基樁聲波透射法檢測重難點分析

羅劍

（深圳市港嘉工程檢測有限公司）

0 基本原理

聲波透射法的基本原理是用人工方法在混凝土介質中激發一定頻率的彈性波，該彈性波在介質中傳播時，遇到缺陷會發生反射、透射、繞射，由接收換能器的波形，對波的聲速、波幅、頻率和波形的特征進行觀測和分析判斷混凝土樁的完整性及缺陷的位置、范圍及程度。

聲波透射法用于檢測混凝土灌注樁的完整性開始于20世紀70年代，其操作方法是：在鋼筋籠內側平行豎直固定兩根及以上聲測管，將換能器放入聲測管中發射和接收超聲波沿豎直方向穿過基樁混凝土的信號（如圖1），通過聲波儀A/D 模數轉換成數字信號加以存儲并在專業計算機分析軟件上進行各種數據處理，如統計分析、濾波、管斜修正、手動判讀首波。計算機軟件自動計算平均波速、平均波幅、PSD、臨界波速和臨界波幅，對這些數據進行比較分析和判斷，確定樁身混凝土的缺陷位置、范圍大小和嚴重程度，綜合判定樁身完整性類別。

圖1 聲波透射法檢測示意圖

1 聲波透射法

1.1 儀器設備

聲波透射法檢測主要設備包括聲波儀器主機、跨孔聲波探頭和深度計數器。聲波是在介質中傳播的機械波，其波動的頻率范圍可達1010Hz，聲波透射法檢測基樁混凝土質量的聲波頻率一般在2×104～2.5×105Hz，介于超聲波頻段，所以日常工作中經常稱聲波透射法為超聲波法，對應的儀器就叫超聲波儀。

1.1.1聲波儀器主機

聲波儀器主機應符合下列規定：

⑴波形顯示應連續、穩定、可存儲；

⑵應具有自動和手動聲時測量功能，聲時測量范圍宜為0.5μs～5000μs，聲時測量分辨力不宜低于0.1μs；

⑶宜具有自動和手動波幅或衰減測量功能；

⑷宜具有自動和手動頻率測量功能；

⑸接收放大系統的帶寬宜為10kHz～200kHz，接收系統靈敏度宜高于50Mv,宜具有增益調節功能，總增益不宜低于80dB；

⑹宜采用直流供電，宜配有備用電池；

⑺宜具有自動記錄發射與接收換能器位置的功能[1]。

1.1.2跨孔聲波探頭

跨孔聲波探頭應符合下列規定：

⑴跨孔聲波探頭應采用圓環式徑向振動的徑向換能器，即沿水平方向無指向性，諧振頻率為2×104Hz～6×104Hz，有效工作面軸向長度不大于15cm；

⑵接收換能器宜內裝有前置放大器；

⑶基樁混凝土質量檢測一般是用水作為換能器與混凝土的耦合劑，對于水中的換能器，其水密性應在1MPa 水壓下不滲漏，就是保證樁長不大于100m 的水下能正常工作，一般樁長不大于90m。

1.2 現場檢測

1.2.1準備工作

⑴被檢樁混凝土強度至少達到設計強度的70%，且不低于20（15）MPa；

⑵破除樁頭浮漿、松散破損及超灌部分，使樁頂標高為設計的樁頂標高；

⑶割去所有高度較高的聲測管一部分，直至各聲測管口高度平齊。露出樁頭的聲測管管口高度以略高于樁頭30cm，若聲測管過高應割低；

⑷用清水沖洗聲測管，沖洗方法為使用PVC 軟管插至聲測管底部，沖洗2～5 分鐘，直至聲測管底部的鐵銹等雜物沖洗干凈流出清水為止。遇有泥塊或者其他雜物堵住聲測管的情況可嘗試用8mm 鋼筋插入聲測管通管；

