耦合介質對基樁超聲波檢測的影響

賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

耦合介質對基樁超聲波檢測的影響

賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430068）

通過實驗測定超聲波檢測波速波幅與泥漿密度的關系，并且結合具體工程檢測數據，對比分析耦合介質對基樁超聲波檢測的影響。結果表明，當泥漿密度小于一定數值時，耦合劑對超聲波的檢測參數影響很小，但是在超過這一數值的情況下，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對超聲波檢測參數的影響越來越大，波幅和波速值越來越小，從而影響了工程檢測人員對檢測數據的分析和判斷。

超聲波；樁基檢測完整性；耦合劑；超聲波檢測參數

超聲波無損檢測技術在檢測灌注樁的過程中主要是通過觀測和分析聲波在介質中傳播時的波形、聲速、幅度、頻率等來判定被檢測物體的缺陷［1－2］。但是除了缺陷會對超聲波傳播產生影響外，一些非缺陷的因素也會對超聲檢測結果產生影響。經過對比試驗，影響超聲檢測的非缺陷因素主要有：耦合介質、混凝土齡期、超聲脈沖頻率、測距［3－4］。根據混凝土灌注樁聲波透射法檢測的工作原理，聲測管要灌入清水作為發收換能器和混凝土之間的耦合劑。如果灌入的是泥漿水，水中泥漿中的泥、砂等雜質懸浮顆粒向不同方向產生散射，導致聲波減弱，接收聲波能量降低，聲速、波幅偏小［5］。由于施工現場環境復雜，再加上天氣原因，流入聲測管的污水或污泥，使耦合劑中含有大量雜質。聲測管中渾濁水將顯著影響超聲檢測結果，如果在檢測過程中不加以分析并區別，很容易給檢測人員帶來誤判和漏判［6－7］。

1 耦合介質水對基樁超聲波檢測的影響

1.1 散射衰減

散射衰減是一個很復雜的過程，它既和介質的性質和狀態有關，又與介質中固體顆粒的性質、形狀和數量有關，在大顆粒和高頻超聲波條件下產生的作用尤為顯著［8，9］。對于理論研究而言，一般都會做比較粗略的近似估算，即把這些粒子當作完全剛性的、半徑為r的球狀物體。在這一設定條件下，如果單位體積中含有n個散射粒子，由瑞利理論［10］知。散射衰減系數

式中，f為超聲波波數，r為介質中顆粒的尺寸大小，n為單位體積內粒子數目，c為聲速。

從上式可以看到，超聲波在非均勻介質中傳輸時，散射衰減系數αs與介質中顆粒的數目n有關，其大小尺寸的三次方成正比。也就是說在一定的介質體系中，超粒子數目越多，換能器接收到的信號越弱，使散射衰減系數增大，進而超聲波波速波幅會減小。

1.2 實驗測定超聲波檢測波速波幅與泥漿密度的關系

研究泥漿的密度對超聲波波速和波幅的影響，需要在泥漿粒徑值一定和超聲波頻率一定的條件下進行。為了研究方便，將泥漿的粒徑值固定為10－6m，超聲波頻率45kHz時，取泥漿密度分別為1.005 g／cm3、1.010g／cm3、1.015g／cm3、1.020g／cm3、1.025g／cm3、1.030g／cm3、1.035g／cm3、1.040g／cm3、1.045g／cm3、1.050g／cm3雜質的水作為耦合劑，對標準養護28d的兩組C30混凝土試塊進行檢測。以泥漿密度為變量得出超聲波速度與泥漿密度的關系曲線和超聲波波幅與泥漿密度的關系曲線。

圖2 不同泥漿密度時超聲波波幅變化

從圖1和圖2中可見，當泥漿密度從1.005g／cm3逐漸升高到1.015g／cm3的過程中，各組試塊的超聲波波速和波幅幾乎沒有發生變化。這是因為泥漿密度很小，粒子間的相互作用很微弱，此時可以忽略粒子間的相互作用。隨著泥漿密度從1.015g／cm3逐漸升高到1.050g／cm3，波速和波幅都發生了不同程度的減小，其波幅減小的程度比波速要大，這是因為當泥漿密度達到一定值時，泥漿離子間的相互作用較大，不能忽略，此時會產生多次散射波和黏滯的損耗，能量的損失對波幅的影響很明顯。

