T超声波桩基检测讲稿

超声波法基桩检测的常用方法之一公路工程基桩检测的规定：

（JTJ/TF81-01-2004）

1、公路工程基桩应进行100％的完整性检测，各种方法的选定应具有代表性和满足工程检测的特定要求；

2、重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测的桩数不应少于50％；

3、高应变动测法的抽检率可由工程设计或监理单位酌情决定，但不宜少于相近条件下总桩数的5％且不少于５根。

超声波法：

是在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和折射，因而达到接收换能器时，根据声时、波幅及主频等特征参数的变化来判别桩身的完整性。鉴于目前公路桥梁工程大量使用大直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用在基桩的检测中。分四个部分讲解：声学理论检测技术测试方法工程实例第一部分声学理论声学基础声波在介质中的传播速度声波在介质界面上的反射与透射声波在传播过程中的衰减混凝土中的声波特性一、声学基础

1、波动波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，例如；水波、声波、超声波等；另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。声波:是弹性介质的机械波。人们所能听到声波频率范围是20～20KHz，即可闻声波。当声波频率超过20～20KHz时，人耳就听不到了，这种声波就叫超声波，其频率范围是20K～100MHz；当频率低于20Hz的叫

次声波，人耳也听不到。各种声波的频率范围见下表。各种声波的频率范围（Hz）

次声波可闻声波超声波特超声波0～2020～20K20K～100M＞100M

在混凝土中超声检测使用的频率一般在20KHz～200KHz范围内。2、谐振动物体在一定位置附近作来回重复运动称为振动，例如摆的运动、汽缸中活塞的运动、弹簧振子的运动等，这些是可以直接看到的振动。又例如一切发声体的运动、在高频电压激励下压电晶体的运动，这些是不易或不能直接看到的振动。

相互间由弹性力联系着的质点所组成的物质，称为弹性介质。需要进行超声检验的大量固体构件都是弹性介质。弹性介质是由相互间用小弹簧联系着的质点所组成。如图1-1所示。若这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则会产生使它恢复到平衡位置的力，这就是弹性力。图1-1弹性介质模型图1-2弹簧振子的振动

1-质点：2-小弹簧

进一步步来说说明谐谐振动动可以用用弹簧簧振子子来说说明谐谐振动动。如如图1-2所示，，弹簧簧左端端固定定，右右端系系一物物体。。为使使讨论论较为为简单单，设设弹簧簧振子子穿在在光滑滑的水水平玻玻璃棒棒上，，以避避免重重力对对运动动的影影响。。设物物体在在位置置0时，弹弹簧作作用在在物体体上的的力是是零。。这个个位置置就是是物体体的平衡位位置，若把把物体体向右右移动动到位位置B，这时弹弹簧被被拉长长，相相应地地有指指向左

