声波透射法检测桩身完整性论文

常用的桩基检测的主要方法有静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等。在桩基检测中，各个检测手段需要配合使用，利用各自的特点和优势，按照实际情况，灵活运用各种方法，才能够对桩基进行全面准确的评价。1引言桩基无损检测技术属于工程物探发展出来的一个新领域，不仅成为隐蔽工程质量检测的一种重要手段，工程监理质量评估的重要依据，而且将还成为公路和铁路建设基桩工程中一种必不可少的质量检验手段。但是目前中国还存在大量码头、桥梁、公路和铁路桥桩基尚未彻底检测的，而且进行尚未普及检测和评估服役期的基桩的桩身质量，也没有形成较成熟的技术标准。桩基检测技术低应变发射波法（1）反射波法技术原理基于Hessein的一纬动力学理论发展而来的动测法目前应用最为广泛，该技术及应用的发展越来越成熟。其测试原理也在于此，某一急震力作于桩顶时，会使桩身产生纵向振动，而当应力波通以桩身为介质进行传播的过程中受到变异波阻抗时，自然会产生反射和投射效应，这种反射信号会由安装在桩顶的传感器接收及先关的仪器收集记录，再通过计算机软件处理分析获得波形和频谱曲线，最后根据波动理论进行分析桩身结构质量，对桩基工程质量做出客观的评估。然而因为手锤敲击的震击力相对小，一维波动理论本身也存在局限性，因此反射波法在实际应用中存在某些缺陷，比如有效检测深度不足、信号分析带有较强主观性、容易受次生反射信号干扰等。（2）反射波法技术发展工程师研发出新的改善方法，提高了测试精度，也增强了反射波发的实用性。目前应用前景相对可观的方法有Johnson等人1996年提出的“双速度法”。其测试原理：沿桩身纵向布置两个加速度传感器，并同时测量这两点加速度的时域曲线，根据Lundberg等人提出的实测桩身两点的应变分析出桩身内的上、下行波的理论，通过速度与应变的关系得到下行波的计算公式，再通过两点间距与时差计算出桩身内的波速，从而分离出有效的上行波。实际操作中，2点的实测数据推测出波速之前，必须经过手动或自动调制。由美国PDI公司开研究开发出的仪器及其软件可支持双通道测量，且自动得出上行波。此法尤其适用于对桩顶端连接有上部结构的基桩进行质量检测。而实际案例中，布置多传感器的情况大多数仅用于计算波速，并没有很好地利用实测数据。“双速度”法也存在一定应用条件：①基桩露出段不低于，以供传感器安装；①信号分析相对复杂。为了克服实际工况条件的各种不利因素，需要使用者不断总结并积累经验，努力做到能根据具体情况进行改进和调整测试方法，因此应变性要求较高。1）横波法。横波法是在桩地段和下端附近或位于桩身同侧分别安装1个速度仪，在桩侧横向击震产生1个同时向上和向下传播的弯曲波，其信号分别有2个方向上终端安装的速度仪接受并记录下来，即时显示时域分析结果。其优势在于因为剪切波传播速度远比纵波慢，从而不仅可获得较高的分比率而且其盲区直径较小，有效解决了大直径的小应变测试问题。田冬俊利用VisualC++开发工具编写过纵波和弯曲剪切波的综合拟合程序。目前正在实验阶段的研发工作还在进行，以期开发出操作简便的击振设备，提剪切波信号。2）超震波法。