2013声波透射法讲义.ppt

基桩声波透射法 蔡 洪 美 高级工程师高级工程师单位：福建省建设工程物探试验检测中心 总工程师1 1主要依据：建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003适用范围：适用于已预埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测，判定桩身缺陷的程度并确定其位置。抽样原则：对端承型大直径灌注桩，应在上述两款规定的抽检桩数范围内，选用钻芯法或声波透射法对部分受检桩进行桩身完整性检测。抽检数量不应少于总桩数的10%。2 2原理 由发射换能器（探头）在砼内激发高频由发射换能器（探头）在砼内激发高频波，并用接收换能器记录波在砼内传播过程波，并用接收换能器记录波在砼内传播过程中的波动特征当砼内存在不连续或破损界中的波动特征当砼内存在不连续或破损界面时如松散、蜂窝、孔洞、夹层时，将使波面时如松散、蜂窝、孔洞、夹层时，将使波产生散射、反射、透射及绕射；根据波的初产生散射、反射、透射及绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特征、频率变化至到达时间和波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特性，经过处理分析就能及波形畸变程度等特性，经过处理分析就能判别测区内砼的参考强度和内部存在缺陷的判别测区内砼的参考强度和内部存在缺陷的性质、大小及空间位置。性质、大小及空间位置。3 3超声波频率次声波的频率小于20HZ；人耳能听到的正常声波为20HZ-20000HZ;超声波的频率大于20kHz4 4仪器设备主要包手三个部分：发射换能器、接收换能及主机5 5传播路径6 6仪器轻便仪器轻便;抗干扰能力强抗干扰能力强;观测准确度高、结果直观可靠观测准确度高、结果直观可靠;不受桩长限制，可以在桩身中上下移动测试不受桩长限制，可以在桩身中上下移动测试;无盲区，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度无盲区，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度;详细查明桩内部缺陷与性质、深度位置、范围大小、详细查明桩内部缺陷与性质、深度位置、范围大小、严重程度严重程度;可估算混凝土强度等可估算混凝土强度等 主要优点7 7存在缺点 要预埋声测管，在实际施工过程中有的工地将声测管绑要预埋声测管，在实际施工过程中有的工地将声测管绑在钢筋笼上而钢筋笼又没有完全放到底部，这样就导致在钢筋笼上而钢筋笼又没有完全放到底部，这样就导致桩底混凝土情况无法探测到。桩底混凝土情况无法探测到。由于声测管不可能埋入岩层中，故桩底嵌岩情况不能测由于声测管不可能埋入岩层中，故桩底嵌岩情况不能测量到。量到。对于超长桩，由于安装声测管存在各方面的不可预料的对于超长桩，由于安装声测管存在各方面的不可预料的因素，常常会导致堵管而无法测试。因素，常常会导致堵管而无法测试。8 8 D800mmD800mm，2 2根管。根管。800mm800mm D D2000mm2000mm，不少于，不少于3 3根管。根管。D D2000mm 2000mm，不少于，不少于4 4根管。根管。式中式中DD受检桩设计桩径。受检桩设计桩径。声测管埋设数量基本规定9 9与低应变区别传播方向：低应变沿桩身纵截面传播，超声波沿横截面传播；波长：低应变的波长为米级的(0.5-2.0m)，超声波的波长为厘米级的(4-8cm)频率：低应变的频率从几百到几千Hz，超声波一般为30-50kHz1010低应变与超声波的互校如果某根桩动测定为如果某根桩动测定为类，请问超声波一定能类，请问超声波一定能测出测出或或吗？吗？