關于基樁聲波透射檢測中判定樁身缺陷方法的探討★

李兵兵 韓 亮 王毅恒 嚴智宇

(1.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；2.四川輕化工大學土木工程學院，四川 自貢 643000)

1 概述

目前我國高速公路鐵路橋梁、市政道路高架橋梁以及高層建筑等基礎普遍采用大直徑鋼筋混凝土灌注樁，樁長往往超過40 m。這些工程的樁基驗收時，主要采用基樁聲波透射檢測技術確定樁身混凝土的均質性和完整性。這是因為它可以檢測樁身內部縱向和橫向任何位置的缺陷，且不受樁長限制。目前，每個工程的檢測比例達100%。綜上可見，聲波透射檢測在實際工程中非常重要，其檢測結果的準確性決定著工程質量的評定等級。通常，聲波透射檢測又稱埋管超聲檢測。成樁過程中在樁身內預埋若干根聲測管，為超聲波換能器上下移動提供測量通道。超聲波換能器通過聲測管深入到樁身混凝土結構內部，實測各個自上而下(或自下而上)由發射換能器T至接收換能器R組合剖面的聲學參數[1-3]。基于各個組合剖面的實測聲時、聲速、聲幅等聲學參數，采用相關數據計算和解釋方法，識別樁身內部缺陷及其所在位置、范圍和程度。

2 數學統計法分析

在國內，聲波透射實測數據的數學統計法一直沿用至今。它是依據各個剖面測點首波初至時間(或聲速)和聲幅的數學統計計算，得到聲時(或聲速)和聲幅臨界值作為缺陷判據。接近或高于臨界值的位置判定為樁身混凝土完好，無缺陷；而低于臨界值的位置則判定為缺陷[4]。理論上，臨界值判據是絕對嚴格的，看上去是沒有問題的，但實踐中卻存在著明顯的缺點和局限性。運用數學統計法必須滿足默認的兩個基本假設條件：第一，首波初至(或聲速)和聲幅在數值上是絕對量，即發射換能器激發超聲波脈沖后，經過徑向柱形傳感器管壁、耦合水、發射聲測管管壁、樁身混凝土，再經過接收聲測管管壁、耦合水、徑向柱形傳感器管壁，被接收換能器接收到第一個脈沖波的初至時刻及其幅值。這個初至時刻和幅值在物理意義上一定是精準的；第二，各個測點的發射換能器和接收換能器的間距嚴格相等，即各個剖面中的所有測點的首波初至(或聲速)和聲幅須在完全相同的條件下參加統計計算。在實際應用聲波透射檢測技術時，兩個基本假設條件是很難實現的。1)各種來源的噪聲干擾信號不可避免，與有效信號疊加后，常使首波脈沖的辨別很困難，往往出現識取錯誤情況，進而導致首波初至時間(或聲速)和聲幅不準確。2)各聲測管之間或者檢測中發射和接收換能器不平行很常見，這將導致測點間的發射與接收換能器的間距不一致，參加統計計算的首波初至時間(或聲速)和聲幅無法保持嚴格的同等條件。由此可見，假設條件與實際情況很難達成一致，數學統計法在實際應用中存在著明顯的不足和局限性[5，6]。實踐中，這可能會出現嚴重缺陷的漏檢情況，給工程帶來很大的安全隱患。

3 過濾法及其對比分析

在美國，聲波透射實測數據的處理和計算方法與我國有所不同，被稱為過濾法[7]。與國內數學統計法相比，過濾法強調相對能量、閾值首波初至時間(或聲速)、瀑布圖和層析成像等分析綜合運用，來識別樁身內部混凝土缺陷。