⑸測定儀器系統聲零聲時，以備在檢測過程中進行聲時修正。

1.2.2聲測管埋設規定

⑴聲測管可用鋼管（內徑為40～50mm 管，壁厚3mm左右），管身不得有破損，管內壁應光滑，應具有足夠的強度和剛度，制作及施工過程中不得有損壞變形；

⑵聲測管應從樁底開始設置，直到高出設計樁頂標高50cm 左右，管底用鐵板電焊（或管帽）封閉，以防漏水。上端管口要設帽，以防雜物堵塞，檢測時又便于打開；

⑶鋼管拼接時宜用套管螺紋連接或焊接，接口處要求密封平整以利換能器上落無阻。預埋管應固定在鋼筋籠內側，垂直均勻分布，管與管之間互相平行，各預埋管管底應平齊；

⑷聲測管應沿鋼筋籠內圓周呈對稱分布，當樁徑d≤800mm 時，安裝2 根聲測管；當800mm＜d≤2000mm 時，應安裝3 根聲測管；當d＞2000mm 時，應安裝4 根聲測管。應自正北方向開始，按順時針方向對聲測管從“1”開始編號（圖2）。

圖2 聲測管埋設平面示意圖

1.2.3現場檢測的規定

⑴打開操作系統，運行程序，輸入各參數：檢測工程名稱、樁號、樁長、跨距、增益、增益、延時、系統零聲時、步距、計步器輪徑、檢測時間等；

⑵采集開始時勻速拉動換能器連接線并觀察信號出現異常時可回退至信號正常位置再重新收線，確保不是因為采集異常導致信號異常。采集完畢以后觀察探頭是否已到聲測管口以此判斷測試樁長以實際樁長是否一致；

⑶如對某個部位缺陷有懷疑時，可加密測試、斜測、扇測及CT 測試，可改變收發換能器移動步距、收發換能器的高差或者采用CT探頭進行CT測試。檢測完成后及時保存數據，查看文件，可觀察到已存到硬盤中的數據文件。進入下一根樁檢測時，請在參數中作相應改動，再執行采樣、讀數和存貯等功能，直到所有樁檢測完畢；

⑷在必要時可在現場使用儀器自帶的分析軟件初步判斷比較明顯的信號為施工贏得時間，對于復雜、較難判斷及有爭議的信號應在電腦軟件上進行分析處理以免造成不必要損失。

1.3 檢測數據的分析與判定

⑴聲時、聲速和聲速平均值分別按下式計算：

式中：

tci——混凝土第i測線的聲時（μs）；

ti——第i測線的總聲時（μs）；

t0——聲波檢測系統延遲時間（μs）；

vi——第i測線聲速值（km/s）；

Dc——兩根聲測管外壁間的距離（mm）；

Ai——第i測線的聲波波幅值（dB）；

ai——第i測線的聲波波幅值（V）；

a0——聲波0dB波幅值（V）。

⑵當因聲測管傾斜導致聲測數據規律性變化時，應先對管距進行合理的修正，然后再對數據進行統計分析。當實測數據明顯偏離正常值而又無法合理修正時，不得用于評價樁身完整性。

⑶采用臨界值法時應符合下列規定：

①將同一測面全部n 條測線的聲速、波幅和主頻Xi由 大到小依次排序，即：X1≥X2≥…Xm≥Xm+1… ≥Xn-1≥Xn，計算出X及sx值，并按下式計算異常小值判斷值：

Xa=X－λ1sx

式中：

Xa——聲速、波幅或主頻異常小值判斷值；

λ1——樣本中不同樣本總數對應的系數。

將異常小值判斷值Xa與最小數據Xn相比較：

當Xa＜Xn時，Xa即為異常情況的判斷值。

當Xa≥Xn時，剔除最小值Xn，對剩余的X1～Xn-1按上述方法統計和判別。

通過循環的剔除和判別，直至最終的Xa小于最終參加統計的數據中的最小值為止，此Xa即為最終的異常小值判斷值。

測面聲速、波幅或主頻臨界值按下列方法確定：

式中：

Xcr——測面聲速、波幅或主頻臨界值。

將各測線聲速、波幅或主頻和對應的臨界值相比較：

vi＜vcr

Ai＜Acr

當同時滿足上述兩式時該測線可判定為缺陷測線。樁身完整性判定表（如表1）。

表1 樁身完整性判定

2 工程實例

本項目是位于深圳市寶安區的一個房建項目，建筑樁基設計等級為乙級，采用旋挖（沖、鉆）孔灌注樁，樁端持力層為中風化或微風化混合花崗巖，混凝土強度等級為C35。本次對103 根灌注樁進行了聲波透射法檢測，樁身完整性檢測結果為Ⅰ類樁98根，占95.1%，Ⅱ類樁5根，占4.9%。以G-61號樁為例，單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線（如圖3），單樁實測聲速、波幅數據（如表2）。1-2、1-3、2-3 三個剖面的實測聲速值均大于其聲速臨界值，實測波幅也均大于其波幅臨界值，判定G-61號樁三個剖面均無缺陷，樁身完整性為Ⅰ類。