以上是對聲測管中均含有雜質的檢測實驗結果分析，如圖3中11、12、13剖面為雙管泥漿。考慮到在現場施工過程中，可能只有一根聲測管中混入了泥漿雜質水，而其他聲測管都是清水的情況，如圖3中12、13剖面為單管泥漿，單管泥漿情況實驗結果見表1。

表1 單管泥漿密度與超聲波波速波幅數據表

從表1可以看出，受單管泥漿水的影響，波速與波幅值隨著泥漿密度的增加逐漸減小，其中在不同密度下的平均波速不低于4m／s，平均波幅的變化也沒有圖2明顯，參數變化趨勢大致與圖1和圖2一致，表明了單管泥漿水對樁基檢測結果的影響程度小于耦合劑都是雜質水的情況。

圖3聲測管中均含有雜質

圖4部分聲測管中有雜質

2 聲測管中滲入泥漿案例分析

超聲波在非均勻介質中傳播，遇到不同聲阻抗的介質組成的界面時，聲波會向不同方向散射，使其沿著相對復雜的路徑繼續傳播下去，最終一部分聲波傳播到了超聲波換能器，由超聲波換能器檢測到回波信號，而另一部分聲波可能到達不了超聲換能器，導致聲波能量的損耗［11－12］。在含有不同密度泥漿耦合介質水的聲測管中，各種細小的固體顆粒大量存在，使得超聲波檢測在聲測管中就發生衰減，也延長了超聲波的傳播時間，造成波速和波幅的急劇下降，波形嚴重畸變或無法接受波形，從而影響檢測結果［13－14］。現結合現場實例，對聲測管中滲入泥漿的不同情況進行分析。

超聲波樁基檢測正常波形圖形

圖5為典型超聲波樁基檢測正常波形圖形。從波形圖可以看出檢測剖面波速v、波幅A曲線各測點測值離散性不大，且波速平均值在4.5m／s，屬混凝土正常取值。實測波形首波陡峭，后續波波幅增大，主頻漂移不大，且該漂移量較穩定。綜合以上特征，該樁樁身完整性判定為Ⅰ類樁。

案例：武漢市某改造工程高架橋建設中一根水下成孔灌注樁，該樁樁長37m，樁徑1200mm，混凝土的設計標號C35，樁身埋設三根聲測管，且呈三角形布置，12、13、23剖面的測管距離分別為：810 mm、800mm、810mm。圖6、圖7和圖8為該樁超聲波檢測波形圖形。

表2 聲測管中含有泥漿成孔灌注樁超聲波各檢測剖面的測試值

從波形圖可以看出，該樁波速波幅變化均勻，與正常實測波形相比，波速波幅在數值上都偏小，其中12剖面對比13、23剖面，波速與波幅在數值上小得多，而一般的波速范圍在4.4～4.8m／s。三個檢測剖面測試數據在35～37m處同時出現異常，波速明顯偏小，波幅明顯偏低，且都小于臨界值，經過對36m處測點波形圖分析，發現3個剖面異常測點的實測波形與正常測點相比首波幅值明顯下降，后續波幅也有明顯降低，有些測點無法接收聲波信號，初步判定樁身混凝土強度較低，樁底有沉渣。仔細詢問現場施工人員澆筑情況，得知在混凝土澆筑完后，在挪移沖擊鉆孔機時不慎將其中1、2根聲測管磕碰，有可能滲入泥漿水，其中12剖面為聲測管均含有泥漿的聲測管，13、23剖面為只有一個聲測管有泥漿。

現場取三根聲管中溶液少許，測量泥漿的密度分別為1.033g／cm3、1.037g／cm3、1.002g／cm3，將檢測結果（表2）和實驗結果對比，發現檢測參數比實驗結果偏低，但在控制范圍之內，這是由于大的泥漿顆粒或砂石下沉，聚集在聲測管底部，導致管底泥漿密度增大，雜質增多，波速和波幅明顯下降，這一特殊現象在波形圖中樁底35～37m處得到了很好的反映。為了進一步驗證結論的正確性，項目組組織現場施工人員對1號、2號和3號聲測管進行高壓水沖洗，發現1號和2號聲測管溢出水質渾濁，且有泥團和細小砂石冒出，而3號聲測管水質良好。通過三到四遍的沖洗，再灌滿清水進行超聲波檢測，此時波幅波速趨于穩定，且達到正常值。結合上述檢測結果，表明不僅泥漿密度對檢測結果有影響，會導致聲學參數在數值上減小，雙管泥漿水檢測比單管檢測對聲學參數的影響要大。當大的泥漿顆粒或砂石沉積在管底時，會加劇超聲波的衰減。