答：不一定，因为二者答：不一定，因为二者的测试方向不同，超声的测试方向不同，超声波只能测出有一定宽度波只能测出有一定宽度的缺陷的缺陷1111波速比较检测中用到的三种方法：高应变、低应变及声波透射法，它们波速之间的关系基本上是：高应变波速低应变波速超声波波速1212波束扩散角声波在平面上假定是可声波在平面上假定是可以全方位扩散，但是竖以全方位扩散，但是竖直方向上，它的扩散受直方向上，它的扩散受到波长及换能器长度的到波长及换能器长度的制约，计算公式如下：制约，计算公式如下：1313波长计算假设超声波频率为40kHz，波速为4500m/s，请问波长多少？假设动测波的频率为3kHz，波速为3600m/s，请问波长多少？根据公式1414分贝dB与放大倍数的关系：总放大量=20*lg(k1*k2*k3)dB放大倍数计算1515常见介质波速通过了解常见介质的波通过了解常见介质的波速，有助于对砼缺陷的速，有助于对砼缺陷的判断当砼内有空洞，判断当砼内有空洞，则波速会大幅度下降；则波速会大幅度下降；当测得声速很大，如大当测得声速很大，如大于于6000m/s6000m/s，则一定是，则一定是管斜了；当声测位于管斜了；当声测位于5000-60005000-6000之间时，有之间时，有可能上粗骨料集中或管可能上粗骨料集中或管斜了。斜了。钢筋钢筋5900m/s5900m/s砼砼4500m/s4500m/s水水1500m/s1500m/s空气空气340m/s340m/s石灰石石灰石6100m/s6100m/s1616波幅分析波幅的高低受到仪器、传感器灵敏度及发射能量的影响，不能说90db的桩质量一定比100db的桩身质量好不同厂家的换能器具有不同的分贝初始值不同的换能器、不同的桩径它们之间的波幅值是没有可比性的。波幅的衰减性受到 桩材不均匀性、声波传播路径、点源距离 影响，所以，同一根桩，不同的管距，其波幅是不一样的。1717波幅算例波幅本质上反映的是声压大小，规范规定，当波幅小于平均值6db时，可定为异常点若平均波幅Am=90db，当A=84db时，测点声压比值为多少？据1818管距计算受到各方因素的影响，声测管在桩头经常会歪掉，使桩顶管距与实际偏离较大作为一个检测人员，应该知道各种直径桩的标准管距例如，对于1000mm径的管桩，当三个管距的管距为800mm、700mm及830mm时，则明显是错误的1919管距算例桩直径为1000mm，钢筋笼内径900mm，声测管直径为50mm，因为三根管夹角均为120度（A B均表示声测管园心位置）。经计算可得：OB=425mm，AB=2*cos30*425=736mm，再减掉管直径50mm，得到管距为686mm。2020系统延迟时间计算将发射、接收换能器平行悬于清水中，测得不同点源距离时的声时分别为：L1=20cm时，t1=132s，L2=30cm时，t2=196s，仪器系统延迟时间t0：L1/(t1-t0)=L2/(t2-t0)得t0=4s2121声测线排水体积规范规定：管口应高出桩头10mm以上这个规定只是个最小值，实际操作中是不够的例如，对于一根60m的长桩，声测管内径50mm，声测线直径6.5mm，换能器的长度为250mm，换能器直径30mm，若管口与桩顶平，计算桩顶以下多少长度水会被排出，导致测不到桩顶砼？2222声测线排水体积（续）2323大直径桩检测大直径桩（如大于180cm)检测时，宜采用高电压1000V，先保证发射能量足；另外，应采用低频率因为高频率的波，穿透能力弱，距离短，不利于大直径桩检测；最后，波形分析时，因为大直径桩的能量衰减大，波形较凌乱，波幅离散性大，应从宽判定桩身完整性类别。2424声速、波幅与缺陷关系当声速较高，波幅下降，一般是因为砼离析、粗骨料集中引起的因为石头的声速高，且使声波绕射，能量损失大。当声速较低，波幅较高时，一般是因为砼离析、细骨料集中引起的因为砂子声速低，且声波穿过时能量损失小。当声速较低，粗骨料少；波幅较低，有空洞蜂窝，该桩质量问题严重。2525龄期未到检测测得声速普谝较低，如正常波速为4500m/s，有可能只测到3600m/s；另外，波速虽然低，但离散性较小，即n个测点的标准差很小；因为强度不够，波幅也相应较低，且离散性偏大。