工程检测与测试全套课件完整版电子教案最新板

1、工程检测与测试 绪论1无损检测的理论基础2信号采集、分析和数字成像3桩、柱、杆检测技术4目录Contents第一章 绪论概述意义与发展历程发展趋势课程学习1.1 工程检测与测试的意义及发展历程工程检测的意义检测与测试的概念工程无损检测技术的发展历程重点工作落实情况0102031.1.1 工程检测的意义材料工艺评价技术进步造价控制质量控制在役结构确定材料、工艺是否满足工程需求推动技术进步 降低工程造价合理地控制并科学地评价施工质量对在役结构进行合理的评估，保障安全，并为养护加固提供依据1.1.2 检测与测试的概念试验检测测试试验是指在一定条件下，通过实验数据来探讨被研究对象性能的过程。检测是检验

2、与测试的结合。测试是指具有实验性质的测量，可以理解为测量和试验的综合1.1.3 工程无损检测技术的发展历程随着电子、信息技术的发展而发展1920起步1950 超声波1980探地雷达冲击弹性波2000IE、CT岩锚、跨孔预应力20101960 基桩低应变钢筋计回弹仪1.2 工程检测技术概述 检测媒介 检测对象 检测原理重点工作落实情况0102031.2.0 检测媒介 弹性波（含超声波、振动）与材料的力学特性、结构形状、边界条件相关 电磁波包括红外线、光波、紫外线、微波、X光等 其它电磁诱导、回弹仪等1.2.1 检测对象：桩、柱、杆共性特点二共性特点三共性特点一 均为细长结构仅有单端露出（测试面）

3、主要问题长细比均在数十以上 长度不足（岩锚、立柱等） 有断裂等缺陷（基桩） 灌浆不密实（锚杆、索） 基桩检测 低应变（PIT） 检测基桩完整性（有无断裂） 测试方便 高应变 检测基桩完整性 推算基桩承载力 跨孔声波（超声波） 检测基桩完整性 测试结果相对可靠 需预留声波管基桩 岩锚（杆、索）检测 岩锚杆 锚杆长度 灌浆密实度 岩锚索 锚索长度锚杆、锚索 立柱检测 公路护栏立柱等 埋入长度立柱测试特点基桩低应变岩体锚杆立柱长细比比表面积岩体锚索检测难度增加1.2.2 检测对象：混凝土材料及结构特点共性特点二共性特点三共性特点一 结构形状多样尺寸差异大检测作业面块、柱、板、异形 2个及以上 仅1个

4、 无共性特点四 最小0.1m左右 最大数百米材质差异大 沥青混凝土 普通混凝土 高强混凝土1.2.2 混凝土材料及结构主要问题 材质 刚性（弹性模量） 强度（抗压、拉强度） 缺陷 裂缝、脱空 内部缺陷（不密实、空洞等） 尺寸、位置、其他 厚度、埋深 钢筋位置、直径 钢筋锈蚀大坝1.2.2 混凝土材料及结构主要检测方法 弹性波（包括超声波） 刚性（弹性模量）、强度 裂缝深度、脱空 内部缺陷（不密实、空洞等） 厚度、埋深 电磁波 钢筋位置 内部缺陷、厚度、脱空 其他 钢筋位置、直径（电磁诱导） 钢筋锈蚀（半电位） 强度（回弹仪）混凝土结构检测1.2.3 检测对象：岩土工程及材料共性特点二共性特点三

5、共性特点一 种类多样、性质复杂受外界影响大 面积、体积大粒径、成分、含水状态共性特点四 水分 施工（碾压） 分填方、挖方 力学特性不同1.2.3 岩土材料及结构主要问题 变形问题 不均匀沉降 过大沉降 强度问题 承载力不足 边坡滑坡、失稳 渗透问题 过大渗透 渗透破坏（管涌、流土等）道路路基1.2.3 岩土材料及结构主要检测方法 物理检测方法 挖坑灌砂法 RI法（核子密度水分仪） 静力检测方法 K30 贝克曼弯沉（公路） Ev2（铁路） 动力检测方法 FWD、PFWD Evd 落球检测铁路路基1.2.4 检测对象：预应力结构共性特点二共性特点三共性特点一 结构复杂 材料受力大 耐久性较差 混凝

6、土 钢绞线 灌浆保护共性特点四 混凝土强度高 C50以上 钢绞线强度高（1860MPa以上） 预应力体系本身 预应力损失 钢绞线容易锈蚀1.2.4 预应力结构主要问题 预应力松弛问题 施工时 应用时 钢绞线锈蚀问题 后张法施工时的灌浆缺陷 钢筋混凝土结构相关问题 混凝土老化 其他预应力混凝土桥梁1.2.5 现场试验与测试 材料试验 结构试验 其他桥梁静载试验1.2.6 远程监控 监测对象 结构本身：变形、应变、振动、倾斜等 环境：温度、风力、交通等 数据采集及实时传送 数据采集 数据传输（有线、无线） 数据分析及储存 混凝土老化 其他斜拉桥梁1.3 工程检测与测试技术的发展趋势 不同技术间的融

7、合 信号处理技术的进步 智能化水平的不断提高重点工作落实情况0102031.3.1 不同技术间的融合超声波冲击弹性波GPS/3/4G数据库BIMSWOT电子、计算机及机械水平的进步IT、通信技术的进步精细化施工的需求大量在役结构的维护、管理1.3.2 信号处理技术的进步 信号的降噪、抽取、分析 硬件处理 软件分析 信号来源的多样化 弹性波中不同成分 可视化技术 2维3维4维（动态）声呐成像B超成像CT成像1.4 本课程的学习比较了解本课程是一门理论性及实践性均很强的课程，为了更好地学习、掌握相关知识，应当注意：（1）正确认识各种检测手段的优缺点（2）加强理论联系实践理论动手工程检测与测试 第二

