超声波透射法在混凝土基桩检测中的影响因素.pdf

总第 1 期 超声波透射法在混凝 土基桩检测 中的影响 因素 超声波透射法在混 凝土基桩 检测 中的影 响因素 欧阳华林 ， 陈 刚， 袁立宏 ， 杜小峰 ( 铁道部产品质量监督检验中心桥梁与基础检验站， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘 要 ： 介 绍超 声波透射法检测技 术的基本 原理 ， 桩身 混凝土缺陷对声学参数的影响， 以及超声波透射法在检测工 作 中存在 的影响 因素 。 关键词： 超声波透射法； 检测； 桩基； 完整性； 影响 1 前言 近年来 ， 随着铁路 、 公路桥梁工程基础建设 的迅 速发展和高层建筑的普及使用， 超长 、 大直径灌注桩 在基础设计 中被普遍采用。目前无损检测灌注基桩 完整性的主要方法有低应变反射波法和超声波透射 法。低应变反射波法检测桩身完整性常受到浅部盲 区、 多缺陷和桩长过长等限制， 无法检测出桩身浅部 缺陷 、 多个缺陷。而超声波透射法可以克服上述所 有问题 ， 且超声波透射法机理 明确 、 设备简单 、 使用 方便 、 数据直观明了及检测准确可靠， 能定性、 定量 地检测基桩桩身完整性 、 均匀性 ， 广泛应用于公路、 水利 、 建筑 、 铁路等领域。 2 检测原理 超声波透射法检测技术的基本原理是在混凝土 介质中激发一定频率 的弹性波 ， 该弹性波在介质 中 传播时 ， 遇到混凝土介质缺陷会产生反射 、 透射 、 绕 射 ， 由接收换能器接收波形 ， 对声时、 波幅 、 频率及波 形特征进行分析， 从 而判 断混凝土基桩 的完整性及 缺陷的性质 、 位置及范围。 声波在混凝土中传播的速度是有一定 范围的， 当传播路径遇到混凝土有缺陷时如断层 、 裂缝、 夹泥 和密实度差等 ， 声波要绕过缺陷或在传播速度较慢 的介质中通过 ， 声波将发生 衰减 ， 造成传播 时间延 长 ， 使声时增大 ， 计算声速降低 ， 波幅减小 ， 主频减 小 ， 波形畸变， 利用超声波在混凝土 中传播的这些声 学参数的变化， 可分析判断桩身混凝土质量 。 3 桩身混凝土缺 陷对声 学参数的影响 目前 ， 在跨孔声波透射法检测中常用 的声学参 数为声速 、 波幅、 频率以及波形。基桩桩身混凝土缺 陷对各个声学参数均有不同程度 的影 响， 各个声学 参数 的变化与缺陷具有一定的相关性 。 3 1 缺陷对声波波速的影响 声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性性 质有关 ， 也与混凝土 内部结构是否存在 缺陷以及缺 陷程度有关 。当声波在传播 路径上遇到离析 、 空洞 或者夹泥等缺 陷时 ， 由于缺陷介质的声 阻抗与混凝 土介质的声阻抗存在较大的悬殊 ， 根据机械波 的传 播规律 ， 超声波将在混凝土与缺陷 2种 介质界面上 出现反射 、 折射 、 漫反射及绕射等现象 。由于折射 、 漫反射及绕射 的声波传播路径都要 比直线传播的路 径长 ， 导致初至波到达接收换能器 的声 时比经过正 常混凝土传播 的时间要长 。以换能器间的直线距离 作为传播距离时 ， 有缺陷检测截面的计算声速( 视声 速) 就减小 。 3 2 缺陷对声波波幅的影响 声波在混凝土介质 中传播的过程是一个能量不 断衰减 的过程 ， 对于波阻抗越大的介质， 声波能量衰 减就越快越 明显。声波波幅值是表征声波穿过混凝 土后能量衰减程度的指标之一。声波波幅的强弱与 混凝土的黏塑性有关l 】 。接收波波 幅值越低 ， 说 明 混凝土对声波的衰减就越大。如果混凝土 内存在不 连续或破损界面时 ， 缺 陷面形成波阻抗界面， 波到达 该界面时 ， 产生波的透射和反射 ， 使接收到的透射能 量明显降低。根据混凝 土中声波衰减 的原 因可知， 当混凝土中的低强度区、 离析区以及夹泥、 蜂窝等缺 陷位于超声波传播路径上 时， 该 区域对声波能量的 吸收衰减和散射衰减增大 ， 当声波经过该 区域后 ， 接 收波波幅会明显下降。声波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 它也是判断缺陷的重要参 数之一 。