超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座

超声波透射法检测基桩混凝土完整性讲课人：超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第1页第一讲超声波基本理论超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第2页声波透射法基本原理基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩纵轴方向以一定间距逐点检测声波穿过桩身各横截面声学参数,然后对这些检测数据进行处理、分析和判断,确定桩身混凝土缺点位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土连续性、完整性和均匀性情况，评定桩身完整性等级。特点：准确程度高，漏判概率低，但可能出现误判。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第3页声波频率范围次声波可闻声波超声波特超声波0~20Hz20Hz~20kHz20kHz~1000MHz1000MHz以上依据质点振动方向与波传输方向不一样，可将机械波分为纵波、横波和表面波。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第4页纵波质点振动方向与波传输方向一致波称为纵波，又称为P波。是依靠介质时疏时密（即时而拉升，时而压缩）使介质容积发生变形引发压强改变而传输，它和介质体积弹性相关。任何弹性介质都含有体积弹性，所以纵波能够在任何固体、气体、液体中传输。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第5页横波介质质点振动方向与波传输方向垂直波称为横波，又称为S波。是依靠使介质产生剪切变形引发剪切力改变而传输，它和介质剪切弹性相关。因为液体、气体无一定形状，不具备切变弹性，不能承受剪切应力，所以横波只能在固体介质中传输。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第6页表面波固体介质表面受到交替改变表面张力作用，介质表面质点发生对应纵向振动和横向振动，结果使质点做这两种振动合成运动，即绕其平衡位置作椭圆运动，该质点运动又涉及相邻质点，而在介质表面传输，这种波称为表面波，又称R波。表面波传输时，质点振动振幅随深度增加快速降低，当深度超出2倍波长时，振幅已很小了。表面波也只能在固体中传输。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第7页声波在固体传输过程中衰减

吸收衰减：声波在介质中传输时，部分机械能被介质转换成其它形式能量（如热能）而散失，这种衰减现象称为吸收衰减。

散射衰减：声波在一个介质中传输时，因碰到另一个介质组成障碍物而向不一样方向产生散射，从而造成声波减弱（即声传输定向性减弱）现象称为散射衰减。

扩散衰减：声波发射器发出超声波波束都有一定扩散角。波束扩散，造成能量逐步分散，从而使单位面积能量随传输距离增加而减弱。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第8页第二讲检测技术超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第9页桩内跨孔透射法

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第10页桩内单孔透射法

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第11页桩外孔透射法

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第12页混凝土内部缺点对声波波速影响

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第13页接收声波波幅与混凝土质量接收声波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度指标之一。接收波幅值越低，混凝土对声波衰减就越大。依据混凝土中声波衰减原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺点时，吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅显著下降。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中衰减器测量，测量时通常以首波（即接收信号前面半个周期）波幅为准。接收声波幅值与混凝土质量紧密相关，它对缺点区反应比声时值更为敏感，所以它也是缺点判断主要参数之一。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第14页频率改变与混凝土质量

声波脉冲是复频波，含有各种频率成份。当它们穿过混凝土后，各频率成份衰减程度不一样，高频部分比低频部分衰减严重，因而造成接收信号主频率向低频端漂移。其漂移多少取决于衰减原因严重程度。所以，接收波主频率实质上是介质衰减作用一个表征量，当碰到缺点时，因为衰减严重，使接收波主频率显著降低。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第15页波形改变与混凝土质量

因为声波脉冲在缺点界面反射和折射，形成波线不一样波束，这些波束因为传输路径不一样，或因为界面上产生波形转换而形成横波等原因，使得抵达接收换能器时间不一样，因而使接收波成为许多同相位或不一样相位波束叠加波，造成波形畸变。实践证实，凡超声脉冲在传输过程中碰到缺点，其接收波形往往产生畸变，所以波形畸变程度可作为判断缺点程度参考依据。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第16页正常声波畸变声波超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第17页几个声学参数比较

声速测试值较为稳定，结果重复性很好，受非缺点原因影响小，在同一桩不一样剖面以及同一工程不一样桩之间能够比较，是判定混凝土质量主要参数，但声速对缺点敏感性不及波幅。接收波波幅（首波幅值）对混凝土缺点很敏感，它是判定混凝土质量另一个主要参数。但波幅测试值受仪器系统性能、换能器耦合情况、测距等很多非缺点原因影响，它测试值没有声速稳定，当前只能用于相对比较，在同一桩不一样剖面或不一样桩之间往往无可比性。

