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声波检测技术在桩基完整性检测中的应用
张立平
一. 声波透射法检测混凝土灌注桩的几种方式
　　按照声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，声波透射法检测混凝土灌注桩，可分为三种方式：
1．桩内跨孔声波透射法
　　首先在桩内预埋两根或两根以上的声测管，将发射、接收换能器分别置于两个声测管中（如图1-1所示）。检测时声波由发射换能器发出穿过两声测管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效的声测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所覆盖的面积。根据两换能器高程的变化又可分为平测、斜测、扇形扫测等方式。

图1-1
　　另外当采用钻芯法检测大直径灌注桩桩身完整性时，可能有两个以上的钻芯孔。如果我们需要进一步了解两钻孔之间桩身混凝土质量，也可以将钻芯孔作为收、发换能器通道进行跨孔声波透射法检测。
2．桩内单孔折射波法
　　在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如钻孔取芯后，我们需要进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可以采用单孔检测法（如图1-2）。此时，换能器置于一个孔中，换能器间用隔声材料（或采用专用的一发双收换能器）。声波从发射换能器发出经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水到达两个接收换能器上，从而测出声波沿孔壁混凝土传播的各项声学参数。

图1-2
　　单孔折射波法检测时，由于声传播路径较跨孔法复杂得多，须采用信号分析技术，当孔道中有钢质或其它套管时，不能采用此种方法。
　　单孔测试时，有效检测范围一般认为是一个波长左右（8～10cm）
3．桩外跨孔声波透射法
　　当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔道作为检测通道，由于声波在土中衰减很快，因此桩外孔应尽量靠近桩身。检测时在桩顶面放置一发射功率较大的发射换能器，接收换能器桩外孔中自上而下慢慢放下，声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与混凝土之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射声波的声学参数。当遇到断桩或夹层时，该处以下各点声时明显增大，波幅急剧下降，以此为判断依据（如图1-3所示）。这种方法受仪器发射功率的限制，可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩径等缺陷，另外灌注桩桩身剖面结合形状不规则，给测试和分析带来困难。

图1-3
　　以上三种方法中，桩内跨孔超声波透射法是一种较为成熟可靠的方法，是声波透射法检测灌注桩混凝土质量的最主要的方法，另外两种方式在检测过程的实施、数据分析上均存在不少困难，检测方法的实用性及检测数据的可靠性均较低。
    基于上述原因，《规范》将声波透射法的适用范围规定为适用于已埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测，即适用于桩内声波跨孔透射法检测桩身完整性。
三. 混凝土声学参数与检测
　　结构混凝土在施工过程中常因各种原因产生缺陷，尤其是混凝土灌注桩，由于施工难度大、工艺复杂、隐蔽性强，混凝土硬化环境及成型条件复杂，更易产生空洞、裂隙、夹杂物、局部疏松、缩径等各种桩身缺陷，对建筑物的安全和耐久性构成严重威胁。
　　声波透射法是检测混凝土灌注桩桩身内部缺陷评价其完整性的一种有效方法，当声波经混凝土传播后，它将携带有关混凝土材料性质、内部结构特征等有关信息，准确测定声波经混凝土传播后的各种声学参数的量值及变化，就可以推断混凝土的性能、内部结构完整性与组成等情况。
　　目前，超声法检测灌注桩质量的方法已列入许多检测规范中。
　　作为全国性的规范有：
　　① 建设部行业标准《建筑基桩检测技术规程》JGJ 106-2003
　　② 中国工程建设标准化协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21：2000
　　③ 交通部行业标准《公路工程基桩动测技术规程》JTG/T F81-01—2004
　　在混凝土质量检测中常用声速、波幅、频率声学参数以及波形。
1．声学参数与混凝土质量的关系
　　声波在混凝土中传播速度是混凝土声学检测中的一个重要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，与混凝土内部结构（是否存在缺陷及缺陷程度）有关。这是利用声速进行混凝土测强和测缺的理论依据
1.1．接收声波波速与混凝土质量的关系
　　声波在混凝土中传播的波速反映了混凝土的弹性性质，而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此在混凝土声速与强度之间存在相关性。另一方面，对组成材料相同的构件（混凝土），其内部越密实，孔隙率越低，其声波波速越高，强度也越高。因此，构件（混凝土）的强度与声速之间亦应有相关性。但是，混凝土材料是一种复合体，其强度与声速的关系受到混凝土材料性质、配合比、龄期、硬化环境、施工工艺等多种因素的影响
　　声波在混凝土中传播，当混凝土中存在异物（夹泥、蜂窝）及漏振不密实区（如空洞、加泥等）时，由于混凝土与缺陷部位的特性阻抗相差悬殊，界面的声反射系数近于1，因此声波很难穿透混凝土/缺陷区域界面。由于低频超声波漫射的特点，声波又将沿缺陷边缘传播（如图3-1所示），声波在缺陷边缘处会产生折射、绕射、反射，使声测线（声波路径）拉长，所测得的声时要比正常混凝土声时要增大，在计算混凝土声速时，我们总是以换能器之间的直线距离L作为声传播距离，结果有缺陷处的计算声速（视声速）就降低。

