浅谈声波透射法灌注桩检测在工程中的应用

(内蒙古乌兰察布市公路设计院，内蒙古 乌兰察布 012000)
摘 要： 文章结合工程施工及检测实际情况，简单阐述了应用声波透射法进行灌注桩质量检测 的基本原理、施工工艺和测试技术，以供参考。
关键词：声波透射法；桩基检测；基本原理；施工工艺；测试技术
中图分类号：TU473.1  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)20—0092—03
1 基本原理及方法

混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有 一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要 绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，造成传播时间延长，使声时增 大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变，利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变 化，来分析判断桩身混凝土质量。

声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2～4根声测管。将超声波发射、接收探头 分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出 超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量，就可判断桩身结构完整性。
2 适用范围

声波透射法适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性，因为桩径较小时，声波换能器 与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。
3 仪器设备
3.1 试验装置

声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等 ，也有加上换能器标高控制绞车和数据处理计算机。其装置见图1。
1—超声检测仪；2—发射换能器；
3—接收换能器；4—声测管；5—灌注桩
3.2 超声检测仪的技术性能应符合下列规定

接收放大系统的频带宽度宜为5～50kHz，增益应大于100dB，并带有0～60（或80）dB的衰减 器，其分辨率应为1dB，衰减器的误差应小于1dB，其档间误差应小于1％。

发射系统应输出250～1 000V的脉冲电压，其波形可为阶跃脉冲或矩发射系统应输出250～1  000V的脉冲电压，其波形可为阶跃脉冲或矩形脉冲。

显示系统应同时显示接收波形和声波传播时间，其显示时间范围宜大于300μs，计时精度应 大于1μs，仪器必须稳定可行，2h中声时漂移不得大于±0.2μs。

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3.3 换能器

换能器应采用柱状径向振动的换能器，将超声仪发出的电脉冲信号转换成机械振动 信号，其共振频率宜为25～50kHz，外形为圆柱形，外径Φ30mm，长度200mm。换能器宜装有 前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为5～50kHz。绝缘电阻应达5MΩ，其水密性应满足在 1MPa水压下不漏水。桩径较大时，宜采用增压式柱状探头。
3.4 声测管
声测管是声波透射法检测装置的重要组成部分，宜采用钢管、塑料管或钢质 波纹管，其内径宜为50～60m。
4 测试技术
4.1 预埋声测管应符合下列规定
桩径0.6～1.0m应埋设双管；1.0～2.5m应埋设三根管；桩径2.5m以上应埋设四根。见图37－ 22声测管布置方式。

声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥冰在1MPa压力下不会渗入管内。上端应加盖。

声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应互相平行。

在检测管内应注满清水。
4.2 现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间t₀，并应按下式计 算声时修正值t′

t′=(D-d)/V_t+(d-d′)/V_w
式中：D——检测管外径（mm）；
d′——检测管内径（mm）；
d——换能器外径（mm）；
V_t——检测管壁厚度方向声速（km／s）；
V_w——水的声速（km／s）； 
T——声时修正值（μs）。

将发、收换能器置于水中，间距0.5m左右，接收信号波幅调节到二或三格，改变发、收换能 器间距，测量不同距离的声时值，按时距曲线求出t₀值。
4.3 检测步骤应符合下列要求

接收及发射换能器应在装设扶正器后置于检测管内，并能顺利提升及下降。

测量时上述发射与接收换能器可置于同一标高，当发射与接收换能器置于不同标高时，其水 平测角可取30°～40°。

测量点距20～40cm。当发现读数异常时，应加密测量点距，以保证测点间声场可以覆盖而不 至漏测。

发射与接收换能器应同步升降。各测点发射与接收换能器累计相对高差不应大于2cm，并应 随时校正。

检测宜由检测管底部开始，发射电压值应固定，并应始终保持不变，放大器增益值也应始终 固定不变。调节衰减器的衰减量，使接收信号初至波幅度在荧光屏上为2或3格。由光标确定 首波初至，读取声波传播时间及衰减器衰减量，依次测取各测点的声时及波幅并进行记录。