8、章 无损检测的理论基础主要方法振动理论波动理论冲击弹性波其他测试媒介2.1 无损检测的主要方法 无损检测概念 主要技术分类 主要技术简介0102032.1.1 无损检测的概念及应用无损检测的概念 无损检测，又称非破坏检查技术，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使用性能和形态受到损伤为前提，通过一定的检测手段来测试、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件等被测物的性质、状态或内部结构等所采用的检查方法。无损检测的应用领域 无损检测技术在国内许多行业和部门得到广泛应用，

9、例如机械、粉末冶金、建筑、公路、铁道、隧道、桥梁、石油天然气、石化、化工、航空航天、船舶、电力、核工业、兵器、煤炭、有色金属、医疗机构、核工业、海关等。2.1.2 无损检测技术分类 工程无损检测技术大体可分为波动振动类(包括冲击弹性波、超声波、AE、打声法等)、电磁波类(包括雷达、电磁诱导、红外线、可视光、射线等)以及其它类(机电等)等几大类。分类代表检测方法检测量波动振动类冲击弹性波、超声波、AE、打声法振幅、频率、相位、时间、速度电磁波类电磁诱导、微波（探地雷达）振幅、频率、相位、时间、速度红外线、可见光（激光）颜色、灰度、相干等X射线法射线的衰减其它类回弹法等回弹值2.1.3 无损检测的

10、主要方法冲击弹性波法、超声法 利用机械式或者压电式在测试对象内部或表面产生一个微小扰动，再利用接收装置接收该微小扰动，从而检测对象内部状态的方法。 冲击弹性波检测仪 超声波检测仪2.1.3 无损检测的主要方法冲击弹性波法超声法采用机械式激振，振动传感器接收信号采用压电式晶体激振和接收，激发的信号频率超过20KHz能量较大测试距离远适用于频谱分析波长短分辨率高小型构件及金属构件缺陷检测应用广泛VS2.1.3 无损检测的主要方法红外热像法X射线雷达法最早用于防空探测，近二三十年来在地质预报、路面检测、结构检测等方面获得了广泛的应用特点：只需一个测试面产品：天线阵列地质雷达仪原理：物体向外进行热辐射

11、，并通过采集热辐射信号检测表面温度，然后以图像方式表现特点：无接触、遥感测试面积大优点：结果直观、检测快速原理：利用射线穿过物质，并被其衰减特点：穿透力强、结果直观、分辨率高劣势：放射性强、设备庞大、检测费用高2.2 振动理论 振动概念 简谐振动 振动频谱0102032.2.1 振动概念 无损检测需要依存相应的媒介，如光、电磁波、弹性波等，这些媒介大多具有波动性和振动性。同时，直接诱发测试对象的振动，通过分析其时域和频域动力响应，也是一种诊断和分析结构系统特性的方法。 振动概念物体在一定位置附近来回往复运动，称为振动。简谐振动是最基本的振动。振动是物质的一种运动形式，波动是振动的传播过程。振动

12、VS波动对于连续介质，当某一质点振动时，该质点的振动能量就会传递到周围质点上，从而引起周围质点的振动。这种振动能量在介质内部的传播过程称为波动。2.2.2 简谐振动a：单摆振动系统 b：质量-弹簧振动系统简谐振动是最简单和最基本的振动。任何复杂的运动都可以看作若干简谐振动的合成。1.在平衡位置附近来回振动2.受回复力作用简谐振动的条件2.2.2 简谐振动简谐振动方程设简谐振动微分方程A为振幅：初始条件（振动能量）决定；为圆频率：弹性、惯性决定；定义：凡是决定其位置的坐标按余弦或正弦函数规律随时间变化的振动都是简谐振动。解上式得为初相位：t=0时的物体位相(t)=t+ 位相T：周期,单位：Hz2

13、.2.2 简谐振动简谐振动特征/判定依据受力分析简谐振动的速度、加速度加速度与位移成正比而反向物体在简谐振动时，其位移、速度、加速度都是周期性变化的；简谐振动不仅是周期性的，而且存在界限。简谐振动曲线加速度位移2.2.3 振动频谱 频谱 按频率由低到高排列成谱状的各次谐波的集合 频谱通常指振幅频谱。 振幅频谱 各次谐波振幅的集合 相位频谱 各次谐波相位的全体振动特性表示方法：时间坐标（时间域）、频率坐标（频率域） 能量频谱（功率谱） 各次谐波能量的全体 周期振动的频谱（线谱） 可看做许多频率组成谐波关系的正弦或余弦波的叠加结果。周期性方波，有许多不同振幅谱线组成2.2.3 振动频谱非周期振动的

14、频谱（连续谱） 连续相位谱：纵坐标由相位表示，相位处于-到之间。连续谱相位谱 连续振幅谱：纵坐标由振幅谱密度表示2.3 波动理论 波动概念 波的要素、分类01022.3.1 波的概念 振动的传播就是波。在弹性介质中产生的波动，依靠弹性介质介点的机械振动产生和产波，因而称为机械波或弹性波 ，如声波、地震波等。变化的电磁场在空间的传播称为电磁波，如无线电波、X射线等。 振动表示局部粒子的运动，波动则是全体粒子运动的合成。波动是波源的振动状态或波动能量在介质中的传播。波动VS振动弹性波的概念振动状态波源机械振动弹性介质产生传播2.3.2 波的基本要素、分类波的传播速度：V，即波动在媒介中传播的速度波

15、的要素波的分类 物质性质 机械波 声波 光波、红外波、电磁波 波源形状 连续波、脉冲波相位：，与振动相似，描述波的起始位置。波长： ，一个周期内波动传播的距离波数：k2.4 弹性波 弹性波的分类 弹性波的产生 弹性波的特性020304 弹性波的方程 弹性波的传播01052.4.1 波的分类 P波（纵波/压缩波/疏密波） 质点的振动方向与波的传播方向平行 波速最快 S波（横波/剪切波） 质点的振动方向与波的传播方向垂直 波峰波形凸起部分 波谷波形凹下部分分类标准：介质质点的振动方向与波动的传播方向的关系P波、S波也称为体波，可传播到物体内部和深处。2.4.1 波的分类 瑞利波（表面波） 沿半无限

