改變收發(fā)換能器移動(dòng)步距、收發(fā)換能器的高差或者采用CT探頭進(jìn)行CT測(cè)試。檢測(cè)完成后及時(shí)保存數(shù)據(jù)，查看文件，可觀察到已存到硬盤中的數(shù)據(jù)文件。進(jìn)入下一根樁檢測(cè)時(shí)，請(qǐng)?jiān)趨?shù)中作相應(yīng)改動(dòng)，再執(zhí)行采樣、讀數(shù)和存貯等功能，直到所有樁檢測(cè)完畢；

⑷在必要時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)使用儀器自帶的分析軟件初步判斷比較明顯的信號(hào)為施工贏得時(shí)間，對(duì)于復(fù)雜、較難判斷及有爭(zhēng)議的信號(hào)應(yīng)在電腦軟件上進(jìn)行分析處理以免造成不必要損失。

1.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與判定

⑴聲時(shí)、聲速和聲速平均值分別按下式計(jì)算：

式中：

tci——混凝土第i測(cè)線的聲時(shí)（μs）；

ti——第i測(cè)線的總聲時(shí)（μs）；

t0——聲波檢測(cè)系統(tǒng)延遲時(shí)間（μs）；

vi——第i測(cè)線聲速值（km/s）；

Dc——兩根聲測(cè)管外壁間的距離（mm）；

Ai——第i測(cè)線的聲波波幅值（dB）；

ai——第i測(cè)線的聲波波幅值（V）；

a0——聲波0dB波幅值（V）。

⑵當(dāng)因聲測(cè)管傾斜導(dǎo)致聲測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律性變化時(shí)，應(yīng)先對(duì)管距進(jìn)行合理的修正，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯偏離正常值而又無(wú)法合理修正時(shí)，不得用于評(píng)價(jià)樁身完整性。

⑶采用臨界值法時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定：

①將同一測(cè)面全部n 條測(cè)線的聲速、波幅和主頻Xi由 大到小依次排序，即：X1≥X2≥…Xm≥Xm+1… ≥Xn-1≥Xn，計(jì)算出X及sx值，并按下式計(jì)算異常小值判斷值：

Xa=X－λ1sx

式中：

Xa——聲速、波幅或主頻異常小值判斷值；

λ1——樣本中不同樣本總數(shù)對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

將異常小值判斷值Xa與最小數(shù)據(jù)Xn相比較：

當(dāng)Xa＜Xn時(shí)，Xa即為異常情況的判斷值。

當(dāng)Xa≥Xn時(shí)，剔除最小值Xn，對(duì)剩余的X1～Xn-1按上述方法統(tǒng)計(jì)和判別。

通過(guò)循環(huán)的剔除和判別，直至最終的Xa小于最終參加統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中的最小值為止，此Xa即為最終的異常小值判斷值。

測(cè)面聲速、波幅或主頻臨界值按下列方法確定：

式中：

Xcr——測(cè)面聲速、波幅或主頻臨界值。

將各測(cè)線聲速、波幅或主頻和對(duì)應(yīng)的臨界值相比較：

vi＜vcr

Ai＜Acr

當(dāng)同時(shí)滿足上述兩式時(shí)該測(cè)線可判定為缺陷測(cè)線。樁身完整性判定表（如表1）。

表1 樁身完整性判定

2 工程實(shí)例

本項(xiàng)目是位于深圳市寶安區(qū)的一個(gè)房建項(xiàng)目，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，采用旋挖（沖、鉆）孔灌注樁，樁端持力層為中風(fēng)化或微風(fēng)化混合花崗巖，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。本次對(duì)103 根灌注樁進(jìn)行了聲波透射法檢測(cè)，樁身完整性檢測(cè)結(jié)果為Ⅰ類樁98根，占95.1%，Ⅱ類樁5根，占4.9%。以G-61號(hào)樁為例，單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線（如圖3），單樁實(shí)測(cè)聲速、波幅數(shù)據(jù)（如表2）。1-2、1-3、2-3 三個(gè)剖面的實(shí)測(cè)聲速值均大于其聲速臨界值，實(shí)測(cè)波幅也均大于其波幅臨界值，判定G-61號(hào)樁三個(gè)剖面均無(wú)缺陷，樁身完整性為Ⅰ類。

表2 單樁實(shí)測(cè)聲速、波幅數(shù)據(jù)

圖3 單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線

3 聲波透射法檢測(cè)重點(diǎn)及難點(diǎn)