沿桩测共线等距布置多个接收器，当震击桩顶端或桩身时，便可测得质点速度随时间变化的曲线图。可以通过改变深度，复测获得直达波和反射波的到达时间。平滑连结直达波到达的所有波峰点及反射波的所有波峰点，两条连线的交点为桩底或者缺陷点。超震波法由于需要安装多组传感器，因此需要较大的桩身暴露长度，在实际工程中很难保证满足；对于长时间海水侵蚀及大量的水生生物附着的码头桩基的检测，可能由于桩基表面不能达到平整度要求而很大程度地限制了超震波法的实用性和可信度。3）纵阻抗剖分析法。由法国房屋和公共工程研究中心（CEBTP）和Paquet在1991年提出的，他们首先通过实测导纳曲线获得与基桩半径相同的无限长的虚拟基桩的理论导纳曲线，再经过相减得出由于缺陷或桩底反射形成的导纳曲，进一步通过反傅里叶变换及相关尺度调节，然后根据反射洗系数计算出各深度处的阻抗，借此判断缺陷位置。该方法的优势：无需丰富的经验，操作简便；读图直观。目前主要的缺陷是在实际应用中计算“无限长”桩的动态响应尚未实现，需要进一步研究。高应变法（1）高应变法的原理高应变法最显著的特征是在检测过程找那个需要配置机械设备对桩体施加能量较大的脉冲式震击荷载，有关规范规定震击荷载能量高达数万kN。期中具有代表性的包括了CASE法，来自PDI公司的Rauche等人于1978年首先发表了关于高应变法检测桩身完整性的论文，但未提到施加震击荷载，期主要内容论证了根据受力和加速度波形的受力与时间的变化，根据受力与速度波形之间的相对变化，计算出桩身内部机构的完整性系数，并作为评估其质量的主要指标。（2）高应变法的优势和缺陷1）高应变法的优势有：①剪切波由于波长较大从而可以大大地较少波速损失；②脉冲能量高、抗干扰性强、衰减比率小、信噪比较高，很适用于检测上方承载有结构物的桩基；③比低应变法更有穿透力，能探测到采用低应变法不能测到的桩身内部较隐蔽的缺陷；④低应变波易被水平裂缝反射，在缺陷处和顶端造成往复发射，从而使结果产生误判现象，但是高应变法就不存在这样的缺陷；在对桩基承载力评估上，高应变法优势更为突出、可信度较高，相比之下，低应变法存在很大的不确定性。2）高应变法的缺陷：①盲区半径大、分辨率较低，浅出缺陷反射波易和下行波形成叠加，造成定位能力比低应变法弱；②成本高、操作复杂、安全系数低。目前高应变法在检测桩基完整性无损检测过程中仅起辅助作用，实际应用较少。高、低应变法相结合在实际工程应用中，应采取高、低应变法两种手段的优势，综合运用“双速度”法等改进了的低应变法和高应变CASE法进行检测。低应变发可用于检测桩身近水面一定区域的中、浅层缺陷，高应变法主要用于检测基桩的深部缺陷。3结语无损检测是在不对原有结构造成任何破坏的情况下进行内部结构质量检测试验，在发达国家已经有了应用于评价结构剩余服役年限的制度，也成为建设工程质量检测的主流趋势。低应变和高应变两种检测手段都有其优缺点，且二者的优缺点具有一定的互补性，因此目前高、低应变法结合使用在实际案例应用中起到很好效果。本文介绍了关于“桩基无损检测技术的进展”的内容。欢迎登陆中达咨询，查询更多相关信息。更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