16、弹性介质自由表面传播 用符号“R”表示根据激振方式分类 稳态瑞利波激振器 瞬态瑞利波锤击 稳态2.4.1 波的分类 板波（Lame波） 在板状介质中传播 对称型（S型） 非对称型（A型） 其他波 弯曲波 爬波 楔波分类P波S波R波L波速度最快约为P波波速的60%左右约为P波波速的55%左右随频率而变化对材料力学特性的依存性主要依存于弹性模量E主要依存于剪切模量G主要依存于剪切模量G依存于E、G弹性波主要成分特点2.4.2 弹性波基本方程波的基本方程直角坐标系的x,y,z方向的惯性力分别表示为：其中为弹性体的密度。2.4.3 冲击弹性波的产生发振频率激振锤越小、产生的频率越高打击对象越硬、激振锤

17、与被测体间的接触时间越短，产生的频率也越高2.4.3 冲击弹性波的产生激振信号和引起的自由振动频率的关系式冲击过程冲击过程的频率特性2.4.4 弹性波的传播速度P波E为弹性模量，u为泊松比，为密度。S波 G为材料的切变模量R波L波Lame波的速度，不仅取决于材料特性，还与波长L及厚度H相关，其理论解非常复杂。2.4.5 弹性波的特性 弹性波的衰减 几何衰减 透过衰减 黏滞性衰减 弹性波的反射 在两种媒介垂直入射的情况弹性波的传播及衰减 弹性波的其他特性 折射、叠加与干涉 衍射和惠更斯原理 中间有不同夹层的情况 2.5 其他测试媒介 超声波 X射线、红外线0203 电磁波012.5.1 超声波

18、利用晶体或多晶陶瓷的声电、电声转换效应压电效应来获得超声波，这种获得的超声波具有较高频率，一般为数百千赫兹。在混凝土中，其波长只有数厘米。 频率：高于20kHz的声波称为超声波。 工作频率：0.2520MHz 超声波探头2.5.1 超声波 项目超声波冲击弹性波激振方法电气振动打击等能量小大频率短（频率高）长（频率低）受信传感器类型探头AE传感器加速度传感器受信灵敏度高高低频谱特性差差好超声波和冲击弹性波的主要异同2.5.2 电磁波 微波 频率为300MHz300GHz 具有直线传播、反射折射性 依据电磁特性，穿透能力强 相对介电常数越小，则微波越容易渗透 雷达法 以微波作为检测媒介的一种无损检

19、测技术 定义 由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，速度为光速。雷达2.5.3 X射线、红外线 红外线 介于可见红光和微波之间 波长范围0.76100m 频率4x10143x1011Hz X射线 波长为10-1110-8 波长愈短、密度愈低、厚度愈薄，愈易穿透X射线第三章 信号采集、分析和数字成像基础信号采集基础信号分析基础数字成像技术基础3.1 信号采集基础 传感器 数据通信 降噪技术0102033.1.1 传感器信号采集设备 主要由传感器、信号调理模块、A/D转换模块构成。 能感受规定的被测量元件并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和

20、转换元件组成。传感器3.1.1 传感器物理量加速度、位移、温（湿）度、压力、流量、液位、转矩、力等传感器工作原理振动、湿（磁、气）敏、电（光）学式、电荷、半导体、谐振式等传感器传感器的分类3.1.1 传感器传感器的静态特性传感器的动态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系传感器在输入变化时，它的输出特性 标准输入信号：阶跃信号 阶跃响应 标准输入信号：正弦信号 频率响应传感器的性能线性度灵敏度分辨率重复性阈值飘移迟滞3.1.1 传感器 信号调理对输入信号放大、滤波等将输入信号转换成处理模块能够识别的信号 滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可能使有用信号通过，衰减无用信号低通L

21、PF 高通HPF带通带阻基本形式主要分类高通滤波器（HPF）3.1.1 传感器 A/D转换（模数转换） 把模拟信号转换成数字信号 把连续信号转换成离散信号（采样）转换速率完成一次从模拟量转换到数字量所需时间的倒数。单位：Ksps 、Msps采样频率（采样间隔） 即在时间轴上对信号进行量化的频率；采样频率越高（采样间隔越短），对模拟信号的再现性越好。采样精度（分辨率）数字量变化一个最小量时模拟信号的变化。用输出二进制数码的位数表示，位数越多，分辨力越高。线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。A/D转换过程3.1.2 数据通信 总线 是采集模块和处理模块的纽带，是系统的重要组成。 根据并

22、行通信和串行通信，分为并行总线和串行总线。定义：数据通信是一种数据传输过程。 USB总线：传播快速，可达12Mbps；支持多媒体 CAN总线：一种多主总线，各节点之间自由通信，数据通信实时性强信号经采集、调理模块、A/D转换后，经总线传输到计算机或仪器仪表中进行处理，形成一个简单的信号采集系统。虚拟信号采集示意图3.1.2 数据通信 无线传输 利用无线数据传输模块将采集设备输出的数据或物理量进行远程传输，进行无线数据采集，无线开关量控制（远程设备遥测遥控）。 CDMA GPRS：基于GSM系统的无线分组交换，永远在线和按流量计费 3G 4G 公众移动网络 数传电台 宽带WIFI无线数据传输示意

23、图3.1.3 降噪技术元器件噪声干扰噪声电路设计噪声 空气辐射干扰 线路串扰噪声 传输噪声噪声隐藏有用信号，或者使得有用信号失真，影响测试精度，制约采集系统、检测设备的性能。在实际应用中，采集到的信号，夹杂着许多噪声。3.1.3 降噪技术 硬件降噪 对信号进行前端增幅 改良配线方式和输入方式 增加地线 设置滤波装置 将信号看作模拟信号，通过选择不同的频率成分实现信号滤波。带通滤波：高低频段之间的信号通过带阻滤波：高低频段之外的信号通过 带通滤波“尖角”信号处理：设置缓冲区Df3.1.3 降噪技术 软件降噪移动平滑法：相邻数据取加权平均对测试信号高频噪声予以削减移动平滑法的去噪效果取决于：噪声的