取平衡位位置0为X轴的原点点，并设设X轴的正向向向右根据胡克定律律，物体所所受的弹弹性力F与物体位位移x（即弹簧的的变形量量）的关关系为：：F=-kx(1.1)式中：k——弹簧的弹弹性系数数；-——力和位移移的方向向相反。。设物体的的质量为m根据牛顿第二二定律（）），它的速度度为：(1.2)因为k和质量m都是常数，所所以它们的比比值可以用一一恒量F表示,即：(1.3)式中：ω——角频率或或圆频率率。代入上式式，得：：a=-ωω2x(1.4)从上式看看出，上上述振动动的特征征是：物体的加加速度和和位移成成正比且且方向相相反，这这种振动动称为谐谐振动。。物体在弹弹性力作作用下发发生的运运动是谐谐振动。。谐振动动是最简简单最基基本的振振动。任任何复杂杂振动都都是由许多不同同频率的的谐振动动所合成的的。因为=,又得：+ω2x=0(1.5)根据微分分方程理理论，上上式的解解为：x=Acos(ωt+)(1.6)式中A,——两个恒量量；A——振幅，它它是质点点离开平平衡位置置的最大大位移；t+——振动的相相位。这是谐振振动中位位移x和时间t的关系式式，称为为谐振动动的运动动方程式式，简称称谐振动方方程式。3、波的产产生与传传播在弹性介介质中，，任何一一个质点点机械振振动时，，因为这这个质点点与其邻邻近的质质点间有有相互作作用的弹弹性力联联系着，，所以它它的振动动将传递递给与之之相邻近近的质点点，使邻邻近的质质点也同同样地发发生振动动，然后后振动又又传给下下一个质质点，依依次类推推。这样样，振动动就由近近及远向向各个方方向以一一定速度度传播出出去，从从而形成成了机械械波。从从上述可可知，机械波的的产生，，首先要要有做机机械振动动的波（（声）源源，其次次要有传传播这种种机械振振动的介介质。例如，把把石子投投入平静静的水中中，在水水面上可可以看到一圈圈圈向外扩扩展的水水波。再举二个个实例弹性横波波：手握绳子子一端上上下振动动，可以以看到如如图1-3的波向前前传播的的过程，，这就是是弹性横横波波。弹性纵波波：用手迅速速而有节节奏地推推拉弹簧簧的一端端，可可以看到到如图1-4弹簧上有有部分密密集，部部分分稀疏，，部份疏疏密相间间，且这这种疏密密相间的的状状态沿着着弹簧向向前传播播，这就就是弹性性纵波波。图3.1-3绳子上的的横波图图3.1-4弹簧上的的纵波4、波的种种类波的种类类是根据据介质质质点的振振动方向向和波的的传播方方向的关关系来区区分的。。它主要要分为纵波、横横波、表表面波等。(1)纵波：介质质点点的振动动方向与与波的传传播方向向一致，，这种波波称为纵波，例如空空气、水水中传播播的声波波就是纵纵波，如如图1-5所示。纵纵波又常常称“P”波。纵波的传传播是依依靠介质质时疏时时密（即即时而拉拉伸，时时而压缩缩）使介介质的容积发生生变形引引起压强强的变化化而传播的的，因此此和介质质的容变弹性性有关。任任何弹性性介质（（固体、、液体、、气体））在容积积变化时时都能产产生弹性性力，所所以纵波波可以在任何固固体、液液体、气气体中传传播。图1-5纵波(2)横波：介质质点点的振动动方向与与波的传传播方向向垂直，，这种种波波称为横波，例如绷绷紧的绳绳子上传传播的波波就是横横波，如如图1-6所示。横横波又常常称“S”波。横横波波的传播播是使介质产生生剪切变变形时引引起的剪剪切应力力变化而传播的的，因此此和介质质的切变弹性性有关。由由于液体体、气体体无一定定形状，，当它们们的形状状发生变变化时，，不产生生切变应力力，所以液液体、气气体不能能传播横横波，只只有固体才能传播播横波。。在气体体、液体体中只有有纵波存存在。图1-6横波（3）表面波波：固体介质质表面受受到交替替变化的的表面张张力，使使介质表表面的质质点发生生相应的的纵向振振动和横横向振动动，结果果使质点作这这两种振振动的合合成振动动，即绕其平衡衡位置作作椭圆振振动。椭圆振振动又作作用于相相邻的质质点而在在介质表表面传播播，这种种波称表面波，常以“R”表示。图1-7为表面波波传播示示意图。。图中示示出了瞬瞬时的质质点位移移状态。。右侧的的椭圆表表示质点点振动的的轨迹。。由图可可知，质质点只在xy平面内作作椭圆振振动而波波在体表表面（xz平面）沿沿x方向传播播。振动动的长轴轴垂直于于波的传传播方向向，短轴轴平行于于波的传传播方向向。表面面波传播播时，质质点振动动的振幅幅随深度度的增加加而迅速速减小。。当深度度等于2倍的波长长时，振振幅已经经很小了了，因此此，表面面波多用用于探测测构件表面面的情况。。图1-7表面波表面波只只能在固体中传播。。5、波的形形式波的形式式是根据据波阵面面的形状状来划分分的。如如图1-8所示，声声源在无无限大且且各向同同性的介介质中振振动时，，振动向向各方面面传播。。传播的的方向称称为波线；在某一一时刻振振动所传传到各点点的轨迹迹称为波前；介质中中振动相相应相同同的所有有质点的的轨迹称称为波阵面。在任一一确定的的时刻，，波前的的位置总总是确定定的，只只有一个个波前，，而波阵阵面的数数目则是是任意多多的。图1-8波线、波波前、波波阵面（a）平面波；（b）球面波；（c）柱面波1-波线；2-波前；3-波阵面按波阵面面的形状状可以把把波分成成平面波、、球面波波和柱面面波。（1）平面波：：波阵面为为平面的的波称为为平面波波，其振振源是一一个作谐谐振动的的无限大大的平面面。另外外，从无无穷远的的点状声声源（点点源）传传来的波波，其波波阵面可可视为平平面，也也可称为为平面波波。（2）球面波：：波振面为为球面的的波称为为球面波波，其振振源是一一个点状状声源。。（3）柱面波：：波阵面为为同轴圆圆柱面的的波称为为柱面波波，其振振源是一一无限长长的直柱柱形。