另外， 波幅受换 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 1 0 3 作者简介 ： 欧 阳华林 ( 1 9 6 2 一) ， 男 高级工程师 ， 1 9 8 5年毕业于武汉理工大学硅工系 ， 工学学士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 桥梁检测与加固 2 0 0 8年第 1 期 能器的耦合条件影响较大， 通过水 的耦合一般 比较 稳定 ， 且最好使换能器处于声测管居 中位置。 3 3 缺陷对声波频率的影响 用于基桩跨孔超声波透射法检测的声波脉冲是 具有一定频率 范 围的复频波 ， 具有多种频率成 分。 对于相 同的介质各个频率成分的声波脉冲衰减系数 不一样 ， 而对于不 同的传播介质相 同的频率成分 的 衰减系数也不一样。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 比低频部分波长要 短 ， 穿透能力较差 ， 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 。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 ， 由于高频波成分衰 减严重 ， 使接收波主频率 明显降低E 。另外还将伴 随接收波波形 的畸变。所以， 通过接收波主频的量 值变化 ， 可以分析判断缺陷产生的区域和严重程度 。 3 4 缺陷对声波波形的影响 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， 使得各 波束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 。所以， 波形畸变程度可以作 为判断缺陷程度 的参考依据 。声波透过正常混凝土时接收波形有以 下特征 ： 波形规则 ， 显示很好的包络图， 无 畸变 ； 首波 陡峭， 振幅大； 频率高， 衰减慢。而透过 有缺陷区域 的混凝土后 ， 接收波波形 的特征为 ： 波形畸变不规则 ； 首波平缓 ， 振 幅小 ； 频率低 ， 衰减快 ； 当缺陷严重且范围较 大时， 无法接 收到 波形 1 l 。 4 超声波透射法检测的影响 因素 超声波透射法检测桩身完整性 ， 主要是通过测 量并分析超声波透过测距 内桩身混凝土的声学参数 来 了解混凝土质量 ， 但是 由于地质情况、 施工单位经 验 以及施工工艺 的影响 ， 在实际检测 中会有很 多引 起误判 的客观因素 ， 这些因素与混凝土本身无关 ， 但 又对检测带来一定的影响。作为从事检测工作的技 术人员必须熟悉影响检测数据 的主要因素， 在检测 和数据分析处理 中排 除这些影 响。其主要影 响因 素有 ： ( 1 )测距的影响。超声波透射法检测灌注桩之 前首先要测量一下桩顶两声测管外壁问的距离 ， 即 超声波透射法检测的测距。但由于预制钢筋笼和吊 装钢筋笼可能出现声测管偏移、 扭曲等情况 ， 很难保 证测管从上 自下保持完全平行 ， 尤其是在桩长达 3 O m 以上时。现场测量 的管距 与实际距离相差较大 将导致各剖面检测结果参数相差较大。管距测量精 度的高低直接影响声学参数测量的准确性 。因此在 预制和吊装钢筋笼时 ， 除了要求管子焊接顺直、 平行 外 ， 在现场还应进行管距的测量， 并结合检测数据和 设计文件对测距进行适当的修正。 ( 2 )耦合剂的影响。在桩基超声波透射法检测 过程 中， 在声测管中注清水作耦合剂 ， 耦合剂的好坏 直接影响接收波的声学参数。但在一些工程检测中 发现管中注的是泥水或者是污水 ， 经过一段 时间的 静置后 ， 泥水发生沉 淀， 使探头未能测试到管底 ， 影 响超声波的传播及接 收。在某大桥的水 中桩 ， 直接 注入污染的江水作声测管耦合剂， 则导致无法正常检 测， 当用清水置换管中污水之后 ， 检测得以顺利进行 。 ( 3 )声测管管接头的影响。中长桩埋设的声测 管往往需要 多节管子连接起来 ， 2节测管之 间的连 接往往采用套焊接而成， 也有用橡胶材料套接而成 的。检测时， 若换能器正好处在两管接头之处时， 就 会造成声时稍有增大 ， 声速下降不太明显 ， 但首波波 幅下降很明显。因此在检测和分析数据时 ， 深度 一 幅度曲线上如出现有规律 的波幅突变时， 应分析是 否是管接头的影响 2 l I 。 ( 4 )桩底声测管弯曲的影响。在预制钢筋笼 的 安装以及混凝土灌注过程中会造成声测管底部弯曲 变形 ， 使管距增大或变小 。有 时设计的桩底钢筋笼 直径缩小( 变径) ， 为了保证声测管的平直 ， 声测管要 穿到钢筋笼外侧 。