24、特性，如果噪声相互间没有相关性，去噪效果最好；具有信号耦合的效果，相邻信号影响信号的锐度。3.1.3 降噪技术 软件降噪经验模态分解法（EMD）：N.E.Huang等人于1998年提出的适合于非线性、非平稳信号的频谱分析方法原理：从分解的IMF（本态模征函数）分量中去除噪声引起的IMF分量后，将剩余IMF和趋势分量重构信号。去掉低阶IMF 低通滤波去掉高阶IMF 高通滤波EMD去噪效果图3.2 信号分析基础 信号的频谱分析 信号的相关分析01023.2.1 信号的频谱分析 FFT（高速傅里叶变换）将波分解为正弦波或余弦波，分解出的各种波的频率、振幅和相位即为波的频谱。波的频谱分析，即将合成波分

25、解为具有单独频率和初始相位的单纯波。Ak,Bk，称为有限傅里叶系数。频谱分辨率：由采样间隔和采样数决定。采样间隔越小，分辨率越高。但采样个数越多，分辨率反而降低。3.2.1 信号的频谱分析 MEM（最大熵法）在不增加熵的条件下推定信号的自相关系数，继而推算频谱。熵，表示无序的程度。频谱分辨率非常高。适用于非正弦/余弦类信号，后者更适用于正弦信号。分辨率与序列长度N2成反比，序列长度越长，分辨率越高。后者分辨率与观测试间（序列长度N）成反比。解决了旁瓣泄露问题。MEM与FFT相比的特征FFT分析结果MEM分析结果3.2.2 信号的相关分析 相关系数 互相关函数 线性相关 非线性相关。 自相关函数

26、信号的相关分析用于回波测距、通信、测速、信号识别、故障诊断等工程应用中。3.3 数字成像技术 扫描技术 CT成像技术01023.3.1 扫描技术 时域分析 对接收的信号进行适当滤波、增幅处理后，根据信号的强弱、相位，用彩色或浓淡（灰度）进行表示。微波、弹性波、超声波均适用。原理：沿测试对象表面连续激发信号，信号遇到空洞等疏松介质时产生反射。抽取该反射信号并进行相应图像处理，即可识别结构物内部缺陷。弹性波雷达（EWR）三维图像切片技术3DS：EWR的延伸3.3.1 扫描技术 弹性波雷达3.3.1 扫描技术 三维切片技术 3DS是弹性波雷达（EWR）的一个延伸，即在反射信号中，通过对各时间断面信号

27、的提取和合成，从而可获取某一区域内各深度的缺陷信息。3.3.1 扫描技术 频域分析 将接收到的信号利用FFT或MEM等频谱分析工具进行频谱分析后，以时间轴为横坐标，幅值或功率为纵坐标再进行描画。适用于信号衰减小、结构较薄的情形。适用于冲击弹性波，微波、超声波检测应用较少。某桥梁腹板EWR成像图（频域，MEM分析）3.3.2 弹性波CT CT 利用X射线旋转照射，用三维技术反演并重建断层面影像，将断层影像层层堆栈形成立体影像。计算：投影法要求测试信号具有直进性，需要360全面观测。3.3.2 弹性波CT 弹性波CT原理与医疗CT基本相同，所不同的是所用的媒介是弹性波而不是X光，采用的参数是波速，

28、而不是衰减。计算：拟投影法（BPT）第四章 桩柱杆检测技术理论基础基桩完整性检测立柱的长度检测锚（索）杆检测4.1 理论基础 基本方程 波长与检测分辨力的关系 波长与有效检测深度的关系0102034.1 .1 基本方程一维杆的波速与无限体波速间的关系 非自由状态下的波动方程检测所采用媒介均为冲击弹性波 ，所采用方法为反射法。相关原理参见2.4.1。4.1 .2 波长与检测分辨力的关系夹层型缺陷反射率与弹性波频率间的关系波长越短 ，频率越高，对缺陷分辨率越高。高频信号对大缺陷存在不确定因素，难以把握。因此，在实际检测中，有必要采用不同波长，以增强不同缺陷的识别能力。 对于长度检测，振幅、反射率等

29、均与弹性波的频率（波长）无关；反射法对缺陷的检测能力与频率相关。不同频率在不同夹层缺陷反射率不同，首次达到最大反射率由夹层厚度（缺陷大小）、频率高低决定。4.1 .2 波长与有效检测深度的关系降低噪声增强反射信号增加激振力度提高信噪比阻抗变化越大，反射率越高激振波长增大，反射率越低影响检测深度的关键提高信噪比 弹性波波长越短，其黏性衰减越大，检测深度越浅，且与波长、距离呈指数关系。 短波可以提高缺陷反射率，长波则相反。 4.2 基桩完整性检测 基桩检测现状 低应变反射法0203 声波透射法 检测方法对比01044.2.1 基桩检测现状 基桩承载力检测 单桩竖向抗压拔静载试验 单桩水平静载试验

30、高应变动测法 基桩完整性检测 低应变反射法 声波透射法 开挖目视法 孔内成像法 取芯法4.2.1 基桩检测现状名称测试内容优点缺点开挖目视基桩完整性结果直观工作量大、对结构破坏较大、成本较高取芯法基桩完整性、混凝土强度结果直观需桩头露出、受钻心质量影响、成本较高孔内成像法基桩完整性结果比较直观，精度高需要桩头露出，并且进行钻孔声波透射法基桩完整性精度较高需桩头露出且需要预留检测孔。低应变反射波法基桩完整性操作简便、结果较为直观需桩头露出、信号需人工判断基桩完整性检测方法对比 4.2.1 基桩检测现状 已颁布行业规程1 中华人民共和国行业标准：建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062003，J 2