声波透射技术是近几年发展起来的一种无损性检测新技术，它能直观、可靠地反应基桩的密实度，准确地判定桩缺陷的性质和位置，且不受桩长的限制。下面结合实例着重说明缺陷性质和位置的判定。

（一）工作原理

声波透射法是以施工时预埋的平行的声测管作为换能器的通道，每两根声测管为一组，通过水的耦合，从一根声测管中的换能器发射超声脉冲信号，声波透射混凝土介质，另一根声测管中的换能器接收透射过来的信号，采集到声波声时（减去了系统延时、声测管壁中的延迟、耦合水层延迟）、波幅、波形等声波参量，进而达到判断该位置处两个声测管间混凝土是否正常的无损检测方法。收发换能器由桩底按一定的距离（≤250mm）同步往上移动并逐点依次检测，从获得的声波参数（声时、波幅、波形等）可了解整个剖面的混凝土完整性，如图3-78所示。测试所有剖面即可获知各个剖面乃至整个桩的状况。

图3-78 声波透射法测试示意图

声波在弹性不同的介质（即波阻抗不同，Z=ρv，式中Z为波阻抗，ρ为介质密度，v为速度）中传播时其传播速度和能量衰减情况不同。当混凝土介质中存在不同介质或者密实度不同等缺陷时，缺陷面形成波阻抗界面，声波将在其上产生明显的反射、散射、绕射等现象，使透射波能量减弱，呈现首波声时变大、波速降低、波形畸形等明显的异常。通过分析含有混凝土内部信息的首波声时（速度）、振幅、波形等参数对该深度对应的混凝土剖面完整性进行判断，进而对整根基桩的完整性、内部缺陷位置、缺陷程度及桩身混凝土总体的均匀性做出评价。

（二）混凝土缺陷性质与位置及其程度的判定

混凝土灌注桩由于施工难度大、隐蔽性强、混凝土硬化环境及成型条件复杂，若施工质量控制不好，则容易使桩身产生夹泥、离析、断桩等缺陷，利用声波透射法可以检测和判断出这些缺陷的性质和位置。

1.混凝土缺陷性质的判定

声波为弹性波，弹性波在不同介质中传播时，其声学参数具有不一样的体现，通过声学参数在不同介质中的差异可以达到判定混凝土完整性的目的。下面介绍各声学参数与混凝土质量之间的关系及各声学异常所反应的缺陷。

（1）声速与混凝土质量的关系

声速与混凝土质量有如下关系：

环境与工程地球物理勘探

式中：E为介质的杨氏弹性模量；σ为介质的泊松比；ρ为介质的密度。

由式（3-69）中的参数不难看出，声速与混凝土的内部结构（如密度、孔隙率等）密切相关。

弹性介质的性质及种类不同，弹性模量及密度也就不同，因此弹性波在介质中传播的速度也不同。实践证明，物体的密实性越好，孔隙率越低，其声速就越高。因此，当测出混凝土的声速时就可以推算出混凝土的密实度，从而判断其质量的好坏。

（2）波幅与混凝土质量的关系

声波穿过桩身缺陷时，部分声能被缺陷内所含物质所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，因而到达接收探头的声能明显减少，反应为波幅降低。实践证明，波幅对缺陷的存在非常敏感，细小的缺陷都能使波幅有明显的变化。所以波幅能很明显地反应混凝土中的缺陷。

（3）波形与混凝土质量的关系

波形是声时（声速）、波幅、频率等声学参数的综合反映，所以其对于混凝土的各种缺陷均有直观的表现，在检测过程中对于缺陷的判别具有重要的指示意义。实践证明，当声波遇见缺陷时其波形会发生畸变。波形的好坏可以为检测人员对基桩完整性的现场判断提供依据。

由声波各声学参数与混凝土质量的关系可知，当混凝土中存在缺陷时，声波脉冲通过该缺陷介质传播的时间比相同材料条件下的无缺陷混凝土的传播时间要大，进而能量衰减增大，声速减小，接收信号的波形平缓甚至发生畸变，接收信号的主频也会发生变化。通过这些声学参数就可以判定基桩混凝土的质量状况。

在正常的情况下，声时曲线基本是一条直线，无明显折点，波幅也无明显衰减，波形为正常波形，如图3-79（a）所示；当出现离析、不密实时，声时基本有一定的增加，波幅有一定的衰减，波形出现畸变，如图3-79（b）所示，此时应注意是否是因为声测管与混凝土之间出现空隙而导致出现这种不密实状况；出现夹泥和断桩时，声时显著增大，波幅严重衰减，波形严重畸变甚至接收不到波形，如图3-79（c）所示，此时要判断这种缺陷是夹泥还是出现了断桩。区分夹泥和断桩，要结合在这根桩上所测的其他几个剖面的情况，看看在这个高程上是否也出现了这种状况（当声测管有四根时特别注意对角线的剖面），如果其他剖面在相同高程出现此类现象，那么这根桩很可能是出现断桩；当其他的剖面有部分是完好的时候，则可判断只是局部夹泥。