6、波动方程用数学方程式式来描述一个个前进中的波波动，即描述述介质中某质点点相对于平衡衡位置的位移移随时间的变变化，该数学学方程式为波波动方程。由于谐振动是是最简单的振振动，所以由由它产生的余余弦波是最简简单、最基本本的波。因此此，先讨论余余弦振动在均均匀介质中传传播过程所形形成的余弦波波动方方程。如1-9所示，设一平平面余弦波在在无吸收的无无限均匀介质质中沿x轴的正向传播播，波速为υ0、设0为波线上任意意一点，并取取其为坐标原原点y轴为振动位移移，若0点处质点作谐谐振动，从（（1.6）式可知，其其振动方程为为：(1.7)式中：A—振幅；—角频率；y0—质点在时间t时离开平衡位位置的位移。。图1-9波动方程推导导若是横波，则则位移方向与X轴垂直；如是是纵波，则位位移方向沿着着X轴。设B为波线上另一一任意点，离离开原0的距离为x。因为振动从0点传播到B点需要的时间间为x/ν，所以B点处质点在时时间t的位置等于0点处质点在时时间(t-x／ν)的位移，即（1.8）(1．8)式表示，在波波线上任意一一点（距原点点距离为x）处的质点在任任一瞬时的位位移，即沿x轴方向前进的的平面余弦的的波动方程。。波在一个周期期T内（或者说质质点完成一次次振动）所传传播的路程为为波长，用表示。根据周期和波波速的定义，，三者关系为为：=νT(1.9)因为周期T与频率f互为倒数，所所以(4.1.9)式也可写为：：(1.10)这是波速、波波长、频率间间的基本关系系。不同类型的波波在传播过程程中速度各不不相同，且其其声速还取决决于固体介质质的性质（密密度、弹性模模量、泊松比比），所以声声速是表征介介质声学特性性的一个参数数。另外，声声通的大小还还与固体介质质的边界条件件有关。二、声波在介介质中的传播播速度1、纵波声速在无限大固体体介质中传播播的纵波声速速：(1.11)式中：E——杨氏弹性模量量；γ——泊松比；ρ——密度。在有限固体介介质中传播时时，则形成制制导波，其速速度变小。2、横波声速在无限大固体体介质中传播播的横波声速速：(1.12)式中：G——切变弹性模量量。3、材料的弹性性参数与声速速值下表列出了部部分材料的弹性参数与声速值。部分材料的弹弹性参数、声声速和特性阻阻抗表3.1-2通过对固体介介质声速的讨讨论可以看出出：通过对固体介介质声速的讨讨论可以看出出：（1）介质的弹性性性能愈强即E或G愈大，密度ρ愈小，则声速愈愈高。（2）把（1.11）、（1.12）两式相除，，得到纵、横横波速度之比：：(1.13)对于一般固体体介质λ大约在0.33左右，故νp／νs≈2。混凝土的泊松松比介于0.20、0.30之间，因此νp／νs介于1.63～1.87之间，即在混凝土中，，纵波速度为横波速度度的1.63～1.87倍。声波在无限大大介质中传播播只是在理论论上成立。实实际上任何介介质总有一个个边界。当声声波在传播中中从一种介质质到达另一种种介质时，在在两种介质的的分界面上，，一部分声波波被反射，仍仍然回到原来来介质中，称称为反射波；另一部分声声波则透过界界面进入另一一种介质中继继续传播，称称为折射波（透射波）。。声波透过界界面时，其方方向、强度、、波型均产生生变化。这种种变化取决于于两种介质的的特性阻抗和入射波的方向向。现分垂直入射和倾斜入射两种情况来讨讨论。三、声波在介介质界面的反反射与透射1、垂直入射（1）单一的平面面界面当平面波垂直直入射到一个个光滑平面界界面时，将产产生一个与入射波方向向相反的反射射波和一个与入射波方向向相同的透射射波（图1-10）。这是波入入射到界面上上时最简单的的情况。先讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。。在界面上，用用反射波声压pr与入射波声压p0的比值表示声压反射率R，即：(1.14)用透射波声压Pd与入射波声压p0的比值表示声声压透射率D即：(1.15)界面两侧两种种介质的特性性阻抗分别为Z1和Z2。（2）异质薄层层的反射射与透射射当声波在在一种介介质中传传播时，，有时会会遇到第第二层介介质的薄薄层，如如混凝土土裂缝就就是这种种情况。。这种情情况下将将产生多多次反射射与透射射，情况况要更复复杂一些些。2、倾斜入入射当声波在在一种介介质中倾倾斜入射射到另一一介质界界面时，，将产生生方向、角度及波形的变化。。和光的的传播类类似，声声波在界界面上方方向和角角度的变变化服从从反射定律律和折射定律律，如图1-11。反射定律律：入射角（i）的正弦与与反射角角（β）的正弦之之比等于于入射波波与反射射波速度度之比。。由于于入射波波与反射射波在同同一介质质中，其其速度相相等，所所以入射射角等于于反射角角（i=β）。折射定律律：入射角（（i）的正弦与与折射角角（θ）的正弦之之比等于于入射波波与折射射波速度度之比，，即：(1.16）图1-11流体界面面上声波波的反射射与折射射图1-12固体界面面上声波波的反射射与折射射以上情况况可以在在流体（（气体、、液体））的分界界面看到到。在这这种情况况下，介介质中只只有单一一的波-纵波出现现。在固体介介质分界界面的情情况则复复杂一些些。当一一种波（（例如纵纵波）入入射到固固体分界界面时，，不仅波波方向发发生变化化且波型型也发生生变化，，分离为为反射纵波波、反射射横波，，折射纵纵波和折射横波波。各类波的的传播方方向（即即反射角与折射角）各不相相同，如如图1-12所示。各种类型型波的传传播方向向的变化化亦符合合几何光光学中的的反射定律律和折射定律律。其数学学表达式式如下：：(1.17)ν1p,ν2p——纵波在第第一、二二介质中中的传播播速度；；ip,βp，θp——纵波入射射角、反反射角、、折射角角；βS，θS——横波反射射角、折折射角。