聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

陳顯云

(貴州省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)

1 聲波透射法檢測(cè)樁基質(zhì)量的原理

1.1 聲波在混凝土中的傳遞特點(diǎn)

由于混凝土是一種含多種組成對(duì)象的復(fù)合材料，其內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，具有廣泛的復(fù)雜界面，這也導(dǎo)致聲波在混凝土內(nèi)部的傳播呈現(xiàn)多樣性。聲波在混凝土內(nèi)部傳播會(huì)造成聲波較大的能量衰減，這主要是由于混凝土內(nèi)部的復(fù)雜界面導(dǎo)致的聲波散射，如果將混凝土中的骨料作為影響聲波傳遞的障礙物，那么散射功率的大小就與聲波頻率的平方成正比。所以為了保證聲波在混凝土內(nèi)部經(jīng)過傳播之后能夠被準(zhǔn)確接受需要采用頻率較低的聲波進(jìn)行檢測(cè)。另外聲波在混凝土內(nèi)部傳播的指向性差，這主要是因?yàn)椴捎玫皖l率聲波的波長較長，使得擴(kuò)散角變大，混凝土內(nèi)部集料的多界面特性使得聲波要經(jīng)過過多的折射和反射作用，大量的聲波折射和反射使得相互之間產(chǎn)生干涉和疊加。

1.2 混凝土聲波透射法檢測(cè)中的聲波

在樁基質(zhì)量檢測(cè)中采用的聲波為脈沖聲波，該聲波為間歇式聲波，聲波每次發(fā)射持續(xù)的時(shí)間較短，發(fā)射之后要重復(fù)間斷發(fā)射，聲波的重復(fù)頻率一般選擇為50 Hz 或者是100 Hz.。這種脈沖聲波的特質(zhì)就決定了其要比單頻連續(xù)聲波復(fù)雜。脈沖聲波的余弦波在水泥混凝土中傳遞時(shí)會(huì)呈現(xiàn)不同的傳播速度，容易形成聲波的頻散現(xiàn)象，這就必然導(dǎo)致聲波在傳遞過程中會(huì)隨著傳遞距離的增加而產(chǎn)生更大程度的畸變。

1.3 聲波透射法檢測(cè)技術(shù)

聲波透射法檢測(cè)樁基質(zhì)量主要包括三種方式:樁內(nèi)單孔透射法、樁外透射法和樁內(nèi)跨孔透射法。

(1)樁內(nèi)單孔透射法

樁內(nèi)單孔透射法適用于樁基只有一個(gè)孔道的質(zhì)量檢測(cè)，常用在鉆芯取樣之后進(jìn)一步對(duì)樁基混凝土質(zhì)量的檢測(cè)中，作為一種樁基質(zhì)量檢測(cè)的補(bǔ)充手段來使用。檢測(cè)過程中只需要將換能器至于單孔內(nèi)即可，用隔聲材料將換能器進(jìn)行隔離，發(fā)射的聲波經(jīng)過放置于孔內(nèi)的換能器發(fā)射后通過耦合水進(jìn)入孔壁混凝土層，在耦合水的作用下聲波能夠在混凝土表層進(jìn)行一段距離的滑動(dòng)，之后聲波達(dá)到接受器，從而獲取聲波經(jīng)過混凝土的各種折射和反射之后的各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)。單孔透射檢測(cè)方法相比較跨孔檢測(cè)聲波的傳遞路徑要相對(duì)復(fù)雜，所以需要采取必要的信號(hào)分析技術(shù)。

(2)樁內(nèi)跨孔透射法

裝內(nèi)跨孔透射法需要預(yù)先在樁基內(nèi)部預(yù)留兩根或者兩根以上的聲測(cè)管，這樣可以將發(fā)射換能器和接受換能器分開布置。檢測(cè)過程中聲波經(jīng)過發(fā)射換能器發(fā)出，穿透混凝土之后由另外管道內(nèi)的接受換能器接受。跨孔檢測(cè)方法的有效檢測(cè)范圍為聲波經(jīng)過發(fā)射器發(fā)出到接受器接受所掃過的混凝土范圍。根據(jù)接受換能器和發(fā)射換能器之間位置的不同可以將跨孔透射法分為平測(cè)、斜測(cè)和扇形掃射等不同類型。