2626声速、频率与波幅与砼质量关系声速：若混凝土均匀，各断面所测得声时值基本相声速：若混凝土均匀，各断面所测得声时值基本相同；桩身有缺陷，缺陷部位对应的声时加大、声速同；桩身有缺陷，缺陷部位对应的声时加大、声速降低。降低。频率：超声波脉冲穿过混凝土时，各频率成份声波频率：超声波脉冲穿过混凝土时，各频率成份声波衰减程度不同，高频部分衰减大，因而接收信号的衰减程度不同，高频部分衰减大，因而接收信号的主要频率向低频端漂移，桩身有缺陷，接收的频率主要频率向低频端漂移，桩身有缺陷，接收的频率明显降低。明显降低。波幅：桩身有缺陷，接收的波幅降低离散性大；没波幅：桩身有缺陷，接收的波幅降低离散性大；没有缺陷时，波幅均匀。有缺陷时，波幅均匀。2727未采到波形原因分析检测声测管内有没有水，无水时声波接收不到，肯定没信号；换能器工作不正常，如果发射端坏掉，则听不到嗒嗒的发射声；桩声砼严重离析，声波能量很弱使得接收端接收不到信号；接头损坏2828经典波形2929影响砼波速原因龄期：规范规定，强度应达到设计值的70%，且不小于15MPa；粗细骨料属性：如果粗骨料的含量多且其波速高，则砼的波速也较高；砼强度等级。3030PSD计算PSD是判定桩类别的一个重要指标，它表示声时变化的平方与距离之比PSD是一个非常敏感的指标，任何缺陷的变化，都会使PSD发生大的变化使用PSD时可以克服由于管斜而造成声速无法使用的情况，因为PSD对应的距离为测点间距，管斜不会累加但是，对PSD变化多少，它相应的情况是怎样？3131桩身夹层PSD计算假设在夹层中的波速为3500m/s，正常波速为3800m/s，测点距为20cm，管距为0.8m，该处的PSD?3232桩身夹层PSD计算（续）3333桩身空洞PSD计算空洞半径15cm,测点间距20cm，管距0.8m，正常砼波速3800m/s，空洞处声波绕形，按图计算PSD?3434桩身空洞PSD计算（续）3535桩身蜂窝PSD计算蜂窝直径15cm，管距0.8m，测距20cm，正常波速3800m/s，在蜂窝中波速为2500m/s，假设波穿过蜂窝，计算PSD?3636桩身蜂窝PSD计算（续）3737波速临界值确定将所测得的声速vi按从大到小依次排列；对从0开始遂一去掉vi序列中最小值后的数据进行统计，当去掉最小数值后的数据个数为k时，对余下v1vn-k按公式进行统计；将vn-k与异常判断值v0进行比较，当vn-kv0Vo即为异常值3838波速临界值算例39394040波速计算若表格中将管距改成若表格中将管距改成800mm800mm，声时不变，计，声时不变，计算各测点的声速值。从算各测点的声速值。从中可以得到管距变化对中可以得到管距变化对声速的影响。声速的影响。测点测点 声时声时usus声速声速m/sm/s1 1225.6225.6354635462 2237.6237.6336733673 3238.4238.4335633564 4239.2239.2334433445 5248.0248.0322632266 6240.0240.0333333334141波幅临界值计算平均值：Am=105；最小值Amin=98根据公式所以，2点为异常点4242PSD计算4343典型工程一：福州闽江某大桥，基础采用冲钻灌注桩，持力福州闽江某大桥，基础采用冲钻灌注桩，持力层为微风化花岗岩，入岩层为微风化花岗岩，入岩5 5米，水下混凝土，砼强米，水下混凝土，砼强度度C35C35，桩径，桩径2800mm2800mm，桩长，桩长63m63m。埋设。埋设4 4根声测根声测管，检测管，检测6 6个剖面，经声波透射法检测，发现在个剖面，经声波透射法检测，发现在50.2m-51.2m50.2m-51.2m处处ABAB、BCBC、BDBD剖面声速和波幅明显剖面声速和波幅明显异常，局部有缺陷；异常，局部有缺陷；57.2m-62.0m57.2m-62.0m处处6 6个剖面声速个剖面声速和波幅明显异常，声速只有和波幅明显异常，声速只有2000m/s2000m/s多一点，多一点，PSDPSD判据突变，应该存在严重缺陷，为判据突变，应该存在严重缺陷，为类桩。