有时混凝土内部缺陷是由较为疏松的材料构成（例如漏振等情况形成的蜂窝、孔洞或配料错误形成的低密实区），由于这些部位的声速要比正常混凝土声速低，也会使得这些测点的声时加大。在这种情况下，声波分为两条路径传播：一是绕过缺陷分解面传播；二是直接穿过低声速材料。无论那种情况，在该处的声时都会比正常部位长。因为，我们是以首先到达的波（首波）为准来读取声时值，总之，在缺陷部位测得的声速要比正常部位的声速小。
1.2．接收声波波幅与混凝土质量的关系
　　接收波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的重要指标。一般认为，接收波幅的强弱与混凝土粘塑性有关。接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土声波衰减的原因可知，在混凝土中存在低强度区、离析区以及夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使得接收波波幅明显下降。波幅值可以直接在接收波上观测到（数字式超声仪可以直接显示波幅值），测量时通常以首波（接收信号前半个周期）的波幅为准。后续波往往受其它叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与被测构件的耦合条件影响较大，在灌注桩检测中，在声测管中注满水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使换能器在管中处于居中位置，因此应在换能器上安装扶正器。
　　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更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一。
1.3．接收波频率变化与混凝土质量的关系
　　超声脉冲是复频波，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向低频漂移。其漂移的多少取决于衰减的严重程度。所以，接收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，使接收主频率明显降低。　
　　近年来随着数字式超声仪的问世，频率测量已普遍采用频谱分析的方法，它获得的频谱所包含的信息更为丰富、更为准确。
2．接收波形的变化与混凝土质量的关系
　　由于声波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，因而使接收波形成为许多同相位和不同相位的叠加波，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，其接收波形往往发生畸变，所以波形畸变程度可以作为判断缺陷程度的参考依据。

