聲波透射法在基樁檢測中常見的問題與探討

盧 亮

（南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

目前基樁檢測的方法主要有鉆芯法和動力測試法［1-2］等，鉆芯法雖然較為直觀，但費用高，檢測周期長且對局部缺陷的判斷上存在一定的誤差。低應變法雖檢測速度較快，檢測成本相對較低，對場地要求也不高，但對于較長和較短的樁均不適用，尤其檢測的局限性，且對檢測樁長無法進行準確判斷。高應變速度快，但現場要求也較高，尤其對于高承載了的基樁，需吊車進行配合，而工程現場因道路較差，吊車往往無法到達現場，且檢測時對大承載力樁基需較大重錘進行沖擊，檢測難度大，費用高。超聲波法檢測速度快，不受樁長樁徑的限制，檢測結果準確可靠，檢測范圍可覆蓋基樁的多個剖面。

聲波透射法優點眾多，并也得到了廣泛的應用，但在進行超聲波測試時，如果忽視一些問題，如連接發射和接收換能器的聲測線未對齊，零聲時未標定準確以及聲測管管距測量不準確等都會對測量結果產生影響，本文將針對這些方面，分析研究聲波透射法測試時應注意的問題。

1 檢測原理

超聲波，即頻率超過 2×104Hz 的聲波，聲波，是可在彈性介質中傳播的一種機械波。在現場對基樁進行檢測時，基樁中需要首先預埋至少兩根與樁身平行的聲測管，檢測前將管內灌滿清水并保證管內暢通，將超聲波的發射和接收換能器分別置于兩根管中，發射換能器將發射的電信號轉換成脈沖信號并向樁內輻射，對樁身的混凝土進行逐點、逐段的探測，脈沖信號在混凝土中傳播并最終到達接收換能器，接收換能器根據接收到的信號的特征，如波速、波幅等來對樁身混凝土的質量進行判斷。其原理圖如圖 1 所示［3］。

圖1 聲波透射測量原理圖

超聲波檢測時，兩個剖面為一組檢測面，一個為發射端，一個為接收端。發射端在混凝土內激發一個高頻次的彈性脈沖波，接收端為高精度的接收系統，可以記錄該高頻次的脈沖波在混凝土內的傳播過程以及傳播的波動特征。當混凝土內存在混凝土質量問題，如夾泥、蜂窩、麻面甚至斷樁時，有問題的截面會形成一個波阻抗界面，高頻脈沖波達到該問題界面時，由于波的透射和反射，使接收到的透射能量明顯降低；當混凝土內存在嚴重缺陷時，甚至產生波的散射和繞射；根據波的初至到達時間、頻率變化、波的能量衰減特征及波形畸變程度等特性，可以獲得測量范圍內混凝土的質量參數。通過在不同側面、不同高度上的檢測，并記錄超聲的波動特征，就可以判別測區內混凝土內部存在的缺陷，以及缺陷的大小和位置，并對混凝土的總體均質性和完整性作出評價。現場檢測時可根據現場情況進行平測、斜側或扇形掃射等，如圖 2 所示。

圖2 平測、斜測和扇形掃測示意圖

2 存在的主要問題

2.1 聲測線未對齊對測試結果的影響

現場檢測時，檢測人員有時認為兩根聲測線在高度上存在一定的偏差對結果影響不大，而且由于聲測線上往往 20 cm 才進行一次標記，現場檢測對齊時也存在一定的難度，導致現場檢測時兩根聲測線不對齊的現象經常存在。同時，在檢測過程中，由于兩根或更多根聲測線上拉時沒有同步，導致聲測線在開始時是對齊的，但上拉一定高度后聲測線會存在高度上的偏差，此時檢測人員往往不會注意去及時調整聲測線，導致聲測線的高度不一致［4-5］。

假設波速在混凝土中傳播的速度為 4.0 km/s，兩根聲測管之間混凝土的凈距離分別為 500、600、800、1 000 mm。當兩根聲測線刻度未對齊時，兩根聲測管之間距離的測量值與實際值之間存在一定的差異，可根據不同的測線相差距離求出設置的管距，求出實測的聲時，并求出實測的波速，該波速與原假設波速 4.0 km/s 進行比較，將在不同的管距下，測線相差距離與實測波速的關系曲線繪于圖 3 中，將測線相差距離與實測波速誤差的關系曲線繪于圖 4 中。