增大入射射波的入射角，则折射射波的折射角亦随之增增大。如如果入射射波是纵纵波，且ν1p<ν2p则由（1.15）式可知知，θp>ip,即折射角角大于入入射角。当ip增大，θp也增大，，当θp＝90°时，此时时的入射射角叫第一临界界角，用符号号i1；表示。显显然，当当入射角角大于第第一临界界角时，，第二种种介质中中只有折折射横波波存在，，如图1-13。这是一一种获得得横波的的方法。。第一临界界角(1.18)当θ=90°°时，此时时的入射射角叫第二临界角，用符号号i2表示，如如图1-14。第二临界界角(1.19)图1-13第第一临界界角图1-14第第二临临界角声波在介介质中传传播过程程中其振幅将随传播播距离的增大而而逐渐减减小的现现象为衰减。声波衰衰减的大大小及其其变化不不仅取决决于所使使用的超声频率率及传播播距离，也取决决于被检检测材料料的内部结构构及性能。因此研研究声波波在介质质中的衰衰减情况况将有助助于探测测介质的的内部结结构及性性能。四、声波波在传播播过程中中的衰减减固体材料料中声波衰减减主要有以以下几个个方面的的原因：：（1）吸收衰减减：声波在固固体介质质中传播播时，由于介质质的粘滞滞性而造造成质点点之间的的内摩擦，从而使一部部分声能转变为热热能。（2）散射衰减：：当介质中存在在颗粒状结构（如固体介质质中的颗粒、、缺陷、掺杂杂物等）而导导致声波能量量的衰减。如如在混凝土中中一方面其中中的粗骨料构构成许多声学学界面，使声声波在这些界界面上产生多多次反射、折折射和波型转转换；另一方方面微小颗粒粒在超声波的的作用下产生生新的震源，，向四周发射射声波，使声声波能量的扩扩散到达最大大。（3）扩散衰减：：声波发射器发发出的超声波波束都有一定定的扩散角。波束的扩散散，导致能量量的逐渐分散散，从而使单单位面积的能能量随传播距距离的增加而而减弱。致密、强度高高的混凝土声衰衰减系数小，，相对接收波波幅大；强度低或存在缺陷混凝土衰减系系数大，相对对接收波幅小小。当混凝土土质量差或存在缺陷时接收到的声声信号中高频频已损失，频率变低。。五、混凝土中中的声波特性性声学原理中所所讨论的声波波指的都是连连续的余弦波，而实际上超超声仪发射换换能器所发射射的超声波却却是脉冲超声波。脉冲超声波有以下特点：：（1）重复间断发发射。发射换能器发发出的超声波波不是连续不不断的，而是是以一定重复复频率（100Hz或50Hz）间断地发射出出一组组超声声脉冲波，如如图1-15所示。这就是是所谓超声脉冲波。虽虽然脉冲波波与连续波不不一样，但是是前面所推导导的单一界面面的反射率和和透射率公式式仍然能适用用。至于异质质薄层的反射射率和透射率率的公式只有有在异质薄层层相对于脉冲冲宽度很窄时时（例如裂缝缝），脉冲波波相当于连续续波时，该式式才适用。（2）脉冲超声波波不具有单一一频率而是所所谓复频波。。也就是说，这这一组超声波波由许多不同同频率的余弦弦波组成。当当然，它也有有其固有的主主频率，这就就是换能器上上的标称频率。这种复频超声波在有频散现象象的介质中传传播时，各种种频率成分的的波将以不同同速度传播，，这就使得脉脉冲波形将随随传播距离的的增大而发生生畸弯，变成如图1-16所示，脉冲开开始部分的频频率比后面部部分要高，后后面愈来愈平平坦变宽。图1-15超声脉冲波图1-16脉冲传播过程程中的畸变由于声波的衰衰减与频率有有关，频率越越高衰减越大大，因此在脉脉冲超声波传传播时由于衰衰减将引起主主频率向低步步侧的漂移，，即所谓频漂。第二部分检检测技术超声波检测混混凝土缺陷的的基本原理超声波检测混混凝土灌注桩桩完整性方法法的适用范围围超声波检测仪仪器与设备采用超声脉冲冲检测混凝土土缺陷的基本本依据是，利利用脉冲波在在技术条件相相同（指混凝凝土的原材料料、配合比、、龄期和测试试距离一致））的混凝土中中传播的时间（或速度）、接收波的的振幅和频率等声学参数的的相对变化来来判定混凝土的缺陷陷。一、超声波法检测测混凝土缺陷陷的基本原理理超声脉冲波在在混凝土中传传播速度的快快慢，与混凝凝土的密实度有直接关系，，对于原材料料、配合比、、龄期及测试试距离一定的的混凝土来说说，声速高则混凝凝土密实，相反则混凝凝土不密实。。当有空洞或裂缝存在时，便破破坏了混凝土土的整体性，，超声脉冲波波只能绕过空洞或裂缝传传播到接收换换能器，因此此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于于空气的声阻阻抗率远小于于混凝土的声声阻抗率，脉脉冲波在混凝凝土中传播时时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在在缺陷界面发发生反射和散射，声能被衰减减，其中频率率较高的成分分衰减更快，，因此接收信信号的波幅明显降低，频率明显减小或频频率谱中高频频成分明显减减少。再者经经过缺陷反射射或绕过缺陷陷传播的脉冲冲波信号与直直达波信号之之间存在声程程和相位差，，叠加后互相相干扰，致使使接收信号的的波形发生畸变。根据上述原理理，可以利用用混凝土声学参数测量量值和相对变化综合分析，判判别其缺陷的的位置和范围，或估算缺陷陷的尺寸。二、超声波检检测混凝土灌灌注桩完整性方法的的适用范围基桩声波透射射法是一种检测混混凝土灌注桩完整性性的有效手段，，它是利用声波的透射原原理对桩身混凝土土介质状况进行检测，因因此仅适用于于在灌注成型型过程中已经经埋了两根或两根以以上声测管的基桩。在桩身预埋一一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一一根声测管中中发射，在另一根声声测管中接收，或单孔中发发射并接收，，可以测出被被测混凝土介介质的声学参数。