图3-2
　　超声波穿透正常混凝土和有缺陷的混凝土后接收波波形特征如下：
声波透过正常混凝土后的波形特征（图3-2a）
　　①首波陡峭，振幅大；
　　②首波的后半周即达到较高振幅，包络线为半圆形；
　　③首波（第一个周期的波）波形无畸变。
声波透过缺陷混凝土后的波形特征（图3-2b）
　　①首波平缓，振幅小；
　　②首波的后半周振幅增大不明显；包络线呈喇叭形；
　　③第一、二周期的波形有畸变；
　　④当缺陷严重且范围大时，无法接收到波形。
    导致波形畸变的因素很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，如换能器本身振动模式复杂，换能器性能的变化（比如老化）、耦合状态的不同都会导致波形的畸变。此外，后续波是各种不同类型波形的叠加，同样会导致波形的畸变，因此，观察波形畸变程度应以初至波（接收的第一、第二周期的波形）为主。
　　由于声波在混凝土中传播过程是一个相当复杂的过程，目前 对波形畸变的分析尚处于经验阶段，有待进一步研究。
3、判断混凝土质量的几种声学参数的比较
3.1  声速：
    声速的测试值比较稳定、重复性较好，受非缺陷因素影响较小，在同一根桩的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同桩之间可以相互比较，是判定混凝土质量的主要参数，但声速对缺陷的敏感度不及波幅。
3.2  接收波的波幅
接收波波幅通常指首波波幅，即第一个波的前半周期的幅值（图3-1中C点），在发射波强度一定的情况下，波幅值的大小直接反映了超声波在混凝土中传播衰减的情况，波幅对缺陷很敏感，是判断混凝土质量的另一个重要参数。但波幅的测试受仪器设备性能、换能器耦合状态以及测距等诸多因素影响，目前只能作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下的相对比较，在同一根桩的不同剖面或不同桩之间不具备可比性。
3.3  接收波的主频
    接收波主频的变化能够反映声波在传播过程中的衰减状况。超声脉冲信号是复频波，在传播过程中，其高频成分衰减（被吸收、散射等）大，主频逐渐向低频方向漂移，但主频的变化也受测距的影响，因此在不同剖面不同桩之间的可比性不大，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，因此目前主频指标只用于辅助判定混凝土质量。
3.4  接收波的波形
    接收波形也是反映混凝土质量的一个重要信息，它对混凝土内部的缺陷也很敏感，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参考信息。
4、声学参数的检测
    原始信息采集的准确性是保证检测结果准确可靠的必要前提，因此掌握正确的信号采集方法至关重要。
4.1  声时（声速）检测
混凝土声速是间接测量量，它是通过测量声波在混凝土中传播的时间（t）及在混凝土中传播的距离（l）通过计算而间接得到的，因此声速测量技术的关键取决于声时和测距的测试（排除各种影响因素的干扰）。
                                                                                  V=l/t
式中：
    V—声速(m/s)。
    l—测距(m)，即声波传播的距离。
    t—声时(s)，即声波传播距离l所需的时间。
    声波在介质中传播一定的距离所需要的时间称为声时。为了准确地测读声时，必须注意一下几点：
    a) 接收信号起点读数的确定
    超声仪以一定强度的高压脉冲激励发射换能器（传感器），发射换能器将电信号转换为声波信号，声波经混凝土传播后被接收换能器接收，并将声信号转换为电信号，由超声仪进行信号的采集及分析处理。
声时测读就是测量从发射开始到出现接收波形所经过的时间t（如图3-1）。为了测量这段时间，仪器从激励发射换能器开始计时（图3-1中a点），直到接收换能器接收到首波时停止计时（图3-1中b点）。问题的关键在于如何确定首波出现的时刻。

图3-1                                                      图3-2
在测量声速时，是以传感器间的直线距离（即最短距离）作为声速计算的测距，所以也应以最先到达的波作为测读声时的依据。由图 3-1可见，接收信号的前沿b点的声时读数代表声信号到达接收换能器的最短时间，只有b点读数才能与最短声程（测距）相对应，作为声速计算的声时。
    当接收信号很弱（图3-2）或仪器本身噪声过大时，要准确读取b点的时间读数并不是很容易的。
为了准确地找到首波起点（b点），在测度时要尽可能使接收信号幅值调节到足够大或调节到屏幕一定的高度，以保证首波起点陡峭，避免丢波或误判。
    b) 系统延迟零读数问题
    我们所关心的声时是声波穿过被测构件（混凝土）的时间t，而无论何种超声仪，采用何种测读方式，未经调零的仪器所显示的时间都是由发射到接收这两个电信号之间的时差t1。即仪器测读的时间除声波在混凝土中传播的时间t外，还包括了以下几部分：
        ●  电延迟时间(仪器内部电路及信号线)
        ●  电声转换时间(传感器)
        ●  声延迟时间
    换能器辐射出的超声波并不是直接进入被测物体，而是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，然后才进入被测体的。接收过程也是类似。超声波在这些介质中传播需要花费相当的时间，这些时间统称为声延迟。
    这三部分延迟构成仪器测读时间t1与超声在被测介质中传播时间t的差异。这三部分中声延迟所占比例最大。我们将这些延迟称为零读数t0（即零声时）。由于t0的存在造成了仪器测读时间t1大于声波在被测介质中实际传播的时间t（即t1＝t+t0 ）。
    在计算声速V时，t（t＝t1-t0）是计算依据，因此只要将零声时t0测试出来问题就迎刃而解。
零声时t0的标定方法可以采用以下两种方法:
        ● 时距曲线法：该部分在规范中已介绍。
        ● 直接对测法：
    一般认为，只要将发射与接收传感器直接耦合即可读出t0。即当测距为零时，声时也应当为零。
在声波透射法测桩时，我们可以取两根约长约40cm左右与现场工程桩中声测管相同的管材，将两根管并排放在装满水的水桶中，将径向换能器放入声测管中，保持传感器在声测管中心（如图3-3所示），使其满足两声测管之间测距为零的条件，即L=0。此时，读测的声时应为零，即t应等于零。