從圖 3 中可以看出，隨著測線相差距離的增大，實測聲速迅速減小，兩根聲測線之間的水平距離越小，減小的越為明顯，從圖 4 中可以看出，當兩根聲測管之間的水平距離為 500 mm，垂直距離相差 20 cm，測量的波速誤差就將達到 7 %～8 %，這對測量的結果將有較大影響，根據 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》的規定：對具有 3 個及 3 個以上檢測剖面的樁，應取各個檢測剖面聲速異常判斷臨界值的算術平均值，作為該樁各聲測線的聲速異常判斷臨界值［3］。即各測試剖面的聲速異常判斷臨界值為同一個值，若某根樁有三個測試剖面，其中兩個測試剖面測試時聲測線基本對齊，而其中一個測試剖面測試時聲測線未對齊，那么有可能導致該測試剖面的某些本來大于臨界值的較小的聲速值而低于臨界值，并最終導致誤判。

圖3 測線相差距離與實測波速的關系

圖4 測線相差距離與實測波速誤差的關系

2.2 系統延遲時間設置不當對測試結果的影響

按規范 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》的規定，在進行現場檢測之前，需采用率定法確定儀器系統的延遲時間，然而因對儀器進行率定較為麻煩，在進行現場檢測前，檢測人員往往不對儀器的延遲進行率定。同時，一臺聲波測試的主機，有時配備多套聲速測試線（即多個換能器），使用不同的測試線時，往往不更改系統的延遲時間，導致設置的系統延遲時間不準確，使聲時存在誤差。聲時誤差有兩種情況，即真值比設置值大和真值比設置值小，將真值比設置值大時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關系以及真值比設置值小時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關系分別繪于圖 5 及圖 6 中。

圖5 真值比設置值大時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關系

圖6 真值比設置值小時實測聲速值及測量誤差隨聲時誤差的變化關系

從圖 5 中可以看出，當真值比設置值大時，隨著聲時誤差的增大，實測波速值將逐漸減小，即聲速測量誤差逐漸增大，同時在相同的聲時誤差下，管距越小，實測波速值也將越小，即測量的誤差也將越大。在管距為 500 mm，假定聲時誤差為 6 時，聲速測量誤差將達到 5 % 左右，即當真實波速為 4 000 m/s 時，實測波速只有 3 800 m/s 左右。這已經對測量結果產生的較大影響。在真值比設置值小時，也有類似的誤差出現，只是波速實測值會比真值偏大，如圖 6 所示。

2.3 管距測量不準確對測試結果的影響

規范 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》10.4.1 條規定，在現場檢測開始前，需在樁頂測量各聲測管外壁間的凈距離，并將凈距離錄入儀器中，以便于計算混凝土的波速。如果管距凈距離測量不準確或者未測量直接根據經驗輸入一個值，將對檢測結果產生較大影響。以下分別分析了當實際管距為 600 mm 和 500 mm，聲測線聲時為 150 時，管距的測量誤差對檢測結果的影響，從圖 7 及圖 8 可以看出，管距測量的不準確對測量聲速的影響很大，例如，當實際管距 600 mm，聲測線聲時為 150 時，實際測量聲速應為 4.0 km/s，隨著測量誤差的增大，實際測量到的聲速將呈線性減小，當管距測量誤差為 10 % 時，實測聲速則僅有 3.6 km/s，已明顯小于真值聲速 4.0 km/s，此時有可能將本是無異常的剖面判為異常剖面，對測試結果的判定影響極大。同樣，當實際管距為 500 mm 時，也存在相同的問題，實測的波速將隨測量誤差線性減小。

因此，管距測量的不準確對檢測結果的影響是致命的，稍有不慎，即會出現誤判的情況，在檢測時，一定要按照規范要求，對聲測管的管距進行準確的測量。

3 結論

超聲波檢測雖然是目前的較為準確的檢測方法，但檢測過程中若忽視一些問題，如聲測管對齊有偏差，零聲時未準確標定等都很容易對檢測結果造成較大影響。當兩根聲測管未對齊時，假設 2 根聲測管之間的水平距離為 500 mm，垂直距離相差 20 cm，測量的波速誤差就將達到 7 %～8 %。零聲時未標定準確時，當真值比設置值大時，隨著聲時誤差的增大，實測波速值將逐漸減小，即聲速測量誤差逐漸增大，同時在相同的聲時誤差下，管距越小，實測波速值也將越小，即測量的誤差也將越大，在管距為 500 mm，假定聲時誤差為 6 時，聲速測量誤差將達到 5 % 左右，這對測量的結果將有較大影響，在現場檢測時應注意這些問題，并結合現場情況綜合判斷樁基的完整性。同樣，聲測管管距測量的不準確對測試結果的影響是極大的，測量波速將隨測量誤差而線性變化，在檢測時，一定要準確對聲測管管距進行準確測量。