如果不采取加 固措施则很容易使 声测管压弯或打折 ， 甚至折断。当桩底声测管弯 曲 时 ， 其他区域曲线基本正常， 桩底部分声速异常( 偏 高或偏低) ， 波幅总是 降低 。这是 由于声测管弯 曲， 使发射与接收换能器不再保持平行 ， 造成波幅降低。 由于桩底是缺陷易发生部位， 若声测管弯曲， 则根据 检测得到的曲线很难判定桩底是否存在缺陷 ， 很可 能发生漏判、 误判 ， 给工程 留下安全隐患。 ( 5 )泥浆护壁灌注桩泥浆比重过大的影响 。当 泥浆 比重过大时， 在局部声测管周 围可能会 附着一 薄层泥皮 ， 而泥皮的声阻抗远大于正常混凝 土的声 阻抗 。声波在两测管问传播 时， 将穿过泥皮 ， 会导致 声能的急剧衰减和声时的延长E 。当泥皮较薄时 ， 对声速影响不显著 ； 当泥皮较厚时 ， 将使首波声时明 ( 下转 第 6页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 桥梁检测与加固 2 0 0 8年第 1 期 式 中， 。 为设计 采用的冲击 系数 ； 1 为行车试验实 测的最大冲击系数； 为动力试验荷载效率 。 本次试验中， 动力试 验荷载效率为 0 1 l ， 实测 冲击系数最大值为 0 2 3 4 ， 根据式( 1 ) 有 ： 0 23 4 0 11 = = = 0 02 6 O 0 5 满足 公路 桥涵 设 计通 用规 范 ( J T G D6 0 2 0 0 4 ) 的要求 。 5结论 ( 1 )静力加载试 验表明， 主梁抗弯强度 和抗剪 强度满足设计要求 ， 卸载后残余应力较小 ， 表明结构 ( 上接 第 2页) 显增大 ， 波幅大大地下降， 严重时会 出现丢波现象 ， 有时还会造成首波误判 。 ( 6 )混凝土龄期影响。混凝土的凝结过程是混 凝土 自身 内部结构的一个致密 、 硬化过程。混凝土 龄期混凝土内部结构越致密 ， 强度越高 ， 弹性性质越 好 ， 声波在其中的传播速度也越快 ， 同时混凝土对声 能的衰减系数随龄期的增加而减小。但在硬化初期 声速很低 ， 与泥砂夹层难以区别。而且在硬化初期， 混凝土对声能的吸收系数较大， 信号较低 。经验证 明： 混凝土强度达到设计标号 6 0 以上时， 便能 明 确地判断存在的缺陷。 5 结语 处于弹性工作状态 。 ( 2 )主梁挠度校验系数均小于 1 ， 表明结构 的整 体刚度满足设计要求。 ( 3 )实测的主跨 竖向一阶频 率为 0 7 0 Hz ， 高 于计算值 ， 也高于按统计规律 的计算值 ， 说明它的竖 向刚度满足设计要求 。 ( 4 )跑车时大桥的最大振幅值为 0 4 8 mm， 小 于 公路桥梁承载能力检测评定规程 ( 报批稿) 的限 值 ， 也小于类似跨度斜拉桥的振幅。 ( 5 ) 实测大桥的冲击系数的最大值为 0 2 3 4 ， 考 虑动力试验荷载效率后为 0 0 2 6 ， 满足 公路桥涵设 计通用规范 ( J T G D6 0 -2 0 0 4 ) 的要求 。 但不论从检测手段、 数据判读还是数据的分析 ， 都存在一些尚需改进 的地方。如检测过程 中干扰波 会叠加到接收波形上 ， 容易造成首波识别误差 ； 声测 管的局部倾斜 ， 造成声测管平行部分和倾斜部分 的 首波初至产生差异 ， 导致误判 。现场检测技术人员 应该熟练掌握该种方法的检测 、 判断技巧， 除了必须 具备相应 的理论和一定的检测经验外 ， 还需注意 ： 分析各声学参量发生变化 的原因， 规避影响检测结 果的影响因素 ， 以避免误判 ； 波形 、 声速、 衰减三 参数法判断的综合应用是缺陷的基本判据和定量分 析 的依据 ； 对混凝土质量的完整性评价应综合考 虑各方面的影响因素 。结合现场施 工， 地质情况进 行分析判断， 避免出现漏判误判等质量事故 。 经过实践证 明， 超声波透射法为一种有效的基 桩完整性检测方法 ， 可以为设计优化提供强有力的 参考文献 ： 证据和参数 ， 促成施工工艺的合理化改进， 在保证工 E J T B 1 0 2 1 8 2 0 0 8 ， 铁路工程基桩检测技术规程 s 程质量的同时为最终缩短施工周期 、 节 约工程建设 2 罗骐先 桩基工程检测手册 M 北京： 人民交通出版 成本起到重要 的作用 。 社， 2 0 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m