31、562003）S. 中华人民共和国建设部，2003.07.01 实施.2 中华人民共和国行业标准： 铁路工程基桩检测技术规程（TB10218-2008，J808-2008）S. 中华人民共和国铁道部，2008.07.01 实施. 3 中华人民共和国行业标准：铁路工程基桩无损检测规程（TB10218-99）S. 中华人民共和国铁道部，1999.06.01 实施.4 中华人民共和国行业标准：基桩动测仪（JG/T3055-1999）S. 中华人民共和国建设部，1999.09.01 实施.4.2.1 基桩检测现状问题一：适用范围局限由于技术原因，各检测方法有一定的适用范围。若将检测能力和适用范围不适宜

32、地扩大，容易引起误判。问题二：方法选用局限问题三：现役基桩检测技术欠缺现役基桩存在巨大检测需求，而目前检测技术针对新桩检测，现役基桩检测问题亟待解决。基桩检测通常是直接法与半直接法配合，多种方法并用。单独的方法无法评定，各个标准并用时又出现主次不分或不一致的情况。4.2.2 低应变反射法 定义 通过分析实测桩顶速度响应信号特征检测桩身完整性（依据波的反射和衰减特性）低应变法检测系统示意图4.2.2 低应变反射法 反射波性质 在均质桩身中，若机械阻抗相同（ Z1=Z2 ），不产生反射。 对于摩擦桩，桩底一般位于土质材料中。由于土体材料的阻抗较低，及机械阻抗减少（ Z1Z2 ），反射信号的相位与入

33、射信号相同。 当有缩径或扩径时刻，机械阻抗分别减少或增加，产生同相或反相的反射波。 当出现断桩、薄弱层等 ，一般均会造成机械阻抗减少，从而产生同相反射。变截面桩反射示意图缺陷桩反射示意图4.2.2 低应变反射法 测试仪器和激振设备的选择 优选压电式加速度传感器：体积小、频率响应范围宽，能够将加速度计的实测信号积分成速度曲线， 并据此进行判读。 10%幅频误差内，加速度计幅频线性段的高限不宜小于510KHz，同时也应避免在桩顶敲击处表面凹凸不平时用硬质材料锤（或不加锤垫）直接敲击。 激振：瞬态激振、稳态激振升拓基桩动测仪4.2.2 低应变反射法 现场检测工作 桩头部位处理 ：由于桩头部位的阻抗，

34、要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。 测试参数设定采样时间间隔t采样数据点数N，宜取2n 传感器安装实心桩安装点空心桩安装点传感器安装点、锤击点布置4.2.2 低应变反射法 检测数据分析与评定 桩身波速平均值的确定：至少选取5根I类桩的桩身波速按下式计算： 桩身缺陷位置时域频域桩身完整性判定4.2.2 低应变反射法 断桩的反射 桩身较长、上部断裂、波阻抗界面明显、反射系数大会产生多次反射。 多次反射波的波幅按指数衰减；反射的时间间隔基本相同。 断桩多次反射的次数，与断裂部位长度、断裂部位桩身的声波衰减系数的大小、断裂处的反射系数相关。 断桩难以得到桩实际底部反射信号。

35、断桩反射特征4.2.2 低应变反射法 扩颈的多次反射 激励的首波D在扩径处多次反射 一次反射波R1的相位与D相反（奇数反射相反） 扩颈二次反射波R2的相位与D相同（偶数反射相同） 扩颈桩能得到桩实际底部反射信号，但比完整桩底部反射明显较弱。扩颈桩反射特征4.2.2 低应变反射法 缩颈的多次反射用振速反射系数判断缩颈部位多次反射的相位 。 多次反射波R1， R2， R3的波幅按指数规律衰减 ；反射的时间间隔基本相同。 反射特性、反射次数相关性与断桩类似 缩颈桩能得到桩实际底部反射信号，但比完整桩底部反射明显较弱。缩颈桩反射特征4.2.2 低应变反射法 其他反射类型 扩底桩的反射 嵌岩桩的桩底反射

36、 桩头附近缺陷的反射 注意事项 激振波长选取：波长越长，对缺陷的分辨力越低，有必要提高激振频率。 速度与加速度信号选取：结合使用缺陷反射桩底反射桩底反射缺陷反射测试的加速度信号。可以看出桩底反射比较明显。缺陷反射明显。 测试的加速度信号。可以看出桩底反射比较明显。缺陷反射明显。 4.2.3 声波透射法 声波透射法(跨孔声波、跨孔超声波) 通过预埋在桩身的声测管，用声测换能器的发射和接收，测出被测混凝土介质的声学参数，分析声测管之间混凝土的缺陷位置及影响程度来判定桩身完整性类别。 利用声波的透射原理检测概念及检测面积4.2.3 声波透射法 声学参数 声速：变化规律性较强，一定程度上反映桩身混凝土

37、的均匀性 声速异常临界值vc 去掉并记录样本中的最小数据，计算剩余数据的平均值、标准差；由教材表4-3中查得对应值，由式计算v0将样本中最小值与之比较，若最小值仍小于v0，继续去掉并记录该值； 重复计算和比较，直至不存在异常值，v0=vc 。 桩身混凝土的均匀性：采用离差系数 sx：n个测点的声速标准差 vm ：n个测点的声速平均值 桩身混凝土质量普遍较差出现时的情况：vm 偏低sx 很小4.2.3 声波透射法 波幅临界值 波幅临界值判据式为： 选择当信号首波幅值衰减量为其平均值的一半时的波幅分贝数为临界值，应注意：因波幅的衰减受桩材不均匀性、声波传播路径和点源距离的影响，考虑声测管间距较大时

38、波幅分散性而适当调整。因波幅的分贝数受仪器 、传感器灵敏度及发射能量影响，考虑以波幅临界值作为判据。波幅差异较大时，应与声速变化及主频变化结合分析。波幅平均值dB检测剖面点数4.2.3 声波透射法 辅助异常点 PSD判据式为： PSD判据对缺陷十分敏感，且基本不受声测管不平行或混凝土强度不均匀等因素影响。这是由于非缺陷所引起的声时变化都是渐变过程，虽然总的声时变化量可能很大，但相邻测点间的声时差却很小，因而S值变化很小。测点位置/序号第i-1至i测点之间的斜率相邻两测点的传播时间值相邻两测点的深度i点的PSD判据值4.2.3 声波透射法 可结合钻芯法将其结果进行对比，从而得出更符合实际情况的分