详见波类桩。详见波形波列图。形波列图。444445454646 为验证声波透射法的结论并查明原因，决定为验证声波透射法的结论并查明原因，决定对该桩进行钻孔验证。钻孔位置如下图所示，对该桩进行钻孔验证。钻孔位置如下图所示，A A孔距离桩中心点约孔距离桩中心点约80cm80cm，B B孔、孔、C C孔离桩中心点孔离桩中心点约约90cm90cm。经钻芯法表明：。经钻芯法表明：A A孔在孔在0 062.7m62.7m芯样完整、连续，芯样完整、连续，62.7m62.7m处芯样处芯样底部不平整，斜交于桩身，在底部不平整，斜交于桩身，在62.762.763.0m63.0m处钻处钻进突然加速，无法取出芯样，为流沙。进突然加速，无法取出芯样，为流沙。B B孔在孔在0 057.4m57.4m芯样完整、连续，在芯样完整、连续，在57.4m57.4m处钻处钻进突然加速，在钻杆的自重作用下，钻杆下去了进突然加速，在钻杆的自重作用下，钻杆下去了5.3m5.3m，孔口涌出大量泥沙，该段没有芯样。，孔口涌出大量泥沙，该段没有芯样。C C孔在孔在0 051.3m51.3m芯样完整、连续，在芯样完整、连续，在51.3m51.3m处钻处钻进突然加速，孔口涌出大量泥沙，钻进无法继续。进突然加速，孔口涌出大量泥沙，钻进无法继续。后经查实，该桩在首灌时混凝土面上升异常，后经查实，该桩在首灌时混凝土面上升异常，本来应该上升本来应该上升4m4m结果上升了结果上升了6m6m，与检测基本相，与检测基本相符。符。4747根据钻芯法和声波透射法两种检测根据钻芯法和声波透射法两种检测方法的检测结果，可以大致模拟出该桩方法的检测结果，可以大致模拟出该桩的大体情况，即在的大体情况，即在51.351.352.552.5处处B B管附管附近局部夹有泥沙，在近局部夹有泥沙，在57.3-63m57.3-63m处桩中央处桩中央有半径为有半径为1m1m左右的圆柱形混凝土，左右的圆柱形混凝土，1m1m以外以外1.4m1.4m以内的环状泥沙带，桩底与微以内的环状泥沙带，桩底与微风化花岗岩呈锥形接触。风化花岗岩呈锥形接触。从钻芯法看，虽然该桩存在严重缺从钻芯法看，虽然该桩存在严重缺陷，但桩中央基本完整连续。而声波透陷，但桩中央基本完整连续。而声波透射法表明，该桩在射法表明，该桩在57.2-62.0m57.2-62.0m存在严重存在严重缺陷，甚至可以说是断桩。从以上事实缺陷，甚至可以说是断桩。从以上事实表明，对于超大直径桩，虽然声波透射表明，对于超大直径桩，虽然声波透射法检测的所有剖面都显示严重缺陷，但法检测的所有剖面都显示严重缺陷，但我们在文字描述上最好加上局部两个字，我们在文字描述上最好加上局部两个字，否则可能给我们检测单位带来不必要的否则可能给我们检测单位带来不必要的麻烦。麻烦。4848典型工程二：福州乌龙江某大桥福州乌龙江某大桥H9-1H9-1桩，基础采用（冲）桩，基础采用（冲）钻孔灌注桩，桩径钻孔灌注桩，桩径1200mm1200mm，桩长，桩长41.541.5米，桩端米，桩端持力层为微（中）风化花岗岩，桩身材料采用持力层为微（中）风化花岗岩，桩身材料采用C25C25砼。采用声波透射法检测却发现，在离桩顶砼。采用声波透射法检测却发现，在离桩顶3.4-3.4-4.0m4.0m处波形严重畸变，首波判断较为困难，声速、处波形严重畸变，首波判断较为困难，声速、波幅明显偏低，波幅明显偏低，PSDPSD值突变，判断该处局部有明显值突变，判断该处局部有明显缺陷，为缺陷，为类桩。而采用低应变法检测，并且在两类桩。而采用低应变法检测，并且在两个不同位置分别试验，实测速度曲线附图，曲线显个不同位置分别试验，实测速度曲线附图，曲线显示，桩底反射较明显，在离桩顶示，桩底反射较明显，在离桩顶3-4m3-4m附近有一轻附近有一轻微反射信号，依规范规定，宜判为微反射信号，依规范规定，宜判为类桩。