由于超声波波在混凝土中中遇到缺陷时时会产生绕射、反射和折射，因而到达接接收换能器的的声时、波幅及主频发生改变。超超声波法就是是利用这些声声波特征参数数来判别桩身的完整性性。对跨孔透射法，当桩径较小小时，声测管管间距也较小小，其测试误差相对较大，同同时预埋声测测管可能引起起附加的灌注注桩施工工质质量量问题题。。因因此此，，超超声声波波检检测测方方法法适适用用于于检检测测直径径不不小小于于800mm的混混凝凝土土灌灌注注桩桩的的完完整整性性，，它它包包括括跨孔孔透透射射法法和单孔孔折折射射法法。单单孔孔折折射射波波法法是是根根据据上上部部结结构构对对基基桩桩的的质质量量要要求求，，检检测测钻芯芯孔孔孔孔壁壁周周围围的混混凝凝土土质质量量。。用超超声声波波法法检检测测钻钻孔孔灌灌注注桩桩完完整整性性的的优优点点在在于于结果果准准确确可可靠靠，，不不受受桩桩长长、、桩桩径径限限制制，，无无盲盲区区（声声测测管管范范围围内内都都可可检检测测）），，可测测桩桩顶顶低低强强区区和桩底底沉沉渣渣厚厚度度，，桩桩顶顶不不露露出出地地面面即可可检检测测，，方方便便施施工工，，也也可可粗略略估估测测混混凝凝土土强强度度。。1、超超声声波波仪仪超声波仪仪是混凝凝土灌注注桩缺陷陷检测的的基本装装置。它它的作用用是产生重复复的电脉脉冲并激激励发射射换能器器。发射换换能器发发射的超超声波经经耦合进进入混凝凝土，在在混凝土土中传播播后被接接收换能能器接收收并转换换为电信信号，电电信号送送至超声声仪，经经放大后后显示在在示波屏屏上。自自60年代开始始生产第第一代电电子管超超声仪至至今已发发展为第第四代智智能数字字式超声声仪，见见下表：：三、超声声波检测测仪器与与设备超声波仪仪的发展展概况超声波仪仪的发展展概况表3.2-1超声波仪仪的发展展概况表3.2-1超声检测测系统应应包括三三大部分分：即接收信号号放大器器，数据据采集及及处理存存储器和径向振动动换能器器等。为了了提高现现场检测测及室内内数据处处理的工工作效率率，保证证检测结结果的准准确性和和科学性性，声波波测试仪仪器必须须具有实时显示示波形、、分析功功能及一发双收收等功能能。声波发发射应采采用高压压阶跃脉脉冲或矩矩形脉冲冲，其电电压最大大值不应应小于1000V，且分档可可调。数数字式超超声波仪仪的基本本工作原原理框图图见图2-1所示。图2-1数字式超超声仪的的基本原原理超声波仪仪除了产生、接接收、显显示超声波外外，还必必须量测测超声波波的有关关参数，，如声传播时时间、接接收波振振幅、频频率等。其接接收放大大器与数数据采集集器的主主要技术术指标要要求如下下：(1)仪器接收收放大器器频率响响应范围围（频带带）应有有足够宽度度，一般为为5～200kHz，其下限不不宜降低低，否则则不利于于滤去因因换能器器绝缘性性能降低低而产生生的低频频信号，，造成自自动判读读时丢波波和错判判现象。。增益不不应小于于100dB，放大器的的噪声有有效值不不大于2μs，波幅测量量范围不不小于80dB，测量误差差小于1dB。(2)为满足最最大测距距的要求求，仪器器的计时时显示范范围应大大于2000μs，保证有足足够的扫扫描延迟迟时间及及声时显显示位数数，并应应具有良良好的稳稳定性，，声时显显示调节节在20～30μs范围内，，2小时内声声时显示示的漂移移应不大大于±0.2μs，且不允许许发生间间隔跳动动。(3)仪器应有有较好的的接收灵灵敏度（（即对微微弱信号号的接收收分辨能能力）。。一般要要求接收收灵敏度度≤50μν，该参数取取决于仪仪器的放放大能力力和信噪噪比水平平，提高高灵敏度度可以加加大穿透透距离，，提高对对微弱信信号的识识别能力力。为满满足混凝凝土试件件声速测测量精度度的要求求，测时时最小分分辨度为为0.5μν，计时误差差不大于于2％。(4)采集器模模数转换换精度不不应低于于8bit，采样频率率不应小小于10MHz，最大采样样长度不不应小于于32kB。(5)仪器宜具具有示波波屏显示示波形和和游标测测读功能能，以便便较准确确的测读读声时、、振幅及及频率等等参数。若若采用整整形自动动测读时时，检测测混凝土土测距不不宜超过过lm（以软件判判别方法法自动测测读的智智能超声声仪除外外）。(6)为了提高高现场测测试效率率，仪器器应有自自动测读读、信号号采集、、存储和和处理系系统，适适于一般般现场测测试情况况下的温温度、电电源变化化条件。。常用换能器器按波型不不同分为纵波换能器器与横波换能器器，分别用于于纵波与横横波的测量量。目前，，一般检测测中所用的的多是纵波换能器器。以发射和和接收纵波波为目的的的换能器，，又分为平面换能器器、径向换换能器以及一发多收技技能器，见图2-2。2、径向振动动换能器图2-2换能能器的分类类换能器的种种类需根据据被测结构构物的测试试要求和测测试条件确确定。测桩桩所用的换换能器应是是柱状径向向换能器，，其主频宜宜为25～50kHZ，长度宜为20cm。收、发换能能器的导线线均应有长长度标注，，其标注允允许偏差不应大于10mm。为提高接收收换能器的的灵敏度，，可在换能能器中安装装前置放大器器。前置放大大器的频带带宽度宜为为5～50kHz。由于换能器器在深水中中工作，其其水密性应应满足在1MPa水压下不漏水。。换能器频率率的选择需需综合考虑虑测距、声波波的衰减程程度、测试试精度等。测距越越大，衰减减越大，选选用换能器器的频率越低；混凝土质质量越差，，强度越低低，龄期越越短，对声声波的衰减减越大，使使用频率越低；在满足首波幅度测测读精度的条件下，，宜选用较较高频率换换能器。对对于一般的的正常混凝凝土，换能能器频率选选择可参见见表2-2。表2-2换换能器器的分类单孔检测采采用一发双收一一体型换能能器，其发射换换能器至接接收换能器器的最近距距离不应小小于300mm，两接收换能能器的间距距宜为200mm。