接收波主频改变即使能反应声波在混凝土中衰减情况，从而间接反应混凝土质量好坏，但声波主频改变也受测距、仪器设备状态等非缺点原因影响，所以在不一样剖面以及不一样桩之间可比性不强，只用于同一剖面内各测点相对比较，其测试值也没有声速稳定。所以，当前主频漂移指标仅作为声速、波幅辅助判据。

接收波形也是反应混凝土质量一个主要方面，它对混凝土内部缺点也较敏感，在现场检测时，除逐点读取首波声时、波幅外，还应注意观察整个接收波形态改变，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时一个主要参考，因为接收波形是透过两声测管间混凝土声波能量一个总体反应，它反应了发、收换能器之间声波在混凝土各种声传输路径上总体能量，其影响区域大于直达波（首波）。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第18页零声时问题电延迟时间：从声波仪电路原理可知，发出触发电脉冲并开始计时瞬间到电脉冲开始作用到压电体时刻，电路中有些触发、转换过程。这些电路转换过程有短暂延迟响应。

电声转换时间：在电脉冲加到压电体瞬间到产生振动发出声波瞬间有电声转换延迟。接收换能器也类似。

声延迟：换能器中压电体辐射出声波并不是直接进入被测体，而是先经过换能器壳体或夹心式换能器辐射体，再经过耦合介质层，然后才进入被测体。

这三部分延迟组成了仪器测读时间t1与声波在被测体中传输时间t差异。声波在被测物体中传输时间t

=t1

-

t0

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第19页零声时测量将发、收换能器平行悬于清水中，逐次改变两换能器间距，并测定对应声时和两换能器间距，做若干点声时—间距线性回归曲线，就可求得t0

t=t0+bּl

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第20页波幅检测

波幅是标志接收换能器接收到声波信号能量大小参量。波幅测量是用某种指标来度量接收波首波波峰高度，并将它们作为比较多个测点声波信号强弱一个相对指标。当前在波幅测量中普通都采取分贝（dB）表示法，即将测点首波信号峰值a与某一固定信号量值a0比值取对数后量值定为该测点波幅分贝（dB）值，表示为。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第21页频率检测

数字式声波仪都配有频域分析软件，可用频谱分析方法更准确地测试接收声波信号主频。计算方法为FFT（傅立叶变换）。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第22页声测管埋设及要求现行规范：中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规程》JGJ-超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第23页

声测管联结

有足够强度和刚度，确保声测管不致因受力而弯折、脱开；有足够水密性，在较高静水压力下，不漏浆；接口内壁保持平整通畅，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍接头上、下移动。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第24页检测前准备工作按照《规范》要求，安排检测工作程序。

按照《规范》要求，调查、搜集待检工程及受检桩相关技术资料和施工统计。

将伸出桩顶声测管切割到同一标高，测量管口标高，作为计算各测点高程基准。向管内注入清水，封口待检。

在放置换能器前，先用直径与换能器略同圆钢作吊绳。检验声测管通畅情况。用钢卷尺测量桩顶面各声测管之间外壁净距。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第25页

标准上，桩身混凝土满28d龄期后进行声波透射法检测是最合理，也是最可靠。不过，为了加紧工程建设进度、缩短工期，当采取声波透射法检测桩身缺点和判定其完整性等级时，可适当将检测时间提前。《规范》中要求：“当采取低应变法或声波透射法检测桩身完整性时，受检桩混凝土强度最少到达设计强度70%，且大于15MPa。”，混凝土到达28d强度70%普通需要两周左右时间。检测前对混凝土龄期要求超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第26页平测步骤将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，剖面编码。

将发、收换能器分别置于某一剖面两声测管中，并放至桩底部，保持相同标高。

自下而上将发、收换能器以相同步长（普通不宜大于250mm）向上提升。

在同一桩各检测剖面检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第27页测试方法平测单向斜测交叉斜测超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第28页 对可疑测点细测对可疑测点，先进行加密平测（换能器提升步长为10~20cm），核实可疑点异常情况，并确定异常部位纵向范围。再用斜测法对异常点缺点严重情况进行深入探测.斜测。就是让发、收换能器保持一定高程差，在声测管内以相同时长同时升降进行测试，而不是象平测那样让发、收换能器在检测过程中一直保持相同高程。因为径向换能器在铅垂面上存在指向性，所以，斜测时，发、收换能器中心连线与水平面夹角不能太大，普通可取30°～40°。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第29页缺点细测