图3-3
    如果此时测读的声时不为零，那么这时测读的声时值即为零声时t0（包括电信号在电路、信号线中消耗的时间及声波在水、声测管管壁、传感器壳体等介质中传播的时间），对于数字式超声仪只要将零声时输入到仪器中，仪器就可以自动扣除t0的影响，直接给出声波在混凝土中传播的声时值t，用于计算混凝土声速。
    不同的仪器、传感器、信号线及耦合条件下，零声时是不同的，一般在几微秒至几十微秒之间。在测试过程中，当上述条件之一发生变化时，都要重新进行零声时的测读。
    c) 影响声速测试值的因素
    在测试结构混凝土声速时，所测得的介质声速受到一些因素的影响，在要求准确测量声速值的场合，应考虑这些影响因素，并加以避免或修正。
    ●  振幅大小的影响
    在测读时，接收信号的振幅大小对测量结果有影响，当接受信号振幅大时，接收波前沿陡峭，读测的声时较小，计算出的声速较高；当振幅较弱时，接收波前沿平缓，测得的声时较大，计算出的声速较低。
    ●  频率的影响
    由于混凝土检测中可能使用不同频率的换能器，一般情况下在短距离使用较高频率，大距离测量时使用较低频率。从大量试验研究资料看，在50kHz～100 kHz范围差别甚微，但所采用的频率变化范围再大，则影响较为明显。从频率影响这一角度出发，不宜过多变化所用频率，高频段不宜超过100 kHz，低频段视测距需要而定，若使用30 kHz以下的频率，则应考虑声速值修正问题。
    ●  传感器的选择
    鉴于超声波在混凝土中传播有明显的衰减现象，所以采用的超声脉冲频率不宜太高，传感器的频率应随测试距离的增大而降低。同时为了考虑声波传播时的边界条件，所选频率还应与被测试体的横截面尺寸相适应。在测量混凝土纵波声速时，应选择适当的频率，使波长不大于测试距离的1/2及横截面尺寸的1/2（见表一），专家建议按下式选用。
                                                    λ/l≤0.25～0.30      
    式中：λ为波长（λ＝v/f）、l 为测试距离。

 4.2  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的参数，波幅的测量是对接收波首波波峰大小的测量。目前在波幅测量中一般都采用分贝（dB）表示法，即将测点首波信号的峰值a与某一固定信号量值a0的比值取对数后的量值定位该测点波幅的分贝（dB）值，表示为Ap＝20log（a/a0）。
    ●  模拟式仪器的波幅测量
    由于模拟仪器采用示波管显示的模拟波形，无法量化，因此只能用衰减器的衰减值表示信号的幅度值。
    ●  数字式仪器的波幅测量
    在数字式仪器中，由于数字化信号的屏幕波幅可以量化，因此通过调整放大衰减系统，只要满足信号首波幅度不超满屏的条件，即可由仪器内部软件自动判读出首波波峰幅值并计算出接收到的原始信号值。波幅的量值是放大器的增益（dB）值、衰减器的衰减（dB）值和屏幕显示波形的屏幕量化（dB）值的综合值，这样大大提高了波幅测量的动态范围。
    数字式超声仪的波幅测量有自动判读和手动判读两种方式，在绝大多数情况下均可使用自动判读的方式。检测时要注意同时观察屏幕波形，如果屏幕显示的自动判读光标所对应的位置与首波波峰（或波谷）有差异时，应重新采样或改为手动游标判读。
    ZBL-U5系列非金属超声仪在首波声时自动判读的同时，完成波幅的自动判读，并在屏幕上给出自动判读游标，便于用户即时观察自动判读点的位置。仪器自动记录各个测点的波幅。
4.3  频率检测
    对接收波形主频进行测量，通常采用以下两种方法：
    ●  模拟式仪器通常采用周期法，即利用频率与周期的倒数关系，通过测量周期计算出接收声波信号的主频。
    ●  数字式超声仪一般采用频谱分析的方法，更精确地测试接收声波信号的主频。
4.4  波形记录
    在声波传播过程中遇到混凝土内部存在缺陷、裂缝或异物时会使接收波形发生畸变，因此，对接收波形的分析与研究有助于对混凝土内部质量即缺陷的判断，模拟仪器的波形记录只能用屏幕拍照的方法，数字式仪器可将波形以数字方式记录并存储在仪器中，可以随时回放、显示、调用并打印出波形图，还可以波列方式在一屏内显示波列图，更直观地显示声参数的变化情况。