超声波透射法检测基桩混凝土完整性

超声波透射法检测基桩混凝土完整性授课人：第一讲超声波的基本理论声波透射法的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的通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数,然后对这些检测数据进行处理、分析和判断,确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，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。声波的频率范围次声波可闻声波超声波特超声波0~20Hz20Hz~20kHz20kHz~1000MHz1000MHz以上根据质点振动方向与波的传播方向不同，可将机械波分为纵波、横波和表面波。

纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，又称为P波。是依靠介质时疏时密（即时而拉升，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，它和介质的体积弹性有关。任何弹性介质都具有体积弹性，所以纵波可以在任何固体、气体、液体中传播。横波介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波，又称为S波。是依靠使介质产生剪切变形引起的剪切力变化而传播的，它和介质的剪切弹性相关。由于液体、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播。

表面波固体介质表面受到交替变化的表面张力作用，介质表面质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质点做这两种振动的合成运动，即绕其平衡位置作椭圆运动，该质点的运动又波及相邻质点，而在介质表面传播，这种波称为表面波，又称R波。表面波传播时，质点振动的振幅随深度的增加迅速减少，当深度超过2倍的波长时，振幅已很小了。表面波也只能在固体中传播。

声波在固体传播过程中的衰减

吸收衰减：声波在介质中传播时，部分机械能被介质转换成其他形式的能量（如热能）而散失，这种衰减现象称为吸收衰减。

散射衰减：声波在一种介质中传播时，因碰到另一种介质组成的障碍物而向不同方向产生散射，从而导致声波减弱（即声传播的定向性减弱）的现象称为散射衰减。

扩散衰减：声波发射器发出的超声波波束都有一定的扩散角。波束的扩散，导致能量的逐渐分散，从而使单位面积的能量随传播距离的增加而减弱。第二讲检测技术桩内跨孔透射法

桩内单孔透射法

桩外孔透射法

混凝土内部缺陷对声波波速的影响

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的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土中声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波（即接收信号的前面半个周期）的波幅为准。接收声波幅值与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一。

频率变化与混凝土质量

声波脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收波主频率明显降低。

波形的变化与混凝土质量

由于声波脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波形转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，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陷程度的参考依据。正常声波畸变声波几种声学参数的比较

声速的测试值较为稳定，结果的重复性较好，受非缺陷因素的影响小，在同一桩的不同剖面以及同一工程的不同桩之间可以比较，是判定混凝土质量的主要参数，但声速对缺陷的敏感性不及波幅。接收波波幅（首波幅值）对混凝土缺陷很敏感，它是判定混凝土质量的另一个重要参数。但波幅的测试值受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等诸多非缺陷因素的影响，它的测试值没有声速稳定，目前只能用于相对比较，在同一桩的不同剖面或不同桩之间往往无可比性。

接收波主频的变化虽然能反映声波在混凝土中的衰减状况，从而间接反映混凝土质量的好坏，但声波主频的变化也受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响，因此在不同剖面以及不同桩之间的可比性不强，只用于同一剖面内各测点的相对比较，其测试值也没有声速稳定。因此，目前主频漂移指标仅作为声速、波幅的辅助判据。

接收波形也是反映混凝土质量的一个重要方面，它对混凝土内部的缺陷也较敏感，在现场检测时，除逐点读取首波的声时、波幅外，还应注意观察整个接收波形态的变化，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要的参考，因为接收波形是透过两声测管间混凝土的声波能量的一个总体反映，它反映了发、收换能器之间声波在混凝土各种声传播路径上的总体能量，其影响区域大于直达波（首波）。

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的瞬间到电脉冲开始作用到压电体的时刻，电路中有些触发、转换过程。这些电路转换过程有短暂延迟的响应。