3.1 相對能量

發射換能器生成的發射脈沖經過樁身混凝土、缺陷以及聲測管和耦合水等介質，到達接收換能器時，實測到的脈沖信號強度必然衰減。顯然，若衰減弱，表明接收信號強度高，混凝土質量完好，樁身無缺陷；若衰減嚴重，表明接收信號強度低，樁身存在缺陷。在國內，采用實測聲幅即首波的幅值作為接收信號強度指標。實踐中首波的識別并非易事，常受到環境噪聲、聲測管之間及換能器之間不平行等干擾，進而導致實測聲幅出現誤差。為此，實測的聲幅并不能反映真實的接收信號強度。過濾法利用相對能量來反映接收信號強度。相對能量是對自首波初至時刻起一定時間內的實測信號進行積分計算。比如時間長度50，意指包括首波初至時刻在內連續50個數據點的接收信號進行積分，作為相對能量值。與數學統計法僅利用首波幅值不同，相對能量不僅利用了首波幅值，而且還利用了首波時刻后連續若干時間點的信號幅值，充分利用了實測信號，更能真實有效地反映接收信號的強度。如圖1所示，首波初至時刻開始的兩條垂直虛線表示相對能量計算長度。

3.2 閾值首波初至時刻

在數學統計法中，首波初至時刻物理上是一個絕對量值，即扣除零讀數(由檢測系統產生以及耦合水和聲測管管壁產生)后接收到的第一個超聲脈沖首波的凈時間。實踐中，這個時間常受到噪聲干擾信號疊加以及聲測管間不平行或換能器間距局部變化等許多不利因素的影響，造成各測點間首波初至時刻產生差異。由此可見，首波初至時刻并不是一個絕對量，而是一個相對量。過濾法采用設定閾值來確定首波初至時刻。閾值設定有兩種，即REL閾值和ABS閾值。REL閾值通過找出接收信號中首波峰值，以此峰值的百分數幅值對應的時間作為首波初至時刻。該閾值推薦設定為20%～30%之間。ABS閾值以接收信號最大量程的百分數對應時間作為首波初至時刻。該閾值推薦設定為10%～15%之間。具體運用時，采用接收信號中第一個同時超過REL閾值和ABS閾值的時刻作為最終的首波初至時刻。如圖2所示，兩條水平線分別表示REL閾值和ABS閾值，垂線與時間軸的交點表示使用閾值確定的首波初至時刻。

3.3 瀑布圖

在數學統計法中，一般采用聲時(或聲速)和聲幅曲線與臨界值線之間的相互關系來顯示樁身缺陷。低于臨界線的聲時(或聲速)和聲幅位置被判定為缺陷所在位置。依據上述討論，這種方式存在著明顯不足。過濾法強烈推薦采用瀑布圖方式來識別和顯示缺陷。瀑布圖又稱波列圖，是將某一剖面中所有測點的接收信號自上而下依次連續地疊加起來，形成類似于瀑布形態的圖形。對于反映樁身缺陷來講，更顯直觀，易于判斷。運用相對能量、閾值首波初至時刻(或聲速)和瀑布圖相結合是非常有效的缺陷判定分析方法。圖3為瀑布示意圖，最左側連線表示首波初至時刻曲線。

3.4 層析成像分析

超聲波透射層析成像技術是20世紀70年代由Greenleaf等人提出的[8]。運用X-CT理論中的Radon變換，得到樁身混凝土摻量噪聲(聲速、衰減系數)與接收信號之間的線性關系。在樁身中沿多個不同方向發射超聲波脈沖和接收信號，利用X-CT理論中的圖像重建方法，如FBP和代數重建等算法反演樁身聲學摻量噪聲的分布圖像。層析成像分析在我國應用很少，僅沿用聲時(或聲速)和聲幅隨深度變化的XY曲線。在少量聲測管和組合剖面情況下，只能粗略地評判缺陷及其所在位置和分布范圍，無法定量地給出缺陷的分布形態和損傷程度。過濾法鼓勵采用層析成像分析技術，在平測剖面基礎上，增加不同方向的斜測剖面。基于這些實測剖面反演聲速二維和三維圖像。層析成像分析可以定量地判定缺陷及其所在位置、形狀和程度。圖4為層析成像分析結果圖，圖4a)為三維立體顯示圖，圖4b)為縱剖面顯示圖，圖中陰影部分表示缺陷。從中可以清晰地看出樁頂以下6 m,29 m和47 m附近的缺陷及其分布狀況。