表2 單樁實測聲速、波幅數據

圖3 單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線

3 聲波透射法檢測重點及難點

3.1 檢測過程中接收信號突然消失

這種情況有兩種原因，一種是聲測管內沒有耦合水介質；另外一種是設備系統問題。第一步應先檢查聲測管是否灌滿清水，可以在檢測過程中，用水管不斷地往聲測管加水，直至清水溢出管口為止；然后，將徑向換能器十字交叉，上下左右平移采樣，查看有無接收波形，若有接收波形，說明設備系統沒問題。

3.2 判斷設備系統問題的部位

用平面換能器替換徑向換能器插在主機上，使平面換能器的聲波發射面緊貼，點擊采樣，如波形無異常，證明儀器本身沒問題，只是徑向換能器的問題。如果確定是換能器的問題，再換上徑向換能器，點擊采樣，若能聽到發射換能器發出的振動聲而沒有顯示波形，可以確定是接收換能器的問題；若聽不到發射換能器發出的振動聲，需將徑向發射換能器更換成平面換能器，用平面換能器的發射面與徑向換能器的中間位置并攏，點擊采樣，如果顯示波形，說明接收換能器完好是發射換能器的問題，若上述兩種情況都不是，則判定收、發徑向換能器都有問題。

3.3 發射正常、接收時好時壞

換能器管口水中調試時波形無異常，放入管底正式檢測過程中波形時好時壞，乃至沒有接收信號，提至管口時波形又正常，或回收聲測線、用換能器十字交叉波形顯示正常。這種情況是因為聲測線損壞，水密性不足，當水壓力較大時滲入換能器壓電體，而使換能器的振動靈敏度降低導致信號強度較低，無法接收信號，這種情況建議直接報廢換能器，因為一旦壓電體故障無法維修，只能更換新的換能器。

3.4 樁頭最后一些測點聲速、幅度急劇下降

檢測中發現在樁的淺部位置的最后一些測點單獨或連續的聲學參數明顯減小，但其他深度的測點均無異常。這種情況可能是鑿除樁頭(用炮機)時，導致混凝土與聲測管產生脫離(間隙)或者混凝土松動(裂隙)，可以采用人工鑿除樁頭并保護好現場聲測管不被破壞。

3.5 聲測管的要求

聲測管是聲波透射法檢測中作為換能器的通道，其埋設和連接的質量關乎現場檢測工作的成敗，故在樁身施工施工時要特別引起重視，具體要求有以下幾個方面：

⑴樁身預埋管應采用用鋼管（內徑為40～50mm 管，壁厚3mm 左右），管身不得有破損、變形，管內壁應光滑，管外壁應與混凝土粘結牢固，應具有足夠的強度和剛度，保證聲測管不因受混凝土澆筑外力而彎折、脫開。

⑵預埋管應從樁底開始設置，直到高出設計樁頂標高50cm 左右，管底用鐵板電焊（或管帽）封閉，以防漏水。上端管口要設帽，以防雜物堵塞，檢測時又便于打開。

⑶鋼管拼接時宜用套管螺紋連接或焊接，接口處要求密封平整以利換能器上落無阻。預埋管應固定在鋼筋籠內側，垂直均勻分布，管與管之間互相平行，各預埋管管底應平齊。

4 結語

⑴基樁聲波透射法對比其他檢測樁身完整性的有其獨特的優點：檢測數據準確、可靠，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位；且現場操作簡便、迅速，不受樁長、長徑比的限制，一般也不受場地限制[3]。

⑵總結分析聲波透射法檢測過程中的重點及難點，保證檢測任務的順利實施，檢測結果的準確性、可靠性，提高樁基檢測質量，促進樁基檢測行業的有利發展。