用于灌注桩检测的声波换能器及CT扫描

1 用于灌注桩声波检测的换能器及用于灌注桩声波检测的换能器及 CT 扫描扫描 罗骐先 摘 要 作者研制了新型的声测法测桩用换能器 JF 系列单个换能器及 CJF 系列串式换能器 JF 系 列换能器比目前市面上的换能器长度大大缩短 直径大大减小 25 31mm 由于在换能器内装置了前 置放大器 保证了接收信号有足够的幅度和大的信噪比 为方便在声测管或钻孔中使用 JF 换能器还作 了许多重大改进 为提高现场测桩效率和进行 CT 扫描测量又研制出串式换能器 前 言 近十多年来 各类土木工程基础中大量推广使用混凝土灌注桩 目前对灌注桩的检 测普遍采用无破损检测法 对于桥梁基础灌注桩 由于常采用巨型长桩 通常采用声波法 进行检查 这就是用声波换能器在预先埋设在桩中的声测管中沿桩长进行逐点探测 常用 的声波换能器为增压式换能器 增压式换能器是 70 年代由军用水听器引用到民用的非金 属超声检测中的一种径向换能器 这种换能器内部由多片压电圆片组合而成 形成一个长 圆柱体 通常直径为 30 35mm 长 250 300mm 通过压电片的径向振动向四周幅射超 声波 长期以来一直沿用这种换能器作管 孔 中的声波检测 笔者针对以往增压式换能器的缺点 根据多年测桩的实践经验 设计研制了一种新 型的超声换能器 JF 系列换能器 见图 1 照片 1 专门用于灌注桩声测或钻孔中超声 检测 包括混凝土声波检测及岩体声波检测 二 JF 系列单个换能器的特点 1 尺寸缩小 增压式换能器之所以长是因为多片圆型压电片的组合 为了缩短长度 JF 换能器舍 弃了增压式多片压电片组合的方式 采用机电耦合系数高的圆环型压电体 这样既保证了 必要的灵敏度 又大大地缩短了换能器的长度 JF 型换能器长度 包括可旋下的锥型重 锤 发射换能器仅长 118 139mm 带前置放大器的接收换能器也仅长 155 170mm 至于换能器的直径 它取决于所设计的换能器的频率 频率越低 穿透距离越大 但 换能器直径也大 为了增大穿透距离 JF 系列换能器保留了 40kHz 的品种 JF 40 型 其 直径为 31mm 但同时又设计了 60kHz 的品种 JF60 型 这样就将换能器直径缩小为 2 25mm 这样大的直径完全可在 1英寸的钢管 外径 42 25mm 内径 35 75mm 中使用 4 1 比用 2 英寸的钢管节省 1 3 的钢材 测一根 50m 长的桩 仅声测管费用就可节省近千元 为保证换能器有足够的穿透能力 在接收换能器上又制作了专门的前置放大器 JF 60D JF 40D 型 保证了接收信号有足够的幅度和信噪比 为了在测裂缝等特殊场合使 用 还研制了直径仅 15mm 的频率为 80kHz 的换能器 JF 80 型 见照片 1 图 1 JF 换能器结构图 照片 1 JF 换能器 1 电缆 2 上锥体 3 前置放大器 4 压电体 5 扶正器 6 下锥体 2 前置放大器设计 前置放大器由两级放大组成 总增益为 20dB 即可将信号放大 10 倍 前置放大器密 封在压电体上端 体积很小 不增大原来换能器的直径 利用原电缆供电 即引出电缆既 传输信号又给放大器提供电源 且交直流两用 由于这样的设计 使接收信号大大加强 而信噪比仍很大 使用直径 25mm 的 JF 60D 型换能器 频率为 60kHz 在芜湖长江大桥成功地测试了直径 3m 的巨型灌注桩 而声测 管采用的是 1英寸钢管 节省了大量钢材 受到使用单位的欢迎 而带前置放大器的 2 1 40kHz 换能器 JF 40D 型 在砼中的穿透距离则大大增加 曾在一次钻孔法探测砼内部 缺陷的实测中 在 5m 间距的钻孔间测量 信号仍很强 说明该种换能器还可穿透更长的 距离 3 外型设计 针对以往换能器外型上的一些不足 作了以下改进 1 考虑到换能器在管中上下拖动中若遇到管子接头 焊疤等时容易阻塞 故 JF 换 1 2 3 4 5 6 3 能器上下端均作成锥型 便于通过管壁的阻塞 2 为使换能器随时居于管子中央 通常要在换能器上套一橡皮的扶正器 由于 JF 换能器在下端设置了锥型铜头 可以方便旋下 随时套上一扶正器 3 JF 换能器顶端电缆线出口处专门设计了一铜螺丝管 其用途是 一旦换能器需 要测量向上的钻孔时 该螺丝管正好与空心接杆相连 这是专门为测量隧洞 廊道顶部裂 缝及洞室松动圈探测设计的 4 电缆线长度标刻 在灌注桩及孔中测量时 必须测量换能器入孔深度 采用一种有色溶液涂在电缆上 标注刻度 以白 绿 红三种颜色分别代表 20 50 