39、类。 结合实测时程曲线的畸变及振幅、PSD值的变化，综合判定与分类。 可结合施工工艺和施工记录等有关资料具体分析。 对声测管连线以外部分的缺陷，往往无法检测，有必要增加声测管数目。桩身完整性判定注意事项低应变法声波透射法采用波的反射和衰减特性采用声波的透射原理适用于预制桩对断桩非常敏感可测试缩颈、扩颈等现象一般不适用有可能测漏一般不适用VS4.2.4 低应变法与声波透射法的比较适用于声波管堵塞或复测及在役基桩不适用在役基桩检测成本低成本高4.3 立柱的长度检测 检测方法及原理 现场检测流程0203 提高测试精度的方法 测试案例01044.3.1 检测方法及原理 背景及意义 公路护栏立柱起到固定

40、波纹板并起阻挡汽车冲出路堤的作用，其长度直接关系到阻挡力的大小和防护作用。但是，由于施工单位偷工减料等原因，设置的护栏立柱长度不达标的现象十分普遍，从而带来很大的安全隐患。而且，在山区土石路基上，立柱由于打入困难，长度不足的现象则更加多见。设计为1.97m的立柱，实际长度仅为1.19m4.3.1检测方法及原理 立柱长度检测的基本原理与基桩的低应变检测相同，均采用弹性波的反射特性，在柱头截面上发出一个脉冲信号，该脉冲信号在立柱的底部端面发生反射，通过对发射信号及反射信号的抽出，根据标定所得的弹性波波速，即可推算立柱的长度。 检测方法及原理 已颁布规程1 中华人民共和国国家标准：钢质护栏立柱埋深冲

41、击弹性波检测仪（GB/T 24967-2010 ）S. 中国国家标准化管理委员会，2010.12.01实施. 比表面积大，能量衰减快 内部空腔，易产生共鸣 残留激振信号的影响反射信号反射信号4.3.1检测方法及原理 因此，在立柱埋深检测中，如何识别柱底反射是非常重要的课题。为此，开发了专门的检测技术（EDMA技术）和设备。 测试难点：中空薄壁结构4.3.1检测方法及原理 与基桩低应变检测法比较的主要特点传感器采用2个传感器均固定在立柱侧壁采用特制的激振装置以抑制柱内共鸣和减少激振信号的持续时间在分析中需要利用相关信号分析手段提取底部反射信号在分析中需要时域方法和频域方法相结合立柱长度检测概念图

42、4.3.1检测方法及原理 EDMA技术基本原理时域分析法频域分析法 发射信号及反射信号4.3.2 现场检测流程 检测前准备工作检测设备常用护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪 EDMA-I已安装立帽，需摘下立帽，将立柱激振面打磨平滑 传感器及自动激振装置安装选择合适的测线用磁性卡座安装传感器激振装置：激发弹性波信号，抑制内部空腔共鸣和激振后的残留振动。由自动激振控制器和激振器组成。激振控制器激振器4.3.2 现场检测流程 激振信号的选取尽可能选取激发持续时间短、脉冲性能好的弹性波信号。序号内容要点描述1信噪比判断依据：测试波形的电压要求为零点标定电压10倍以上。若测试信号能量小，外界噪声较大，使信噪比

43、降低，影响信号品质。可能原因：激振头中心轴与立柱中心没有对正；或冲程太小导致冲击力度减小。2时间预留区在信号处理时，需关注冲击起始信号的信息。要求激振信号波形前有一定比例的时间预留区内无杂波信号。3抑制自由振动冲击起始波形和反射波形之间段内残留信号被抑制或消减。从波形上看，之间向上的信号幅度不能太大。可采用上下微调自动激振装置的冲程来控制。4立柱底部反射信号根据反射特性，立柱底部的反射信号与冲击波形同相（反射信号越强，信号品质越高）5包络线一般立柱埋设越深，信号衰减越大；空管，几乎不衰减。当然，衰减与柱的埋置方式的基础有关。测试信号判断依据4.3.3 提高测试精度的方法随机误差过失误差系统误差

44、 对每根立柱，在两个或两个以上位置（测点）进行测试，并取其平均， 可以有效降低系统误差。 根据误差理论，对于随机误差，增加测试次数并对测试结果取平均，可以有效削减随机误差。 采用概率论与数理统计方法对数据进行分析和处理，对异常数据可以自动筛除。 加强对现场测试人员进行专业的培训，进一步提高测试的自动化程度。4.3.4 测试案例打入或埋入土中的立柱反射信号打入较坚硬岩体或混凝土立柱反射信号4.4 锚杆检测 锚杆长度检测0102 锚杆灌浆密实度检测4.4.1 锚杆长度检测 背景及意义 锚杆是边坡、隧道等岩土、地下工程支护最常用的支护方式之一，也是典型的隐蔽工程。锚杆工程中常出现的问题有长度不足和灌

45、浆不密实等，均可通过无损检测的方法加以检查。4.4.1锚杆长度检测 检测方法及原理 锚杆长度检测设备的主要组成与基桩低应变检测设备、立柱长度检测设备基本一致。 但是，由于锚杆的长细比很大（长可达15m以上，而直径一般不超过0.025m），激发的弹性波信号的衰减也非常显著。另一方面，锚杆的实际长度的范围很宽，可从0.3m到15m。因此，选用合适的激振方式对保证测试精度起关键作用。4.4.1锚杆长度检测 检测方法及原理锚杆长度=波速*反射时间/2激振信号杆底反射信号 4.4.1锚杆长度检测 检测方法及原理 根据实践经验和理论分析，可以得到：较大的锤适合于较长的锚杆，较小的锤则相反锥形激振体适合于较