3.5 聲學參數與缺陷關系

利用過濾法實測的聲學參數與常見缺陷之間建立對應關系，有助于分析和判定樁身內部混凝土缺陷。當超聲波脈沖遇到缺陷時，接收信號的聲學參數將發生改變，會引起各個聲學參數的顯著變化，如：1)相對能量減小；2)首波初至時刻延長(或聲速降低)；3)瀑布圖外輪廓出現中斷或空白區域；4)接收信號畸變。

經實踐總結，不同缺陷的聲學參數變化特征明顯不同。以下詳細地描述常見樁身缺陷與聲學參數變化之間的關系特征：

1)斷樁。在澆筑混凝土過程中由于拔管過快導致樁身某處產生斷樁。斷樁通常是全截面的缺陷，對應深度處各個剖面的實測聲速和相對能量均會快速下降。與其他缺陷相比，斷樁的實測聲速和相對能量曲線表現為突變型以及瀑布圖出現明顯空白區域。2)縮頸或夾泥。當樁身內部混凝土存在縮頸或夾泥時，對應深度處的實測聲速和相對能量將會下降。如果聲測管被夾泥所包裹，則聲速和相對能量下降幅度更大。3)氣泡。樁身混凝土內常存在著微小氣泡。氣泡不會對實測聲速造成明顯降低，但卻使相對能量明顯衰減，實測相對能量明顯下降，這是因為聲脈沖遇到氣泡導致散射而引起的。4)離析。混凝土離析使得局部粗骨料集中而與其相鄰區域的骨料少砂漿多。粗骨料多的地方聲速升高，但由于聲學界面多對聲脈沖的反射和散射加劇，使得接收信號相對能量下降。粗骨料少砂漿多的地方，實測聲速下降而相對能量高于附近混凝土，瀑布圖出現斷斷續續的空白區域。5)孔底沉渣。沉渣物質呈松散狀態，對聲脈沖的衰減相當劇烈，使實測聲速和相對能量劇烈下降，瀑布圖出現明顯空白區域。通常，在樁底附近出現這種聲學表現，表明樁底存在著較厚的沉渣。

4 工程應用

某工程基礎采用大直徑鉆孔灌注樁，樁徑2 200 mm，樁長80 m，混凝土強度C35。樁身完整性采用聲波透射技術進行檢測。按照ASTM標準，樁身中預埋有8根聲測管。為了驗證過濾法分析的有效性，在樁頂以下22 m附近設置一個明顯缺陷。該缺陷直徑300 mm，高度500 mm，呈圓柱體樁，材質為泡沫。聲測管和缺陷布置示意圖如圖5所示。由圖中可見，缺陷布置在聲測管A和H之間。現場埋設缺陷情況見圖6。

實測各個組合剖面聲學參數后進行過濾法數據處理和分析，得到全部28個組合剖面的聲時(或聲速)曲線、相對能量曲線和瀑布圖。分析結果顯示AH,AG,BH組合剖面發現這個埋設缺陷。典型的聲學異常表現如圖7所示。由圖中可以清晰地看出，在22.0 m附件聲速和相對能量快速下降，瀑布圖出現局部空白區域，其外輪廓首波初至時間延長，表明該處附近存在著明顯缺陷。

5 結論

1)過濾法中利用相對能量和閾值首波初至時刻判據，可客觀地反映樁身混凝土實際強度和缺陷，相比于數學統計法的聲時聲幅臨界值判據更加科學，可大大減少缺陷漏檢的風險。2)過濾法強調利用瀑布圖識別缺陷，使得缺陷的分辨率和對比度明顯提高，更加直觀。3)過濾法鼓勵運用相對能量、首波初至(或聲速)、瀑布圖及層析成像等缺陷分析方法進行綜合解釋，可有效地識別缺陷并彌補數學統計法中的局限性。這對聲波透射檢測技術應用的科學性和計算結果的可靠性具有十分重要的現實意義。