3、声测管声测管是进进行超声脉脉冲法检测测时换能器器进入桩体体的通道。。它是灌注注桩超声脉脉冲检测系系统的重要要组成部分分。它在桩桩内的预埋埋方式及其其在桩的横横截面上的的布置形式式，将直接接影响检测测结果。因因此，需检检测的桩应应在设计时时将声测管管的布置和和埋置方式式标入图纸纸，在施工工时应严格控制制埋置的质质量，以确保检检测工作顺顺利进行。。（1）声测管的的选择，以以透声率较大大、便于安安装及费用用较低为原则。考考虑到公路路基桩大多多数是大桩桩、长桩，，加上混凝凝土的水化化热作用及及钢筋笼安安放和混凝凝土浇注过程程中存在较较大的作用用力，容易易造成检测管变形、断裂裂，从而影响响检测工作作的顺利进进行。因此此，声测管管应采用强度较高的的金属管。（2）声测管常常用的内径径规格是50～60mm。为了便于换能能器在管中上上下移动，声声测管的内径径通常比径向向换能器的外外径大10mm；当对换能器加加设定位器时时，声测管内内径应比换能能器外径大20mm。（3）在声波透射射法检测中，，超声波特征值值仅与收、发检检测管间连线线两边窄带区区域（声测测剖面）的混凝土质量密切相关。当当灌注桩的直直径增大时，，每组声测管管间超声波的的混凝土检测范围占桩桩截面积比例例减小，不能反映桩桩身截面混凝凝土的整体质质量状况，因因此，声测管管的数量及布布置方法决定定了桩身混凝凝土实际的检测面积积和检测范围围，对直径大的桩必须增增加声测管的的数量。一般般桩径小于800mm时，沿直径布布置两根声测测管，构成一个声测剖面面；桩径为800～1500mm时，应按等边边三角形均匀匀布置三根声声测管，构成成三个声测剖面面；桩径大于1500mm时，应按正方方形均匀布置置四根声测管管，构成六个声测剖面面，如图2-3图中的阴影区区为检测的控控制面积。图2-3声测管布置方方式（4）由于声测管管间距随深度度的变化难以以确定，各深深度处的声速速只能采用桩桩顶二根声测测管的距离来来计算，因此此，为减少偏偏差必须将声声测管牢固焊焊接或绑扎在在钢筋笼的内内侧，并在相相邻声测管之之间焊接等长水平撑杆杆，保持管与管管之前互相平平行且定位准准确。为避免免产生漏浆、、漏水和因焊焊渣造成管内内堵塞问题，，声测管不应应采用对焊方方法连接，而而应采用螺纹连接，声测管埋设设至桩底并封闭，管口高出桩桩顶面300mm以上并加盖。（5）根据公路工工程的特点和和便于了解桩桩身缺陷存在在的方位，声声测管埋设时时宜将其中一一根对准线路前行行方向。以路线前进进方向的顶点点为起始点，，按顺时针旋转转方向进行编编号和分组，，每二根编为一组。第三部分测测试方法法测试方法检测数据分析析与评定桩身混凝土质质量评价检测报告1、检测前的准准备（1）在检测前应应进行现场调调查，多方面面收集基桩的的技术资料，，如工程地质资料、基基桩设计图纸纸和施工记录、监监理日志等，了解施工工艺及施工过程中中出现的异常情况，这对判定异异常信号产生生的真实原因因十分有益。。同时还应根根据调查结果果和检测的目目的，制定相相应的检测方案。检测方案包包括：工程概况，目目的与任务，，方法与技术术，仪器设备备，检测场地地要求，检测测人员和时间间安排，检测测报告等。一、测试方法法（2）检测的时间间应满足混凝土强度龄龄期的要求。为保保证检测结果果的可靠性，，同时考虑到到混凝土在龄龄期14天后的超声波波波速等特性性参数变化已已经趋于平缓缓，一般要求求超声波检测测混凝土灌注桩桩的龄期应大大于14天。（3）检测前应冲冲洗声测管，，以保证换能能器在全程范范围内升降顺畅。声测管内灌满清水做为偶合剂，，因声测管中中的浑浊水将将明显甚至严严重加大声波波衰减和延长长传播时间，，给声波检测测结果带来误误差。对利用用取芯孔进行行单孔超声波波混凝土质量量检测，在检检测前也应进进行孔内清洗，取芯孔的垂垂直度误差不应大于0.5％。（4）标定超声波检测仪仪从发射至接接收仪器系统统产生的系统延迟时间间t0。将发、收换能能器平行置于于清水中的同同一高度，其其中心间距从从400mm左右开始逐次次加大两换能能器之间的距距离，同时定定幅测量与之之相应的声时时，再分别以以纵、横轴表表示间距和声声时作图，在声时横轴上上的截距即为t0。为保证测试精精度，两换能能器间距的测测量误差不应应大于0.5％，测量点不不应少于5个点。（5）用直径明显显大于换能器器的圆钢疏通通声测管，并并记录深度，，准确量测声测管的内、、外径和两相相邻声测管外外壁间的距离，量测测精度为±1mm。2、测试装置形形式灌注桩的测试试装置形式主主要有：1）水平同步平测测，一对换能器器分别置于两两个对应声测测管中，位于于同一高度进行测试；2）等差同步斜测测，一对换能器器分别置于两两个对应声测测管中，但不不在同一高度度，保持一定高程程差进行测试；3）扇形扫扫测，一对对换能能器分分别置置于两两个对对应声声测管管中，，保持持一个个换能能器高高度位置固固定，另一一个换换能器器以一定的的高程程差上上下移移动进行测测试，，如图图3-1。图3-1测测试试装置置示意意3、检测测方法法（1）径向换换能器器在水水平方方向具具有一一定的的指向向性，，为了了保证证测点点间声声场对对桩身身混凝凝土的的覆盖盖面，，防止止缺陷陷的漏漏检，，上、下下相邻邻两测测点的（2）声波波透射射法检检测混混凝土土灌注注桩质质量中中，声时和波幅是两个个重要要指标标，其其中波波幅对对混凝凝土内内部缺缺陷的的反应应往往往比声声时更更具敏感性性。在实实际检检测中中，波幅是是一个个相对对量，而声声时又又是根根据波波形的的起跳点点来确确定的。