46、长的锚杆，但对短锚杆的测试结果容易比实际偏长自动激振装置（包括电磁式、超磁式）的激振力度稳定，重复性好。但其适用的锚杆长度也有范围限制，超出该范围的反而测试结果偏差较大。锚杆检测概念图空置锚杆信号衰减小，测试容易4.4.1锚杆长度检测空置锚杆、打入土体锚杆验证现场锚杆信号衰减大、噪声多、测试困难4.4.1锚杆长度检测 现场岩锚杆验证4.4.1 基桩检测现状 已颁布行业规程1 中华人民共和国行业标准：锚杆锚固质量无损检测技术规程（JGJ/T182-2009）S.中华人民共和国住房和城乡建设部，2009.11.09 发布，2010.07.01 实施.2 中华人民共和国电力行业标准：水利水电工程锚杆

47、无损检测规程（DL/T5424-2009）S. 中华人民共和国国家能源局，2009.07.22 发布，2009.12.01 实施.4.4.2锚杆灌浆密实度检测 检测方法及原理 由于锚杆灌浆密实度的检测设备与检测工作与长度检测完全相同，因此长度和灌浆密实度的检测可以一并进行。 锚杆灌浆密实度检测是基于波的反射（包括反射能量衰减）特性和振动衰减特性对锚杆的灌浆质量进行检测和评估的一种无损检测方法。4.4.2锚杆灌浆密实度检测 基于波的反射特性 根据杆底反射信号的强弱，可以判断锚杆灌浆质量的好坏。在锚杆长度相同的条件下，杆底反射信号越弱，表明灌浆密实度越好。 此外，如果能够辨别缺陷处的反射信号，据此

48、也可以推断灌浆缺陷。4.4.2锚杆灌浆密实度检测 基于振动的衰减特性 在锚杆顶端激振后，会在锚杆上诱发振动。 灌浆质量越好，激振信号收敛也就越快。锚杆灌浆质量无损检测示意图锚杆灌浆不密实示意图4.4.2锚杆灌浆密实度检测 灌浆密实度波形特征判断 级围岩中灌浆较好锚杆测试波形级围岩中灌浆缺陷锚杆测试波形4.4.2锚杆灌浆密实度检测 锚杆灌浆后测试波形图根据现场验证，可以得到以下结论：当锚杆存在灌浆缺陷时，将出现明显反射，但杆系底部的反射依然存在，当缺陷较深时，测试波形仍然呈现良好的收敛性。当锚杆灌浆质量较好时，杆系底部的反射之前没有额外的明显反射，测试波形振动持续时间持续较短，波形具有良好的收敛

49、性。4.4.2锚杆灌浆密实度检测 现场验证结论4.5 锚索检测 检测方法及原理014.5 锚索检测 检测方法及原理 锚索与锚杆一样，是边坡、隧道等岩土、地下工程支护常用的支护方式之一。与锚杆不同的是，锚索由钢丝（钢绞线）拧成。其长度也远较锚杆长，可达100m以上。 对于锚索而言，其质量问题也是在长度和灌浆密实度方面。其测试原理与锚杆完全相同，但由于锚索的长度更长、比表面积更大，因此对索底反射信号的识别也更加困难。 4. 5 锚索检测 检测方法及原理 从目前技术水平和实践经验来看，若采用能够激发长波长、高能量的信号，并辅以相应的信号分析手段，对锚索长度的检测还是完全可能的。其中，计算波速在绝大多

50、数条件下可取钢绞线的理论值（5.01km/s）。但是，锚索的灌浆密实度检测的误差较大，可信性较低。 38m锚索的解析图形22m锚索的解析图形第五章 混凝土材料及结构混凝土抗压强度检测混凝土结构厚度检测混凝土缺陷检测混凝土裂缝深度检测混凝土的变形特性钢筋布置及锈蚀检测5.1 混凝土抗压强度检测 回弹法 超声波法 超声回弹综合法01020304 冲击弹性波法05 各方法比较5.1.1 回弹法 回弹仪分类标准：回弹冲击能量大小 小型：用于非混凝土材料 中型：混凝土抗压强度C50 大型：混凝土抗压强度C60 指针直读的直射锤击式仪器应用最广5.1.1 回弹法 工作原理 对回弹仪施压，弹击杆向机壳内推进

51、，弹击拉簧被拉伸，使联结弹击拉簧的弹击锤获得恒定的冲击能量E。当仪器水平状态工作时，其冲击能量E为：式中，K为弹击拉簧的刚度785.0 N/m； L为弹击拉簧工作时拉伸长度0.075m。回弹值示意图式中，R为回弹值； L 为弹击锤向后弹回的距离； L为冲击前弹击锤距弹击杆的距离。5.1.1 回弹法 回弹值的测定 至少取10个测区 回弹仪始终与测试面相垂直，并不得在气孔和石子上弹击。 测区的两个测面用回弹仪各弹击8点；只有一个测面，需测16点。 同一测点只允许弹击1次，测点均匀分布，回弹值读数精确至1。 碳化深度修正：取检测值的平均值作为测区的碳化深度，精确至0.5mm。规程：住房和城乡建设部，

52、回弹法检测混凝土抗压强度技术规程(JGJ/T 23-2011)技术手册：文恒武，回弹法检测混凝土抗压强度应用技术手册，中国建筑工业出版社，20115.1.1 回弹法 测试数据处理（修正） 水平测试 冲击方向修正 为回弹仪与水平方向呈 时，测区的平均回弹值，计算精确至0.1； 为据相关规程或仪器附表中查出的不同测试角度 的回弹值修正值。 冲击面修正 ， 分别为水平方向检测混凝土浇筑顶面或底面时测区的平均回弹值； ， 为按教材表5-2查出的不同浇筑面的回弹值修正值，计算精确至0.1。5.1.1 回弹法 混凝土抗压强度的推定 测强曲线：用混凝土试块的抗压强度与无损检测的参数（超声声速值、回弹值等）之

53、间建立的关系曲线。 一般情况下，推定混凝土强度的回弹值应是水平方向测试的回弹值 推定混凝土强度时，优先采用专用混凝土强度公式。 无专用混凝土强度公式时，根据回弹仪型号按公式推定混凝土强度 （MPa）5.1.1 回弹法 混凝土抗压强度推定 中型回弹仪 重型回弹仪当混凝土结构或构件碳化至一定深度时，结合碳化深度修正值C推定混凝土强度。测区强度（MPa）碳化深度（mm）1.02.03.04.05.06.010.019.50.950.900.850.800.750.7020.029.50.940.880.820.750.730.6530.039.50.930.860.800.730.680.6040.