(3)樁外孔透射法

當(dāng)樁基為設(shè)置檢查管道或者已經(jīng)完成上部結(jié)構(gòu)時(shí)可以采用樁外透射法檢測(cè)樁基質(zhì)量。樁外檢測(cè)技術(shù)是緊貼混凝土樁基的外側(cè)鉆檢測(cè)孔道。檢測(cè)孔道的位置選取要在保證不影響樁基結(jié)構(gòu)安全性的條件下盡量靠近樁基，這主要是因?yàn)槁暡ㄔ谕翆又械乃p速度較快。檢測(cè)過程中需要在樁頂位置處放置功率較大的平面換能器，接受器沿外側(cè)鉆孔自上而下緩慢發(fā)出，聲波經(jīng)過土層之后進(jìn)入混凝土層中，經(jīng)過耦合水的作用被接受換能器接受，這樣就可以逐點(diǎn)檢測(cè)出不同位置處的混凝土質(zhì)量。但是樁外檢測(cè)的主要缺陷是受制于檢測(cè)儀器頻率的限制，檢測(cè)長度較為有限。對(duì)樁基質(zhì)量的判斷只能限制在夾層、斷樁等。

綜上所述，在樁基質(zhì)量檢測(cè)中樁內(nèi)跨孔檢測(cè)是一種較為成熟可靠的檢測(cè)方法，也是目前在樁基質(zhì)量檢測(cè)中采用的主要檢測(cè)方法。

2 聲波透射檢測(cè)樁基質(zhì)量數(shù)據(jù)處理

2.1 聲速分析

聲波的聲速在樁基質(zhì)量檢測(cè)中數(shù)值較為穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槁曀俚拇笮∨c介質(zhì)的密度相關(guān)性大。由于樁基施工中采用相同的配合比來生產(chǎn)混凝土，所以樁基的整體密度相差不大。采用聲速變化來對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)就不十分貼切，可以作為參考指標(biāo)使用。

2.2 波幅分析

在混凝土質(zhì)量判斷中接收波首波波幅變化是用來表征混凝土質(zhì)量好壞的一個(gè)重要參數(shù)。相比較聲波經(jīng)過混凝土之后所接受道德聲速變化來說，波幅的變化程度要更加明顯，但是波幅的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性沒有聲速數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度高是因?yàn)椴ǚ鶖?shù)據(jù)的獲取要受到儀器設(shè)備質(zhì)量、測(cè)量的樁長和耦合狀態(tài)的多種外部因素的影響。在樁基質(zhì)量檢測(cè)過程中所獲得的聲波波幅變化呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征。當(dāng)獲取的波幅數(shù)據(jù)變化跟正態(tài)分布規(guī)律相吻合是就表明檢測(cè)過程中的波幅數(shù)據(jù)所反映的樁基混凝土質(zhì)量狀況跟實(shí)際情況較為貼切。在采用聲波透射法判斷樁基混凝土質(zhì)量的過程中雖然波幅數(shù)據(jù)對(duì)混凝土質(zhì)量變化的反映更加敏感，但還是需要結(jié)合數(shù)據(jù)的變化情況并與其它聲學(xué)指標(biāo)來綜合分析混凝土質(zhì)量狀況。

2.3 主頻判據(jù)

聲波經(jīng)過混凝土之后會(huì)發(fā)生一系列的折射和反射作用，所以聲波在到達(dá)接收器之后所接受到的主頻會(huì)發(fā)生一定程度的漂移造成主頻產(chǎn)生衰減，通過實(shí)測(cè)主頻發(fā)生衰減的程度就能夠?qū)炷恋馁|(zhì)量做出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。通過聲波透射法檢測(cè)獲得的主頻的衰減程度越大，就表明該位置處的樁基混凝土質(zhì)量越差。同波幅分析相類似，主頻數(shù)據(jù)的在一定程度上會(huì)受到檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，還會(huì)受到檢測(cè)的樁長和聲波耦合情況的影響。主頻的變化也呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征。另外主頻數(shù)據(jù)的獲取沒有聲速獲取數(shù)據(jù)穩(wěn)定，跟波幅數(shù)據(jù)分析對(duì)病害的反映相對(duì)較弱，在實(shí)際的樁基質(zhì)量檢測(cè)中主頻數(shù)據(jù)變化只是作為波幅數(shù)據(jù)分析之外的一種輔助判斷措施。

3 結(jié) 語

聲波透射法檢測(cè)樁基質(zhì)量是通過設(shè)置于聲測(cè)管中的聲波發(fā)射器和接受器的共同工作，來獲得聲波經(jīng)過混凝土之后的頻率、波幅等相關(guān)聲學(xué)指標(biāo)的變化情況。通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可以對(duì)樁身質(zhì)量做出相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。聲波透射法作為目前無損檢測(cè)技術(shù)中的新技術(shù)，具有檢測(cè)精度高、操作簡單、效率高、不受樁長限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景非常將會(huì)十分廣泛。

［1］楊建超，唐德高.聲波透射法檢測(cè)基樁混凝土質(zhì)量各聲學(xué)參數(shù)對(duì)缺陷敏感程度試驗(yàn)分析［J］.江蘇建筑，2006，(6).

［2］宋人心，王五平，傅翔，等.灌注樁聲波透射法缺陷分析方法一陰影重疊法［J］.中南公路工程，2006，31(2).