图3-79 超声透射波波形

声速对混凝土质量的反应主要通过测点的声速和声速临界值的比较来判定，临界值一般采用概率法确定。即

环境与工程地球物理勘探

式中：v0为临界点声速值，又称异常判定值；vm为（n-k）个数据的平均值， ；sx为（n-k）个数据的标准差，sx= ；λ为由统计数（n-k）对应的λ值，可查表获得，见表3-10；n为测点数；k为将全部测点的声速值由小到大依次排序，去掉明显不合理的低声速值的个数。

表3-10 统计数据个数（n-k）与对应的λ值

根据测点声速与临界点声速的差异，当声速大于临界点声速时，表明桩身正常；当存在蜂窝、局部夹泥沙团时，声速有一定的降低，相差一般为10%～20%；当局部有夹层和断桩时，声速明显降低，最大相差可达30%以上。

2.混凝土缺陷位置判定

当平测普查查出疑似缺陷时，首先采用加密平测的方法，核对可疑点的异常情况，并确定异常部位的高程。

对于缺陷的空间位置、范围的确定则要应用交叉斜测和扇形扫测的方法。

扇形扫测的具体做法是：先将发射换能器放到出现缺陷的高程位置，而在出现缺陷的剖面对应的另一声测管中将接收换能器放到缺陷高程稍下一段距离的地方，保持发射换能器不动而将接收换能器从下往上提到夹泥高程之上一定高度，即完成一次扫测。完成了一个扇形扫测之后移动发射换能器，继续进行扇形扫测。因各测点测距是各不相同的，波幅值不具有可比性（波幅除与测距有关外还与方位角有关，且不是线性变化的），只能根据相邻测点测值的突变来发现测线是否遇到缺陷。所以利用扇形扫测可以画出缺陷的边界。

交叉斜测是第一次让发射换能器比接收换能器高，第二次使发射换能器比接收换能器低，保持一定的高程差，在声测管中以相同的步长同步升降两个换能器进行测试，采集声学参数数据，如图3-80所示，根据波幅和声时的异常特征可交叉圈出异常的范围。

图3-80 交叉斜测

（三）工程实例

某大桥的2-2号桩，桩长为，桩径为2m，设计混凝土强度为C30，预埋有四根直径为50mm的钢管作为声测管。本次检测采用北京智博联研制的ZBL-U520非金属检测仪进行检测。

首先采用平测法进行普查，测点间距为，从桩底往桩顶依次检测，采集每一测点处的声时（声速）、波幅、波形等声学参数。平测结果显示2-2号桩六个剖面同时在距桩顶15m左右出现声时变大、速度变小、波幅严重衰减的现象，如图3-81所示。采取加密测量后确定缺陷出现在～之间，而其上下桩身的声波反应都是正常的，因六个剖面同时出现异常，所以有很大可能是出现了断桩，于是采用交叉斜测和扇形扫测的方法圈定了缺陷的范围，最后判定在距桩顶～处存在缺陷。

声波透射法判定2-2号桩在～处的缺陷为断桩。随后进行了钻探取心验证，在进行钻孔取心时，在声波检测正常的地方，钻进时所冒出的水为清水，所取心样完整（混凝土心样连续、完整、表面光滑、胶结较好、断口吻合），表明桩身完整性较好。而在声波判定为断桩的～处，钻进时冒出泥浆水（注入的冷却水为清水，而此处出现泥浆水表明此刻进尺处含泥），钻进时阻力较小且无法获得心样，说明此处出现了断桩。钻孔取心结果证实了声波透射法的判定结论。

图3-81 2-2号桩六个剖面的PSD、声速-深度、波幅-深度曲线

在混凝土灌注桩的检测中，采用声波透射法，依据透射波的初至时间、振幅能量的衰减程度和波形是否畸变可以达到判定桩身的均匀性和完整性的目的。从检测的成果和钻孔取心的结果来看，声波透射法能够较准确地判定缺陷的性质和位置，可以为施工单位下一步工作提供科学而可靠的依据。