类桩。4949 H9-1#H9-1#桩声波透射法检测曲线桩声波透射法检测曲线5050 H9-1#H9-1#桩低应变法实测速度曲线桩低应变法实测速度曲线（在两个不同位置）（在两个不同位置）5151为验证缺陷的严重程度，后为验证缺陷的严重程度，后经多方协商决定开挖验证，经开经多方协商决定开挖验证，经开挖发现在挖发现在3.5-4.0m3.5-4.0m附近混凝土松附近混凝土松散，局部夹泥，经简单处理便可散，局部夹泥，经简单处理便可挖出一大洞，详见下图，由此可挖出一大洞，详见下图，由此可见其严重性。如果没有声波透射见其严重性。如果没有声波透射及时检测发现，会留下巨大的安及时检测发现，会留下巨大的安全隐患，将来可能发生重大的质全隐患，将来可能发生重大的质量事故。对于大直径灌注桩，由量事故。对于大直径灌注桩，由于浅部缺陷局部三维效应和表面于浅部缺陷局部三维效应和表面波影响，利用低应变法检测往往波影响，利用低应变法检测往往会漏判、误判，对有怀疑的桩，会漏判、误判，对有怀疑的桩，宜采用声波透射法复核验证，以宜采用声波透射法复核验证，以确保安全。确保安全。5252典型工程三：莆田某大桥，基础采用冲钻孔灌注桩，桩身材料采莆田某大桥，基础采用冲钻孔灌注桩，桩身材料采用用C30C30砼，桩径砼，桩径800-2500mm800-2500mm，桩长，桩长14-30m14-30m不等，总不等，总桩数桩数9696根，采用声波透射法检测，前三次共检测了根，采用声波透射法检测，前三次共检测了3636根，检测发现了根，检测发现了6 6根存在较明显缺陷的桩，缺陷桩比例根存在较明显缺陷的桩，缺陷桩比例偏高。经开挖或钻芯法验证，基本验证了结论的准确偏高。经开挖或钻芯法验证，基本验证了结论的准确性。由于及时检测发现了这批存在明显缺陷的桩，施性。由于及时检测发现了这批存在明显缺陷的桩，施工单位及时调整施工工艺并采用不同方式的补强方式，工单位及时调整施工工艺并采用不同方式的补强方式，后面检测的桩基质量明显好转。为顺利完成大桥的施后面检测的桩基质量明显好转。为顺利完成大桥的施工提供了保证。工提供了保证。535354545555565657575858几点经验：一是要坚信声波透射法的准确性，坚决反对利用低应变复一是要坚信声波透射法的准确性，坚决反对利用低应变复核超声波的可笑做法。经过无数次的开挖和钻芯验证都已经证核超声波的可笑做法。经过无数次的开挖和钻芯验证都已经证明其准确性，要善于把握现场第一手资料的可靠性。明其准确性，要善于把握现场第一手资料的可靠性。二是对于存在较明显缺陷的超大直径桩，宜在缺陷描述上二是对于存在较明显缺陷的超大直径桩，宜在缺陷描述上加上局部两字。一般来说，超大直径桩出现桩身质量问题时，加上局部两字。一般来说，超大直径桩出现桩身质量问题时，往往桩中央那部分是好的。所以采用钻芯法验证时，不宜在桩往往桩中央那部分是好的。所以采用钻芯法验证时，不宜在桩中间开孔钻芯。中间开孔钻芯。三是对单位工程的桩基声波透射法检测，刚开始检测时宜三是对单位工程的桩基声波透射法检测，刚开始检测时宜从严判别，并建议开挖或采用钻芯法验证，以指导进一步改进从严判别，并建议开挖或采用钻芯法验证，以指导进一步改进施工工艺和加强队伍管理。施工工艺和加强队伍管理。四是因声测管堵管导致检测无法进行的，应在报告中予以四是因声测管堵管导致检测无法进行的，应在报告中予以体现，并标注检测区间，以免承担不必要的责任。体现，并标注检测区间，以免承担不必要的责任。五是对于摩擦桩，桩底出现局部明显缺陷时，可依据设计五是对于摩擦桩，桩底出现局部明显缺陷时，可依据设计的要求，从宽判别。对于浅部有缺陷桩，应从严判别，因为浅的要求，从宽判别。对于浅部有缺陷桩，应从严判别，因为浅部是受竖向抗压和水平抗弯最直接的部位。部是受竖向抗压和水平抗弯最直接的部位。5959推荐参考书：基桩检测人员上岗考试题库 作者：姜卫方，高飞编著 6060谢谢！再见6161