從現場了解到的情況，聲測管中滲入泥沙的情況有以下幾種：

1）孔口沒做好保護，流入污水或污泥的；

2）聲測管本身強度較低，當澆筑混凝土時，巨大的沖擊作用易造成聲管變形破損，導致泥漿流入管中；

3）混凝土施工完成后，移除沖擊鉆時將聲測管折斷，且樁周圍留有淤泥；

4）在破樁頭時，挖土機中泥土掉入聲測管，造成水中含有雜質。

3 結論

1）通過不同泥漿密度的雜質耦合劑水對樁基檢測結果影響分析，且結合工程實例對比，發現泥漿密度很小時，由于耦合劑的稀釋作用，聲波在離子間的作用很小，可不考慮耦合劑的影響，即波幅波速無影響。

2）泥漿密度達到一定值時，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對超聲波檢測的影響越來越大，波幅和波速值越來越小。

3）泥漿水作為耦合劑有單管與雙管之分，雙管泥漿水檢測比單管的影響程度大。

4）對于聲測管中滲入泥漿溶液的情況，通常會出現大的泥漿顆粒下沉，導致管底泥漿密度增大，造成超聲波衰減更加嚴重。

5）在檢測結果中發現波幅波速減小的，不應僅考慮強度或沉渣原因，若是耦合劑引起的，應及時進行處理，避免造成誤判。

［1］ 陳凡，徐天平，陳久照.樁基質量檢測技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006：222－312.

［2］ 中國建筑科學研究院.JGJ94－2008，建筑樁基技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［3］ 劉強.超聲波法在樁基檢測中的應用研究［J］.現代物業（上旬刊），2015，14（7）：12－14.

［4］ 趙雪.淺談應用聲波透射法進行灌注樁檢測［J］.山西交通科技，2006，32（5）：53－55.

［5］ 張文耀.聲波透射法采用CBV判據分析樁身混凝土質量［J］.福建建設科技，2008，10（1）：11－13.

［6］ 林仁德.灌注樁聲波透射法檢測［D］.重慶：重慶大學，2007.

［7］ 蔡林根.超聲波法檢測橋梁樁基的試驗研究［J］.山西建筑，2007，33（1）：260－261.

［8］ 羅駭先，干平五.樁基工程檢測手冊［M］.北京：人民交通出版社，2010，185－216.

［9］ 李 晨.樁基工程檢測技術的現狀及存在問題［J］.四川建材，2006，32（4）：40－41.

［10］張全興.超聲波非均勻介質傳播衰減特性研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2015.

［11］鄒 建.超聲波法在基樁檢測中的應用［J］.長沙：長沙鐵道學院學報（社會科學版），2013，14（1）：40－55.

［12］王 寧，韓志型，王月明等.評價巖體穩定性的聲發射相對強弱指標［J］.巖土工程學報，2005，27（2）：190－192.

［13］王丹陽.超聲波泥漿傳播衰減特性分析［D］.沈陽：沈陽工業大學，2014.

［14］付玉軍，謝連生.超聲波法檢測橋梁樁基的探討［J］.湖南交通科技，2006，32（2）：90－92.

Effect of Couplant on Pile Ultrasonic Amplitude Analysis

HE Yingquan，FAN Ying，ZHENG Guang，ZHANG Lei
（School of Civil Engineering and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan，430068，China）

Clear－water as the ultrasound integrity of foundation pile test couplant in the underground foundation project has been widely used.Although relevant scholars of the impurities in water has studied the performance and achieved many results，the support of mud density performance factors is still unclear.The analysis is also far from perfect in this article to explore this.Based on the research of ultrasonic Sound Parameter and mud density concentration，and combined with the engineering data，this article analyses the couplant influence on pile ultrasonic testing.The results of this study indicate that when the mud density is smaller than a certain value，ultrasonic detection parameters effect is very small.But with the increase of mud density，the influence of couplant on ultrasonic testing parameter has a great influence.Wave velocity and wave volatility become increasingly small.It seriously affects the project on the analysis of testing data and testing of judgment，and brings the deviation to judge the correctness of the engineering results.Therefore，the research results of the article are very good to solve these problems.

ultrasonic；foundation pile integrity；couplant：ultrasonic sound parameter

TU197

A

［責任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0107－04

2016－06－30

賀映全（1990－），男，湖北監利人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為建筑與土木工程

范 瑛（1969－），女，湖北武漢人，湖北工業大學教授，研究方向為路基路面理論，道路與橋梁監控