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的延迟。接收换能器也类似。

声延迟：换能器中压电体辐射出的声波并不是直接进入被测体，而是先通过换能器壳体或夹心式换能器的辐射体，再通过耦合介质层，然后才进入被测体。

这三部分延迟构成了仪器测读时间t1与声波在被测体中传播时间t的差异。声波在被测物体中的传播时间t

=t1

-

t0

零声时的测量将发、收换能器平行悬于清水中，逐次改变两换能器的间距，并测定相应声时和两换能器间距，做若干点的声时—间距线性回归曲线，就可求得t0

t=t0+bּl

波幅三检测波幅三是标三志接三收换三能器三接收三到的三声波三信号三能量三大小三的参三量。波幅三的测三量是三用某三种指三标来三度量三接收三波首三波波三峰的三高度三，并三将它三们作三为比三较多三个测三点声三波信三号强三弱的三一种三相对三指标三。目三前在三波幅三测量三中一三般都三采用三分贝三（dB）表示三法，三即将三测点三首波三信号三峰值a与某三一固三定信三号量三值a0的比三值取三对数三后的三量值三定为三该测三点波三幅的三分贝三（dB）值，三表示三为三。频率三检测数字三式声三波仪三都配三有频三域分三析软三件，三可用三频谱三分析三的方三法更三精确三地测三试接三收声现行三规范三：中三华人三民共三和国三行业三标准三《建三筑基三桩检三测技三术规三程》JG三J-三20三03声测三管的三联结有足三够的三强度三和刚三度，三保证三声测三管不三致因三受力三而弯三折、三脱开三；有足三够的三水密三性，三在较三高的三静水三压力三下，三不漏三浆；接口三内壁三保持三平整三通畅三，不三应有三焊渣三、毛三刺等三凸出三物，三以免三妨碍三接头三的上三、下三移动三。检测三前的三准备三工作按照三《规三范》三要求三，安三排检三测工三作程按照《规范》要求，调查、收集待检工程及受检桩的相关技术资料和施工记录。