100cm 的刻度 该溶液与电缆绝缘 外壳溶为一体 刮削不掉 5 密封 为保证在水中的密封防水 JF 换能器采用内部防水与外部环氧树脂封装两重止水措 施 制作好后经压水检验 曾用 JF 换能器在润扬长江大桥基岩声波测井中 在 120m 的 水深中连续正常使用 证明其密封性能良好 三 串式换能器 1 研制串式换能器的必要性 在灌注桩声波检测或其他孔间检测 如地 下连续墙 大体积单面结构检测 岩基声波检 测等 中 一般所采用的基本方法是用单个的 孔中径向换能器在成对的孔中从上到下以一定 的间距逐点地对测 如果在对测中发现某些测 线测值异常 则还应进行斜交叉测量 以确定 缺陷的大小和范围 图 2 为了对所探测的对象有更直观 全面的描 述 近年来又出现了声波层析扫描探测的方法 简称声波 CT 1 图 3b 是南京水利科学研究 院在某灌注桩有缺陷段获得的 CT 图象 桩内 缺陷的位置 范围 大小很直观清晰地表现在 图上 图中右下部的红色区域波速为 3800m s 正是桩中夹的一砂团 为了获得测试断面可靠 准确的声波 CT 图象 必须多测点交叉测量 如图 3a 所示 从图中可以看到 若上下换能器间距为 20cm 一段 2 4m 长的桩 仅一个测试面就将有 12 12 144 条测线 而每测一条测线又必须移动换能器一次 这是巨大的工作量 费时 费力 即使不进行 CT 检测 在一般灌注桩声波检测中也面临同样的问题 即上下多次移 动探头耗费大量时间 而且在指挥上下移动探头过程中容易出现差错而导致前功尽弃 图 2 对测和斜测 4 为了解决以上问题 作者研制了一种串式声波换能器 如照片 2 所示 a 扫描测线 b 声速 CT 图 图 3 灌注桩 CT 扫描 照片照片 2 串式换能器串式换能器 5 2 串式换能器介绍串式换能器介绍 CJF 40 型串式换能器是由 10 只或 10 只以上换能元件串连在一根多芯电缆上 通过多 芯插头与多点转换器相联 再用电缆将多点转换器发射 接收插座与超声仪相应插座相联 图 4 每个分换能器频率为 30 40kHz 串式换能器分两种型号 CJF 40A 和 CJF 40B CJF 40B 型除可作为一般对测 斜测 逐点 CT 扫描测量外 还可与多通道超声仪或 信号采集仪配合进行一点发射多点同时同时接收的 CT 扫描测量 将串式换能器置于测孔中 开启超声仪即可工作 对测 交叉测 接收插座 发射插座 直接 8 9 10 1 3 46 2 5 7 8 9 10 1 3 46 2 5 7 8 9 10 1 3 46 2 5 7 放大 接超声仪 接收车站 接超声仪 发射车站 图 4 串式换能器及 多点转换器 6 1 普通对测 普通对测 将多点转换器面板上的选择开关拨向 对测 图 4 这时两串换能器成对地与超声 仪接通 拨动多点转换器面板上中间的波段开关 从 1 10 即可从上到下逐点对测 这 时测量间距为 20cm 如果希望把间距改为 40cm 则可按 2 4 6 8 10 点接通测量即 可 放置一次换能器即可测量 2m 的深度 大大加快了检测工作的速度 2 斜交叉测量斜交叉测量 当在某测量段中发现某对测点测值异常时 宜及时地在该段内进行斜交叉测量 以确 定缺陷的范围和大小 这时可将多点转换器的选择开关拨向 交叉测量 这时 发射 接收两串换能器分别与超声仪相应的插座接通 具体接通哪一个换能器头则由面板上左 发射 右 接收 两个波段开关控制 这样 使用者可以任意进行单向或双向 不同 的倾斜度的斜交叉测量 而不必上下移动探头 既快捷又准确 3 CT 扫描测量 扫描测量 当在孔中或灌注桩钢管中用超声仪逐点进行 CT 扫描测量时 与斜交叉测量相似 这 时将发射波段开关置于 1 接收波段开关依次打到 1 2 3 10 进行测量 接着再将 发射波段开关打到 2 接收波段开关依次打到 1 2 3 10 进行测量 以此类推 直 至全部扫描完毕 根据测得的数据 运用编制的 CT 计算程序 即可获得该段的 CT 图象 如果有多通道超声仪 10 个通道 或信号采集仪 则可进行一点发射 多点同时接 收的扫描测量 这样可大大加快检测工作的进程 拨动发射波段开关 从 1 10 发射 10 次 即完成了该段的全部 CT 扫描测量 如果只 有一串串式换能器用作接收 而采用普通的单个换能器发射 则可将单个换能器直接接到 超声仪发射插座上即可 这时每测量一次就必须移动发射探头的位置 如果测距较大 超声仪难以接收 就需要采用其他发射源 例如电火花 电雷管 敲 击等方法 这时需要将发射源提供的触发信号接到