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第30页第三讲检测数据分析与结果判定

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第31页测试数据整理首先计算各测点波速

波幅

频率

波形统计与观察

绘制声参数～深度曲线

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第32页声速判据

概率法

声速低限值法

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第33页声速临界值计算方法

将同一检测面各测点声速值vi由大到小依次排序，即 （1）式中vi——按序列排列后第i个测点声速测量值；n——某检测剖面测点数；k——逐一去掉（1）式vi序列尾部最小数值数据个数。对逐一去掉vi序列中最小值后余下数据进行统计计算，当去掉最小数值数据个数为k时，对包含vn-k在内余下数据v1~vn-k按以下公式进行统计计算：

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第34页

v0——异常判断值；vm——（n-k）个数据平均值；sv——（n-k）个数据标准差；λ1——由表查得与（n-k）相对应系数。

（2）（3）（4）超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第35页n-k20222426283032343638λ11.641.691.731.771.801.831.861.891.911.94n-k40424446485052545658λ11.961.982.002.022.042.052.072.092.102.11n-k60626466687072747678λ12.132.142.152.172.182.192.202.212.222.23n-k80828486889092949698λ12.242.252.262.272.282.292.292.302.312.32n-k100105110115120125130135140145λ12.332.342.362.382.392.412.422.432.452.46n-k150160170180190200220240260280λ12.472.502.522.542.562.582.612.642.672.69超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第36页将vn-k与异常判断值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后数据均为异常，去掉vn-k及其以后异常数据；再用数据v1~vn-k-1并重复式(2)至（4）计算步骤，直到vi序列中余下全部数据满足：声速异常时临界值判据为：

vi

≤vc0 （5）

当式（5）成立时，声速可判定为异常。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第37页概率法判据应注意几个问题

以一个剖面全部测点测值为统计样本，且测点总数不少于20个点，当桩长很短时，可减小测点间距，加大测试点数。因为临界值计算是以正常混凝土声速分布服从正态分布为前提，统计计算正常波动下可能出现最低值。所以参加统计测点都是正常波动测点，异常点不应该参加统计计算vm和sv，不然，将使计算统计离散度增大（sv变大），平均值降低（vm变小），影响临界值合理取值。

若桩身缺点太多，不能取得反应桩身混凝土正常波动下测值平均值、标准差时，应扩大检测范围或参考同一工程质量较稳定桩声速临界值，来评定多缺点桩。

采取概率法计算桩身混凝土声速临界值，只考虑了单边情况，即“小值异常”情况，其原因以下：首先环境条件恶劣或人为失误造成过失误差普通只会引发混凝土质量恶化，即声速降低，而使测点声速向小值方向偏离正态分布；另首先，即使出现“大值异常”，这么偏离是有利于工程结构安全,不应判为异常点。

当声速一些测值显著高于混凝土声速正常取值时，应分析原因（可能是声测管弯曲或系统延时t0设置不正确）后作适当剔除，再作数理统计分析，或参考同一工程其它桩声速临界值。

概率法本质上也是一个相对比较法，在进行异常点判别和缺点判定时，应结合测点实际声速与正常值偏离程度以及其它声参数进行综合判定。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第38页概率法失效假如一混凝土灌注桩实测声速普遍偏低（低于混凝土声速正常取值），但离散度小，采取概率法是无法找到异常测点，这么将造成漏判。

有工程，为了抢进度，采取比桩身混凝土设计强度高1~2个等级混凝土进行灌注，即使桩身混凝土声速有较大离散性，可能出现异常测点，但即使是声速最低测点也在混凝土声速正常取值范围，不应判为桩身缺点。而用概率法判据，可能视其为桩身缺点，造成误判。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第39页声速低限值法vi<vL

vi——第i测点声速；

vL——

声速低限值，由预留同条件混凝土试件抗压强度与声速对比试验结果，结合当地域实际经验确定。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第40页PSD法判据

Ki——第i测点PSD判据；tci、tci-1——分别为第i测点和第i-1测点声时；

zi、zi-1——分别为第i测点和第i-1测点深度。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第41页依据实测声时计算某一剖面各测点PSD判据，绘制“判据值～深度”曲线，然后依据PSD值在某深度处突变，结合波幅改变情况，进行异常点判定。采取PSD法突出了声时改变，对缺点较敏感，同时，也减小了因声测管不平行或混凝土不均匀等非缺点原因造成测试误差对数据分析判断影响。超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第42页波幅判据