一根桩有多根检测管时，应将每2根检测管编为一组，分组进行测试，见图2。

每组检测管测试完成后，测试点应随机重复抽测10％～20％。其声时相对标准差不应大于5 ％；波幅相对标准差不应大于10％。并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。测量的相对标 准差可按下式计算：
 
5 检测数据的处理与判定
5.1 由现场所测的数据应绘制声时——深度曲线及波幅（衰减值）——深度曲线
其声时tc及声速VP应按下列公式计算：
t_c=t-t_o－t′                               
V_p=l/t_c 式中：t_c——混凝土中声波传播时间（μs）；
t——声时原始测试值（μs）；
t₀——声波检测仪发射至接收系统的延迟时间（μs）；
t——声时修正值（μs）；
l——两个检测管外壁间的距离(mm)；
VP——混凝土声速（km／s）。
5.2 桩身完整性应按下列规定判定

应采用声时平均值μ_t与声时2倍标准差σ_t之和作为判定桩身有无缺陷的临界值；并应 按下列公式计算：



亦可按声时－深度曲线相邻测点的斜率K_tz及相邻两点声时差值Δt的乘积K_tz·Δ_t作为缺陷的判据：                 
K_tz=(t_ci-t_ci-1)/(Z_i-Z_i-1)       
△t=t_ci-t_ci-1           
K_tz·Δt=( t_ci-t_ci-1)²/(Z_i-Z_i-1)         
式中：t_ci——第i测点的声时（μs）；
t_ci-1——第i－1测点的声时（μs）；
Zi——第i测点的深度（m）；
Z_i－1——第i－1测点的深度（m）。
K_tz·Δt值能在声时－深度曲线上明显地反映出缺陷的位置及性能，可结合μ_t＋2 σ_t值进行综合判定。

波幅（衰减量）比声速对缺陷反应更灵敏，可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷 临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示。波幅判断的临界值qD有下列关系：

式中：μ_q——衰减量平均值（dB）；
q_i——第i测点的衰减量（dB）；
n——测点数。

对超越临界值的测区应进行缺陷分析与判断。

桩的完整性宜采用上述判据，并辅以接收波形的视频率做进一步的综合判定。在作出缺陷判 定后，如需判定桩身缺陷尺寸及空间分布，宜进一步采用多点发射，不同深度接收的扇形测 量法，用多条交会的声线所测取的波速及波幅的异常加以判定。
6 工程实例

福州某特大桥桩基础进行声波透射法检测，现场测试工作于1997年3月16日完成。

拟建场地位于福州峡南，大桥基础采用冲钻孔灌注桩，被测桩编号为Z4－5＃，桩径Ф250 0mm，桩长45.3m，桩身混凝土强度等级C25，桩端持力层为微风化岩，土层自上而下为：粗 砂，砂夹淤泥，砂卵石，微风化岩，详见该工程地质勘察报告。

声波透射法按《基桩低应变动力检测规程》（JGJ／T93-95）有关规定进行，桩内埋设4根测 管，通过测量整个桩身检测区域内的超声波传播时间，观察接收到的信号幅度变化，来分析 判断桩身结构完整性。本次检测采用CTS－25型非金属超声检测仪，该桩基中一对测向的声 时－深度曲线见图3。
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该桩同时采用反射波法进行检测，所用仪器为美国PDI公司生产的PIT桩基完整性检验仪，实 测时域曲线见图4。

根据声波透射法检测结果分析，桩顶下7～7.5m处，16.5～17.5m处及28.0～32.0m处均 有明 显的波峰，前两个波峰处其Ktz·Δt值（即PSD判据值）分别为200及580左右，这两处缺陷 为局部夹泥，而桩顶下28.0～32.0m处六对测向均无法接收到超声信号，判断该桩28.0～32. 0m处桩身混凝土严重离析，不合格桩。

由反射波法测得的时域曲线图4可看出，该桩桩顶下32.0m处有与入射波同相位的明显 反射波，判断为该处桩身混凝土严重离析，与声波透射法检测结果基本吻合。
［参考文献］
［1］ 交通部.公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2004）［S］.北京：人民交通出版 社，2004.
［2］ 交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62—2004）［S ］. 北京：人民交通社，2004.

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