54、050.00.920.840.780.710.650.5850.060.00.920.820.760.710.650.58碳化深度修正值5.1.1 回弹法 回弹法的特点 回弹法使用方便，仪器价格低廉并积累了大量经验，但影响因素众多，无法检测混凝土内部强度。 基本只适用于普通混凝土，对于高强混凝土、缓凝混凝土需要进一步研究。 影响因素包括：仪器本身，原材料，成型方法，养护方法及湿度，碳化及龄期等，分析影响因素的作用及影响程度，有利于正确制订及选择测强曲线，提高测试精度。5.1.2 超声波法 技术原理 检测原理：根据超声波传播速度与混凝土抗压强度之间的相关关系。 适用范围：适用于抗压强度在45MP

55、a以下且在超声传播方向上钢筋布置不紧密的混凝土检测。 超声测强以混凝土立方试块28d龄期抗压强度为基准。而原材料品种规格、配合比、施工工艺等影响着超声检测参数，所以采用预先校正的方法建立超声测强的经验公式。这类公式一般可以用幂函数或指数函数表达。5.1.2 超声波法 技术原理 声时测量采用对测法，在一个相对测试面上测三点，发射和接收换能器应在一条直线上。 声速值计算： 测区声速代表值修正：声时测量测点布置示意5.1.2 超声波法 超声波法的特点 优点一：对材料、结构无损伤，可重复检测，并能测试混凝土的内部性能； 优点二：能够检测混凝土质地的均匀性、混凝土的内部缺陷，有利于测强和测缺的结合。 缺

56、点：由于超声波波长、骨料、钢筋等对测试波速的影响较大，难以建立统一的测强曲线，从而限制其应用。 超声波法的影响因素测 距钢 筋换能器频率测试面位置5.1.3 超声回弹综合法 概念 即采用低频超声波检测仪和标准动能为2.207J的回弹仪，在结构或构件混凝土同一测区分别测量超声声速值（ ）及回弹值（ ），然后利用已建立的测强公式，推算该测区混凝土强度值（ ）的一种方法。 超声回弹综合法测强曲线 以混凝土试块的抗压强度 ，超声声速 ，回弹值 ，选择相应的数学模型来拟合他们之间的相关关系。5.1.3 超声回弹综合法 统一测强曲线（全国曲线） 以全国一般常用的有代表性的混凝土原材料、成型养护工艺和龄期为

57、基本条件。 适应于无地区测强曲线和无专用测强曲线的地区，该曲线对全国大多数地区来说，具有一定的适应性，因此使用范围广，但精度不是很高。：第i 测区混凝土抗压强度换算值（MPa）；：第I 测区混凝土声速代表值（km/s）；：第i测区混凝土回弹代表值。 粗骨料为卵石时， 粗骨料为碎石时，5.1.3 超声回弹综合法 地区（部门）测强曲线 采用本地区或本部门常用的具有代表性的混凝土原材料、成型养护工艺和龄期为基本条件，在本地区或本部门制作一定数量的试块，进行非破损测试后，再进行破损试验建立的测强曲线。 这类曲线适应于无专用测强曲线的工程测试，对本地区或本部门来说，其现场适应性和强度测试精度均优于统一测

58、强曲线。 这种曲线是针对我国地区辽阔和各地材料差别较大的特点而建立起来的。5.1.3 超声回弹综合法 专用（率定）测强曲线 以某一工程为对象，采用与被测工程相同的混凝土原材料、成型养护工艺和龄期，制作一定数量的试块，进行非破损测试后，再进行破损试验建立的测强曲线。 制定的这类曲线因针对性较强，故专用（率定）测强曲线精度较地区（部门）曲线高。 在一些现行的检测规程中明确指出，对有条件的地区和部门，应制定本地区的测强曲线或专用测强曲线。 各检测单位应按专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的次序选用测强曲线。5.1.3 超声回弹综合法 地区、专用测强曲线的建立 测试仪器采用中型回弹仪、低频超声仪

59、（换能器频率在50100KHz），并应符合有关标准对仪器的技术要求。 按相关标准，对使用的混凝土原材料的种类、规格、产地及质量情况进行全面调查。 选用本地区（本工程）常用混凝土强度等级、施工工艺、养护条件及最佳配合比，采用压力机进行抗压强度试验。 按规格和相关要求进行混凝土试块制作和养护。 回归分析： 误差计算： 误差范围：专用测强曲线：地区测强曲线：5.1.4 冲击弹性波法 技术原理 检测原理同超声波法相同，即根据弹性波传播速度与混凝土抗压强度之间的相关关系建立测强曲线，通过测强曲线推定抗压强度。检测示意图5.1.4 冲击弹性波法 超声波法的局限测试混凝土材料的速度值与理论值不符，偏高20-

60、60% 测试强度依靠回归； 无法测试弹性模量； 不同仪器测试结果不同；无法进行频谱分析能量低，测试范围窄受骨料、钢筋影响大 冲击弹性波法的优越性波长一般均大于骨料的直径，受骨料散射的影响小，测试波速较为稳定；同时，测强曲线的差异也较小；频谱响应特性好，可利用频域分析反射信号，从而提高分析精度；通过改变激振锤的大小，很容易改变激发信号的频率；冲击弹性波能量大，使得其测试距离可达100米以上；波长较长，受钢筋的影响小并容易修正。VS5.1.4 冲击弹性波法 测试对象试件构件单面测试条件：厚度已知（如梁、板、柱） 单面测试条件：厚度未知（如隧道衬砌） 单面测试条件：厚度很大（如大坝、挡土墙） 双面测