因因此，，为了了使不不同位位置处处的检检测数数据具具有可可比性性和应应用价价值，，在同同一根根桩的的检测测过程程中，，声波波发射射电压和和放大大器增增益等参数数应保持不不变，并进进行等幅测测试。（3）对声声时值值和波波幅值值的可疑点点应进进行复复测。对于于声时时值和和波幅幅值出出现异异常的的部位位，应应采用用水平加加密、、等差差同步步或扇形扫扫测等方法法进行行细测，结合合波形形分析析确定定桩身身混凝土土缺陷陷的位位置及及其严严重程程度。其中中水平平加密密细测测是基基本方方法，，而等等差同同步和和扇形形扫测测主要要用于于确定定缺陷陷位置置和大大小，，其发发、收收换能能器连连线的的水平平夹角角一般般为30°°～40°°。（4）常规规超声声波测测试方方法可可以得得到灌灌注桩桩沿桩桩长方方向的的粗略略质量量分布布情况况。CT层析成成像技技术配有专专门的的分析析软件件，适适宜于于对局局部可可疑区区域或或重要要结构构进行行重点点加密密细测测，并并可对对桩身身缺陷陷进行行定量分析析，其方法法测试流流程图见见图3-2。（5）同一根根桩中有有三根以以上声测测管时，，以每两两个管为为一个测测试剖面面分别测测试。并并在测试试过程中中保持测试试系统状状态参数数不变。图3-2混混凝土土灌注桩桩的测试试流程目前桩身身混凝土土缺陷判判别主要要依据于于实测声速速、波幅幅及其随深深度的变化曲线线并根据声速判据据、波幅幅判据和PSD判据综合分析析桩身质质量及混混凝土缺陷程度度。二、检测数据据分析与与评定1、判断桩桩内缺陷陷的基本本物理量量在钻孔灌灌注桩的的检测中中所依据据的基本本物理量量有以下下四个：：（1）声速：：超声波在在混凝土土中传波波的速度度。当超超声波在在传播过过程中遇遇到混凝凝土缺陷陷时将产产生绕射，此时超超声波在在混凝土土中传播播的时间加长长，计算出出的声速也降降低。一般来来说声速速指标比较稳定定，重复复性好，数据有有可比性性，但对对桩身缺缺陷反应应不够敏感感。（2）波幅：：超声波在在缺陷界界面产生生反射、散散射，能能量衰减减，波幅幅降低。采用波波幅指标标进行缺缺陷判断断时，要要求波幅幅值有可比性。即仪器器、换能能器、信信号线等等测试系系统不变变，发射射电压、、采样频频率等测测试参数数不变，，测距相相同，测测试角度度相同，，这样的的测试数数值才有有可比性性。波幅幅变化受受表面耦耦合状态态的影响响较大，，因此应应保持传传感器与与混凝土土灌注桩桩之间有有良好的耦耦合状态态。波幅变变化对桩桩身缺陷陷的反应应就比较很敏敏感。（3）主频（（或频谱谱）：超声脉冲冲是复频频波，具具有多种种频率成成分，当当它穿过过混凝土土后，各各频率成成分在遇遇到缺陷陷时衰减减程度不不同，高高频部分分比低频频部分衰衰减严重重，因而而使接收收信号的的主频率率向低频频端漂移移（频移移）。（4）波形畸畸变：由于超声声脉冲在在缺陷界界面反射射和折射射，形成成波线不不同的波波束，这这些波束束由于传播路径径不同，或或由于界界面上产产生波型转换换而形成横横波等原原因，使使得到达达接收换换能器的的时间不不同，因因而使接收波波成为许许多同相相位或不不同相位位波束的的叠加波波，导致致波形畸畸变。实践证证明，凡凡超声波波在传播播过程中中遇到缺缺陷，其其接收波波形往往往产生畸畸变，所所以波形畸变变可作为为判断缺缺陷的一一个参考考依据。但是，，波形畸畸变的原原因很多多，某些些非缺陷陷因素也也会导致致波形畸畸变，运运用时应应慎重分析析。关于波波形畸变变后采取取怎样的的分析技技术，还还有待进进一步研研究。2、声时修修正值的的计算当声波从从某一声声测管传传播至另另一声测测管时，，将通过过耦合的的水和金属声测测管，因此必必须进行行声时修正正。其声时时修正的的计算公公式：(3.1)式中：t‘——声时修正正值（μs）；D——声测管外外径（mm）；d'——声测管内内径（mm）；d'——换能器外径（mm）；；νt———预埋埋声声测测管管的的声声速速值值（km/s）；；νw———水的的声声速速值值（（km／s）。。对钢钢质质声声测测管管，，波波速速一一般般可可取取5800m／s；20°°C时水水的的声声速速可可取取1480m/s。3、声时时初初读读数数的的计计算算超声声波波在在预预埋埋声声测测管管之之间间传传播播，，所所测测得得的的走走时时包包括括：：超声声系系统统声声时时初初读读数数、、超超声声波波在在声声测测管管的的耦耦合合水水里里传传播播的的声声时时、、超超声声波波在在声声测测管管中中传传播播的的声声时时、、超超声声波波在在混混凝凝土土中中传传播播的的声声时时。为了了准确确计算算灌注注桩的的混凝凝土波波速，，应对对实测测声时时读数数进行行预处处理，，一般般采取取实测声声时减减去声声时初初读数数的方法法，获获得超超声波波在混混凝土土中传传播的的实际际声时时。该该声时时初读读数的的计算算公式式是：：(3.2)式中：：t0——超声系系统声声时初初读数数；t'———声时修修正值值（μs）。4、声时、、声速速和声声速平平均值值声时、、声速速和声速平平均值值应按下下列公公式计计算，，并绘绘制声速-深度曲曲线、、波幅幅-深度曲曲线。(3.3)(3.4)(3.5)式中:ti——超声波波第i测点声声时值值（μs）；t0——声波检检测系系统延延迟时时间（（μs）；νi——第i个测点点声速速值（km／s）；l——两根检检测管管外壁壁间的的距离离（mm）；νm——混凝土土声速速平均均值（km／s）；n——测点数数。鉴于目目前所所用的的换能能器频频带窄窄和用用频率率判定定桩身身混凝凝土缺缺陷的的方法法还不不成熟熟。因因此，，未将将声波频频率-深度曲曲线作为桩桩身混混凝土土完整整性的的主要要判定定指标标之一一。5、单孔孔折射射法为了测测试单单根声声测管管或验验证取取芯孔孔周围围的混混凝土土质量量，往往往采采用一发双双收的的一体体化径径向还还能器器。