3.1 檢測(cè)過(guò)程中接收信號(hào)突然消失

這種情況有兩種原因，一種是聲測(cè)管內(nèi)沒(méi)有耦合水介質(zhì)；另外一種是設(shè)備系統(tǒng)問(wèn)題。第一步應(yīng)先檢查聲測(cè)管是否灌滿清水，可以在檢測(cè)過(guò)程中，用水管不斷地往聲測(cè)管加水，直至清水溢出管口為止；然后，將徑向換能器十字交叉，上下左右平移采樣，查看有無(wú)接收波形，若有接收波形，說(shuō)明設(shè)備系統(tǒng)沒(méi)問(wèn)題。

3.2 判斷設(shè)備系統(tǒng)問(wèn)題的部位

用平面換能器替換徑向換能器插在主機(jī)上，使平面換能器的聲波發(fā)射面緊貼，點(diǎn)擊采樣，如波形無(wú)異常，證明儀器本身沒(méi)問(wèn)題，只是徑向換能器的問(wèn)題。如果確定是換能器的問(wèn)題，再換上徑向換能器，點(diǎn)擊采樣，若能聽(tīng)到發(fā)射換能器發(fā)出的振動(dòng)聲而沒(méi)有顯示波形，可以確定是接收換能器的問(wèn)題；若聽(tīng)不到發(fā)射換能器發(fā)出的振動(dòng)聲，需將徑向發(fā)射換能器更換成平面換能器，用平面換能器的發(fā)射面與徑向換能器的中間位置并攏，點(diǎn)擊采樣，如果顯示波形，說(shuō)明接收換能器完好是發(fā)射換能器的問(wèn)題，若上述兩種情況都不是，則判定收、發(fā)徑向換能器都有問(wèn)題。

3.3 發(fā)射正常、接收時(shí)好時(shí)壞

換能器管口水中調(diào)試時(shí)波形無(wú)異常，放入管底正式檢測(cè)過(guò)程中波形時(shí)好時(shí)壞，乃至沒(méi)有接收信號(hào)，提至管口時(shí)波形又正常，或回收聲測(cè)線、用換能器十字交叉波形顯示正常。這種情況是因?yàn)槁暅y(cè)線損壞，水密性不足，當(dāng)水壓力較大時(shí)滲入換能器壓電體，而使換能器的振動(dòng)靈敏度降低導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度較低，無(wú)法接收信號(hào)，這種情況建議直接報(bào)廢換能器，因?yàn)橐坏弘婓w故障無(wú)法維修，只能更換新的換能器。

3.4 樁頭最后一些測(cè)點(diǎn)聲速、幅度急劇下降

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)在樁的淺部位置的最后一些測(cè)點(diǎn)單獨(dú)或連續(xù)的聲學(xué)參數(shù)明顯減小，但其他深度的測(cè)點(diǎn)均無(wú)異常。這種情況可能是鑿除樁頭(用炮機(jī))時(shí)，導(dǎo)致混凝土與聲測(cè)管產(chǎn)生脫離(間隙)或者混凝土松動(dòng)(裂隙)，可以采用人工鑿除樁頭并保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)聲測(cè)管不被破壞。

3.5 聲測(cè)管的要求

聲測(cè)管是聲波透射法檢測(cè)中作為換能器的通道，其埋設(shè)和連接的質(zhì)量關(guān)乎現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的成敗，故在樁身施工施工時(shí)要特別引起重視，具體要求有以下幾個(gè)方面：

⑴樁身預(yù)埋管應(yīng)采用用鋼管（內(nèi)徑為40～50mm 管，壁厚3mm 左右），管身不得有破損、變形，管內(nèi)壁應(yīng)光滑，管外壁應(yīng)與混凝土粘結(jié)牢固，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證聲測(cè)管不因受混凝土澆筑外力而彎折、脫開(kāi)。

⑵預(yù)埋管應(yīng)從樁底開(kāi)始設(shè)置，直到高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高50cm 左右，管底用鐵板電焊（或管帽）封閉，以防漏水。上端管口要設(shè)帽，以防雜物堵塞，檢測(cè)時(shí)又便于打開(kāi)。

⑶鋼管拼接時(shí)宜用套管螺紋連接或焊接，接口處要求密封平整以利換能器上落無(wú)阻。預(yù)埋管應(yīng)固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，垂直均勻分布，管與管之間互相平行，各預(yù)埋管管底應(yīng)平齊。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴基樁聲波透射法對(duì)比其他檢測(cè)樁身完整性的有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位；且現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便、迅速，不受樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比的限制，一般也不受場(chǎng)地限制[3]。

⑵總結(jié)分析聲波透射法檢測(cè)過(guò)程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，保證檢測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，提高樁基檢測(cè)質(zhì)量，促進(jìn)樁基檢測(cè)行業(yè)的有利發(fā)展。