将伸出桩顶的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的基准。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的圆钢作吊绳。检查声测管的通畅情况。用钢卷尺测量桩顶面各声测管之间外壁净距。原则三上，三桩身三混凝三土满28三d龄期三后进三行声三波透三射法三检测三是最三合理三的，三也是三最可三靠的三。但三是，三为了三加快三工程三建设三进度三、缩三短工三期，三当采三用声三波透三射法三检测三桩身三缺陷三和判三定其三完整三性等三级时三，可三适当三将检三测时三间提三前。《规范》中规三定：三“当三采用三低应三变法三或声三波透三射法三检测三桩身三完整三性时三，受三检桩三混凝三土强三度至三少达三到设三计强三度的70三%，且三不小三于15三MP三a。”三，混三凝土三达到28三d强度三的70三%一般三需要三两周三左右三的时三间。检测三前对三混凝三土龄三期的三要求平测步骤将多三根声三测管三以两三根为三一个三检测三剖面三进行三全组三合，三剖面三编码三。将发三、收三换能三器分三别置三于某三一剖三面的三两声三测管三中，三并放三至桩三的底三部，三保持三相同三标高三。自下三而上三将发三、收三换能三器以三相同三的步三长（三一般三不宜三大于25三0mm）向上三提升三。在同三一桩三的各三检测三剖面三的检三测过三程中三，声三波发三射电三压和三仪器三设置三参数三应保三持不三变。测试三方法平测单向三斜测交叉三斜测对可三疑测三点的三细测对可三疑测三点，三先进三行加三密平三测（三换能三器提三升步三长为10三~2三0c三m），三核实三可疑三点的三异常三情况三，并三确定三异常三部位三的纵三向范三围。再用三斜测三法对三异常三点缺三陷的三严重三情况三进行三进一三步的三探测.斜测三。就三是让三发、三收换三能器三保持三一定三的高三程差三，在三声测三管内三以相三同步三长同三步升三降进三行测三试，三而不三是象三平测三那样三让发三、收三换能三器在三检测三过程三中始三终保三持相三同的三高程三。由于三径向三换能三器在三铅垂三面上三存在三指向三性，三因此三，斜三测时三，发三、收三换能三器中三心连三线与三水平三面的三夹角三不能三太大三，一三般可三取30三°～40三°。缺陷三的细三测第三三讲检测三数据三分析三与结三果判三定测试三数据三的整三理首先三计算三各测三点波三速波幅频率波形三记录三与观三察绘制三声参三数～三深度三曲线声速三判据概率三法声速三低限三值法声速三临界三值的三计算三方法将同三一检三测面三各测三点的三声速三值vi由大三到小三依次三排序三，即（1三）式中vi——按序三列排三列后三的第i个测三点的三声速三测量三值；n—三—某检三测剖三面的三测点三数；k—三—逐一三去掉三（1）式vi序列三尾部三最小三数值三的数三据个三数。对逐三一去三掉vi序列三中最三小值三后余三下的三数据三进行三统计三计算三，当三去掉三最小三数值三的数三据个三数为k时，三对包三括vn-k在内三的余三下数三据v1~vn-k按下三列公三式进三行统三计计三算：v0——异常三判断三值；vm——（n-三k）个数三据的三平均三值；sv——（n-三k）个数三据的三标准三差；λ1——由表三查得三的与三（n-三k）相对三应的三系数。（2三）（3三）（4三）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将vn-三k与异三常判三断值v0进行三比较三，当vn-三k≤v0时，vn-三k及其三以后三的数三据均三为异三常，三去掉vn-三k及其三以后三的异三常数三据；三再用三数据v1~vn-三k-1并重三复式(2三)至（4）的三计算三步骤三，直三到vi序列三中余三下的三全部三数据三满足三：声速三异常三时的三临界三值判三据为三：vi≤vc0（5三）当式三（5）成三立时三，声三速可三判定三为异三常。概率三法判三据应三注意三的几三个问三题以一三个剖三面的三所有三测点三测值三为统三计样三本，三且测三点总三数不三少于20个点三，当三桩长三很短三时，三可减三小测三点间三距，三加大三测试三点数三。由于三临界三值的三计算三是以三正常三混凝三土的三声速三分布三服从三正态三分布三为前三提，三统计三计算三正常三波动三下可三能出三现的三最低三值。三因此三参与三统计三的测三点都三是正三常波三动测三点，三异常三点不三应该三参与三统计三计算vm和sv，否则三，将三使计三算统三计的三离散三度增三大（sv变大三），三平均三值降三低（vm变小三），三影响三临界三值的三合理三取值三。若桩三身缺三陷太三多，三不能三获得三反映三桩身三混凝三土正三常波三动下三测值三的平三均值三、标三准差三时，三应扩三大检三测范三围或三参考三同一三工程三质量三较稳三定的三桩的三声速三临界三值，三来评三定多三缺陷三桩。采用三概率三法计三算桩三身混三凝土三声速三临界三值，三只考三虑了三单边三情况三，即三“小三值异三常”三情况三，其三原因三如下三：一三方面三环境三条件三恶劣三或人三为失三误造三成的三过失三误差三一般三只会三引起三混凝三土质三量的三恶化三，即三声速三降低三，而三使测三点的三声速三向小三值方三向偏三离正三态分三布；三另一三方面三，即三使出三现“三大值三异常三”，三这样三的偏三离是三有利三于工三程结三构安三全的,不应三判为三异常三点。当声三速的三某些三测值三明显三高于三混凝三土声三速的三正常三取值三时，三应分三析原三因（三可能三是声三测管三弯曲三或系三统延三时t0设置三不正三确）三后作三适当三剔除三，再三作数三理统三计分三析，三或参三考同三一工三程其三他桩三的声三速临三界值三。概率三法本三质上三也是三一种三相对三比较三法，三在进三行异三常点三的鉴三别和三缺陷三的判三定时三，应三结合三测点三的实三际声三速与三正常三值的三偏离三程度三以及三其他三声参三数进三行综三合判三定。概率三法失三效如果三一混三凝土三灌注三桩实三测声三速普三遍偏三低（三低于三混凝三土声三速的三正常三取值三），三但离三散度三小，三采用三概率三法是三无法三找到三异常三测点三的，三这样三将导三致漏三判。有的三工程三，为三了抢三进度三，采三用比三桩身三混凝三土设三计强三度高1~三2个等三级的三混凝三土进三行灌三注，三虽然三桩身三混凝三土声三速有三较大三的离三散性三，可三能出三现异三常测三点，三但即三使是三声速三最低三的测三点也三在混三凝土三声速三的正三常取三值范三围，三不应三判为三桩身三缺陷三。而三用概三率法三判据三，可三能视三其为三桩身三缺陷三，造三成误三判。声速三低限三值法vi<三vLvi——第i测点三的声三速；vL——声速三低限三值，三由预三留同三条件三混凝三土试三件的三抗压三强度三与声三速对三比试三验结三果，三结合三本地三区实三际经三验确三定。PS三D法判三据Ki——第i测点三的PS三D判据三；tci、tci-1——分别三为第i测点三和第i-1测点三声时三；zi、zi-1——分别三为第i测点三和第i-1测点三深度三。根据三实测三声时三计算三某一三剖面三各测三点的PS三D判据三，绘三制“三判据三值～三深度三”曲三线，三然后三根据PS三D值在三某深三度处三的突三变，三结合三波幅三变化三情况三，进三行异三常点三判定三。采三用PS三D法突三出了三声时三的变三化，三对缺三陷较三敏感三，同三时，三也减三小了三因声三测管三不平三行或三混凝三土不三均匀三等非三缺陷三因素三造成三的测三试误三差对三数据三分析三判断三的影三响。波幅三判据在《三规范三》中三采用三下列三方法三确定三波幅三临界三值判三据：Am——同一三检测三剖面三各测三点的三波幅三平均三值（dB）；n—三—同一三检测三剖面三测点三数。主频三判据在《三规范三》中三只是三把它三作为三桩身三缺陷三的一三个辅三助判三据，三即“三主频三－深三度曲三线上三主频三值明三显降三低的三测点三可判三定为三异常三”。实测三声波三波形实测三波形三可以三作为三判断三桩身三混凝三土缺三陷的三一个三参。三接收三波的三后续三部分三是发三、收三换能三器之三间各三种路三径声三波迭三加的三结果三，目三前作三定量三分析三比较三难，三但后三续波三的强三弱在三一定三程度三上反三映了三发、三收换三能器三之间三声波三在桩三身混三凝土三内各三种声三传播三路径三上总三的能三量衰三减。三在检三测过三程中三应注三意对三测点三实测三波形三的观三察，三应选三择混三凝土三质量三正常三的测三点的三有代三表性三的波三形记三录下三来并三打印三输出三，对三声参三数异三常的三测点三的实三测波三形应三注意三观察三其后三续波三的强三弱，三对确三认桩三身缺三陷的三测点三宜记三录并三打印三实测三波形三。桩身三混凝三土缺三陷的三综合三判定在《三规范三》中三第条三明确三指出三：桩三身完三整性三类别三应结三合桩三身混三凝土三各声三学参三数临三界值三、PS三D判据三、混三凝土三声速三低限三值以三及桩三身质三量可三疑点三加密三测试三后确三定的三缺陷三范围三，按三规范三表的三规定三和表三的特三征进三行综三合判三定。综合三判定三的方三法采用三平测三法对三桩的三各检三测剖三面进三行全三面普三查。对各三检测三剖面三的测三试结三果进三行综三合分三析确三定异三常测三点。对各三剖面三的异三常测三点进三行细三测（三加密三测试三）。综合三各个三检测三剖面三细测三的结三果推三断桩三身缺三陷的三范围三和程三度。在对三缺陷三的几三何范三围和三程度三作出三推断三后，三对桩三身完三整性三类别三的判三定可三按表4-三2描述三的各三种类三别桩三的特三征进三行，三但还三需综三合考三察下三列因三素：三桩的三承载三机理三（摩三擦型三或端三承型三），三桩的三设计三荷载三要求三，受三荷状三况（三抗压三、抗三拔、三抗水三平力三等）三，基三础类三型（三单桩三承台三或群三桩承三台）三，缺三陷出三现的三部位三（桩三上部三、中三部还三是桩三底）三等等三。类别特征表10.4.7表3.5.1Ⅰ各检测剖面的声学参数均无异常，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的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常。桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥

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

Ⅳ某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常；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。桩身存在严重缺陷常见三缺陷三性质三与声三学参三数的三关系沉渣三：沉三渣是三松散三介质三，其三本身三声速三很低三，对三声波三的衰三减也三相当三剧烈三，所三以凡三遇到三沉渣三，必三然是三声速三和振三幅均三剧烈三下降三。通三常在三桩底三出现三这种三情况三多属三沉渣三所引三起。夹泥三：这三类缺三陷多三由浇三注导三管提三升不三当造三成，三若在三桩身三就是三断桩三；若三在桩三顶就三是桩三顶标三高不三够。三其特三点也三是声三速和三振幅三均明三显下三降。三只不三过出三现在三桩身三时往三往是三突变三，在三桩顶三是缓三变。三若桩三顶缓三变低三到某三一界三限（三可根三据波三速值三确定三这一三界限三），三其以三上部三位应三截桩三，根三据应三截桩三的标三高可三判定三桩顶三标高三是否三够。混凝三土被三洗浆三：若三是挖三孔桩三出现三各断三面均三测值三异常三的层三状缺三陷，三则往三往是三施工三中的三事故三引起三的疏三松层三或桩三孔中三沁水三控制三不好三或混三凝土三浇注三后泌三水过三大所三致。孔壁三坍塌三或泥三团：三声速三与振三幅均三下降三，但三下降三多少三则视三缺陷三情况三而定三。如三果是三局部三的泥三团，三并未三包裹三声测三管，三则下三降的三程度三并不三很大三；如三果泥三团包三裹声三测管三，则三下降三程度三较大三，特三别是三振幅三的下三降更三为剧三烈。三一根三声测三管被三泥团三包裹三将影三响两三个测三试面三。通三过斜三测可三以分三辨这三些情三况。混凝三土离三析：三灌注三桩容三易发三生混三凝土三离析三，造三成桩三身某三处粗三骨料三大量三堆积三，而三相邻三部位三浆多三骨料三少的三情况三。粗三骨料三多的三地方三，由三于粗三骨料三多，三而粗三骨料三本身三波速三高，三往往三造成三这些三部位三声速三值并三不低三，接三收信三号削三弱。三粗骨三料少三而砂三浆多三的地三方则三测得三的波三速下三降，三但振三幅测三值不三但不三下降三。钻三芯的三结果三一般三