测试试时，，其声声时、、声速速值应应按下下列公公式计计算：：(3.6)(3.7)式中：：νi——第i测点的的声速速值（km/s）Δt——两个接接受换换能器器间的的声时时差(μs);t１——近道接接收换换能器器声时时(μs);t2——远道接接收换换能器器声时时(μs);h——两个接接收换换能器器间的的距离离（mm）。三、桩桩身混混凝土土质量量评价价1、强度评评价混凝土土强度度的评评价是是建立立在波波速与与混凝凝土物物理力力学指指标之之间相相关性性的基基础上上。声声速可可通过过混凝凝土弹性模模量与其力学强强度的内在在联系系，与与混凝凝土抗抗压强强度建建立相相关关关系，，并推推定混混凝土土的强强度。。表3-1表示混凝土土强度度与声声速之之间的的相关关关系系。当声速速小于于3500m／s时，说说明混混凝土土质量量较差差。混凝土土强度度与声声速关关系参参考表表表表3-1在恒定定泊松比比情况下下，混混凝土土弹性模模量与与压缩缩波速速度的经验验关系系如图图3-3所示，，混凝凝土的的抗压强强度与与弹性性模量量的关系系如图图3-4所示。。在已已知混混凝土土构件件的弹弹性波波速度度层析析图后后，根根据图图3-3可换算算出混混凝土土的弹弹性模模量，再根根据图图3-4可换算出出混凝凝土的的抗压压强度度并评定混混凝土土的质质量。图3-3混混凝土土弹性性模量量与波波速关关系图3-4弹弹性性模量量与抗抗压强强度关关系目前，，在国国内一一般采采用统统计方方法建建立专用曲线线或数学表表达式，，如两两种非非线性的的数学表表达式，，其中e为动弹性性模量，v为波速，，为为立方体体抗压强强度，A、B、C为经验系系数。2、桩身混混凝土缺缺陷声速速判据声速临界界值的确定基基于概率率法，即即无缺陷陷的混凝凝土声速速测值虽虽因其本本身的不不均匀性性造成一一定的离离散性，，但符合正态态分布；由缺陷陷造成的的低声速速值-异常值不符合正正态分布布。因此，，确定临临界值时时必须采采用正常混凝凝土的声声速平均均值及标标准差，否则，，求得的的声速平平均值将将偏小，，易造成成漏判。。同时还还应分析析考虑声声测管间间不平行行产生的的误差影影响。声速是材材料的基基本物理理量之一一，它与与混凝土土强度相相关，实测声速速应大于于或等于于声速低低限值。声速低低限值由由同条件件混凝土土试件做做强度和和速度对对比试验验，结合合地区经经验确定定。声速速低限值值相对应应的混凝凝土强度度不宜低于于0.9R（R为混凝土土设计强强度），，若试件件为钻孔孔芯样，，则不宜低于于0.85R。当实测混混凝土声速值低低于声速速临界值值时应将其其作为可疑缺陷陷区。(3.8)式中：νi——第i个测点声声速值（km/s）;νD——声速临界界值(km/s);声速临界界值采用用正常混凝凝土声速速平均值值与2倍声速标标准差之差，即即：(3.9)(3.10)(3.11)式中：νD——声速临界界值（km/s）;——正常混凝凝土声速速平均值值(km/s);σν——正常混凝凝土声速速标准差差；νi——第i个测点声声速值(km/s)n——测点数。当检测剖剖面n个测点的的声速值值普遍偏偏低且离离散性很很小时，，宜采用声速速低限值值判据。即实测混凝凝土声速速值低于于声速低低限值时时，可直直接判定定为异常常。(3.12)式中：νi——第i个测点声声速值(km/s);νL——声速低限限值(km/s)。声速低限限值应由由预留同条条件混凝凝土试件件的抗压压强度与与声速对对比试验验结果，结结合本地地区实际经验验确定。3、桩身混混凝土缺缺陷波幅幅判据波幅是相对测测试，也也曾有人人试图用用概率统统计理论论来确定定临界值，但由于于桩身混混凝土内内部结构构的变异异性很大大而难以以找出较较强的波波幅统计计规律性性，因而而实际中中多是根根据实测测经验将波幅值值的一半半定为临临界值。用波幅平均均值减6dB作为波幅幅临界值值，当实测波波幅低低于波波幅临临界值值时，应应将其其作为为可疑缺缺陷区区。(3.13)(3.14)式中：：AＤ——波幅临临界值值（dB）；Am——波幅平平均值值（dB）；Ai——第i个测点点相对对波幅幅值（dB）。PSD法是基基于缺缺陷处处声时时的变变化引引起声时深深度曲曲线的的斜率率明显显增大大，而声声时差差的大大小又又与缺缺陷程程度密密切相相关，，因此此两者之之积对对缺陷陷的反反映更更加明明显，即(3.15)3、桩身身混凝凝土缺缺陷波波幅判判据采用斜斜率法法作为为辅助助异常常判据，，当PSD值在某某测点点附近近变化化明显显时，应应将其其作为为可疑疑缺陷陷区。。(3.16)式中：ti——第i个测点点声时时值（（μs）;ti-1——第i－１个测点声时值(μs);zi——第i个测点深深度(m);zi-1——第i－l个测点深深度（m）。5、混凝土土声速、、波幅和PSD值出现异异常对于混凝凝土声速和波幅值出现异异常并判判为可疑疑缺陷区区的部位位，应采采用水平加密密、等差差同步或扇形扫测测等方法进进行细测测，结合合波形分分析确定定桩身混混凝土缺缺陷的位位置及其其严重程程度。对声速、波波幅和PSD值超越临界界值异常常或突变变时，应应对缺陷陷处进行行细测。同时结结合波形、施施工工艺艺和施工记录录等有关资料料进行综合合分析，以以确定桩身身混凝土缺缺陷的位置置和程度。。当声速普普遍低于低限值值时，应通过钻孔取芯法法检验基桩的的混凝土强强度。6、支承桩或或嵌岩板对支承桩或嵌岩桩，宜同时采采用低应变反射射波法检测桩端的支承情况况。由于超声波波只能检测测桩身部分分的混凝土土质量，对对于支承桩桩或嵌岩桩桩，宜同时时采用低应应变反射波波法检测桩桩端的支承承情况，确确保基桩承承载力满足足设计要求求。