在《规范》中采取以下方法确定波幅临界值判据：Am——同一检测剖面各测点波幅平均值（dB）；n——同一检测剖面测点数。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第43页主频判据

在《规范》中只是把它作为桩身缺点一个辅助判据，即“主频－深度曲线上主频值显著降低测点可判定为异常”。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第44页实测声波波形

实测波形能够作为判断桩身混凝土缺点一个参。接收波后续部分是发、收换能器之间各种路径声波迭加结果，当前作定量分析比较难，但后续波强弱在一定程度上反应了发、收换能器之间声波在桩身混凝土内各种声传输路径上总能量衰减。在检测过程中应注意对测点实测波形观察，应选择混凝土质量正常测点有代表性波形统计下来并打印输出，对声参数异常测点实测波形应注意观察其后续波强弱，对确认桩身缺点测点宜统计并打印实测波形。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第45页桩身混凝土缺点综合判定

在《规范》中第10.4.7条明确指出：桩身完整性类别应结合桩身混凝土各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及桩身质量可疑点加密测试后确定缺点范围，按规范表3.5.1要求和表10.4.7特征进行综合判定。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第46页综合判定方法

采取平测法对桩各检测剖面进行全方面普查。

对各检测剖面测试结果进行综合分析确定异常测点。

对各剖面异常测点进行细测（加密测试）。综合各个检测剖面细测结果推断桩身缺点范围和程度。在对缺点几何范围和程度作出推断后，对桩身完整性类别判定可按表4-2描述各种类别桩特征进行，但还需综合考查以下原因：桩承载机理（摩擦型或端承型），桩设计荷载要求，受荷情况（抗压、抗拔、抗水平力等），基础类型（单桩承台或群桩承台），缺点出现部位（桩上部、中部还是桩底）等等。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第47页类别特征表10.4.7表3.5.1Ⅰ各检测剖面声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。桩身完整Ⅱ某一检测剖面个别测点声学参数出现异常，无声速低于低限值异常。桩身有轻微缺点，不会影响桩身结构承载力正常发挥

Ⅲ某一检测剖面连续多个测点声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。桩身有显著缺点，对桩身结构承载力有影响

Ⅳ某一检测剖面连续多个测点声学参数出现显著异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点声学参数出现显著异常；桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。桩身存在严重缺点超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第48页常见缺点性质与声学参数关系

沉渣：沉渣是涣散介质，其本身声速很低，对声波衰减也相当猛烈，所以凡碰到沉渣，必定是声速和振幅均猛烈下降。通常在桩底出现这种情况多属沉渣所引发。

夹泥：这类缺点多由浇注导管提升不妥造成，若在桩身就是断桩；若在桩顶就是桩顶标高不够。其特点也是声速和振幅均显著下降。只不过出现在桩身时往往是突变，在桩顶是缓变。若桩顶缓变低到某一界限（可依据波速值确定这一界限），其以上部位应截桩，依据应截桩标高可判定桩顶标高是否够。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第49页混凝土被洗浆：若是挖孔桩出现各断面均测值异常层状缺点，则往往是施工中事故引发疏松层或桩孔中沁水控制不好或混凝土浇注后泌水过大所致。孔壁坍塌或泥团：声速与振幅均下降，但下降多少则视缺点情况而定。假如是局部泥团，并未包裹声测管，则下降程度并不很大；假如泥团包裹声测管，则下降程度较大，尤其是振幅下降更为猛烈。一根声测管被泥团包裹将影响两个测试面。经过斜测能够分辨这些情况。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第50页混凝土离析：灌注桩轻易发生混凝土离析，造成桩身某处粗骨料大量堆积，而相邻部位浆多骨料少情况。粗骨料多地方，因为粗骨料多，而粗骨料本身波速高，往往造成这些部位声速值并不低，接收信号减弱。粗骨料少而砂浆多地方则测得波速下降，但振幅测值不但不下降。钻芯结果普通混凝土为“夹心饼干”。

气泡密集混凝土：在灌注桩上部桩身有时因为混凝土浇注管提升过快有大量空气封在混凝土内。虽不一定造成孔洞，但可能形成大量气泡分布在混凝土内，使混凝土质量有所降低。这种混凝土内分散气泡不会使波速显著降低，但却使声波能量显著衰减（散射），接收波能量显著下降。

超声测试混凝土桩的完整性分析专家讲座第51页检测汇报

按《规范》基本要求中第3.5.5条要求，检测汇报应包含以下内容：1. 委托方名称，工程名称、地