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超声波在公路质量检测中应用
前言
随着我国基础建设迅速发展，桩基础已成为桥梁工程最常用基础形式。由于其成桩质量受地质条件、成桩工艺、机械设备、施工人员、管理水平等诸多因素影响，较易产生夹泥、断裂、缩颈、砼离析、桩底沉渣较厚及桩顶砼密实度较差等质量缺陷，危及主体结构正常使用及安全，甚至引发工程质量事故。因此如何测定缺陷位置，并准确地对其进行评价成为基桩质量检测一个核心问题。
上个世纪70年代起，超声波作为一种混凝土无损检测新技术引入建筑工程、岩土工程质量检测以及钢筋、混凝土等结构探伤。最初，超声波主要用于评价水泥混凝土或钢筋混凝土材料施工质量。近年来，随着公路、桥梁、隧道等结构物大量建设，超声波以无破损、易操作、速度快等特点在公路质昔检测中得到极为广泛应用。
随着国家西部开发战略使用，作为重要基础建设公路对保证其顺利进行越发显得重要。而在西部建设公路交通主骨架，首先面临就是公路隧道建设，与铁路隧道相比，公路隧道要求更多、更具体，伴随着大量公路隧道建成通车，传统检测办法还能不能进行隧道结构检测就成了新话题。如对隧道中衬体混凝土进行强度检测时，若按照传统破损检测办法进行，会对隧道结构造成不可挽回破坏；同时也无法保证评价所需最小样本数量，表明传统破损检测办法已无法用于隧道衬体强度检测中。
超声波在作为一项公路质量检测方法主要用于桥梁桩基础成孔质量、桩身、昆凝土完整性检测，水泥路面厚度、施工质量检测以及面层隐含裂隙探测，隧道开挖过程中松动圈探测、衬砌混凝土质量检测。论文主要介绍超声波原理及其在桥梁桩基、隧道施工中应用。
1 超声波法基本原理
声波测试基本介绍
众所周知，混凝土力学性质与声波在其中传播规律有着密切联系，这是声波探测力学参数测定问题物理前提。声波测试是弹性波测试方法中一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波传播理论上。该方法是以人工激振方法向介质（混凝土构筑物）发射声波，在一定空间距离上接受介质物理特性调制声波，通过观测与分析声波在不同介质中传播速度、振幅、频率等声学参数，解决工程中相关问题。采用此方法进行测定，最大优点是简便、快速、经济、便于重复测试，而且对测试物体无破损等优点。
基本原理
超声波法检测基本原理是:由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波，并用高精度接收系统记录该脉冲波在砼内传播过程中表现波动特征；当砼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，产生波透射与反射，使接收到透射能量明显降低；当砼内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波散射与绕射；根据波初至到达时间与波能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以获得测区范围内砼密实度参数。测试及记录不同侧面、不同高度上超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内砼内部存在缺陷性质、大小及空间位置，并对砼总体均质性与完整性作出评价。
超声波检测
在基桩施工前，依桩径大小预埋一定数量声测管(一般采用钢管或镀锌管，底端封闭、顶端加盖)，作为换能器通道。测试时每2根声测管为一组，声测管内注满清水，通过水耦合，超声脉冲信号从一根声测管中换能器发射出去，在另一根声测管中换能器接收信号，测定有关参数并采集记录储存。发、收换能器同步向上提升进行检测，遇到异常时可采用水平加密、等差同步与扇形扫测等方法加密细测[6]。
图-1 检测装置示意图
声波是压缩波，即介质振动方向及波传播方向一致。声波波速取决于介质性质。越致密，则波速越高。
超声波电路主要是由反相器74LS04与超声波发射换能器T1构成，使用CPU内部PWM定时计数器输出40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C及U1E并联组成一级）后送到超声波换能器一个电极（T11脚）；另一路经两级反相器（U1D为第一级，U1B与U1A组成第二级）后送到超声波换能器另一个电极（T12脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器阻尼效果。
图超声波接收电路图
超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 专业芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试麻烦。当CX20106A接收到40KHZ信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接收到ARM外部中断引脚作为中断信号输出。
声波在传输过程中，能量会衰减，遇到“界面”时会折射与反射。声波衰减主要由于传递介质吸收，以及介质内散射以及扩散作用引起。由此可知，当声波检测作用于桩质量时，桩身材料特性就影响到声速传播。可归纳为：
a材料越密实，波速越高，材料强度越高；反之，则越低。
b材料越均匀，传播时能量衰减少，由空洞或不连续时，波速衰减厉害。
2 超声波法在桥梁桩基质量检测中应用
2.1 桩基检测介绍[2]
超声检测实质是振动(或波动)检测一种，它是用一组声波频率范围波输入桩身，并接收透射与反射后波，进行分辨，判定桩身质量。声波有很多种：
a次声波段 频率f<20Hz 可感觉
b声波 f=20~20000 Hz 可听到
c超声波段 ≥ 1~2*1010 Hz 听不见
桩基础多在地表以下，属于隐蔽工程，对其施工质量检测、缺陷类型与位置判断没有上部结易于检查与发现，这也导致基础存在隐患一个直接原因。因此工程建设中对桩基础质量检测要求较为严格。
图2.1-1 灌注桩成孔质量检测原理示意图
超声波法检测灌注成孑L质量包括桩孑L垂直度与断面形式两部分。检测时，发射传感器发出超声波遇到孑L壁产生反射，由接收传感器接收反射信号与相应时间差t，据此可计算得到传感器到孑L壁距离S：
（2.1-1）
式中V表示超声波传播速度。传感器沿孔中心线垂直提升，连续采集反射信号便可得到桩孔形状。
2.2 声测管
声测管是进行声测时换能器进入桩体通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统重要组成部分，其在桩内预埋方式及在桩横截面上布置形式将直接影响检测结果。因此，应将声测管布置与埋置方式标入检测桩设计图纸，声测管埋置数量及在桩横截面上布局应考虑检测控制面积。
在实测中常遇到声测管堵塞或卡住探头情况，这是由声测管安装不当造成。声测管一般随钢筋笼分段安装，每段之间接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接，保证在较高静水压力下不漏浆，接口内壁保持平整，安装完后封闭管口。
声测管安装不平行也是常见问题，由于在施工中钢筋笼容易出现扭曲变形而导致声测管位移甚大，因而导致检测声时值、均方差、离散系数、平均声速等产生偏离，可采用PSD法判断来消除这些非缺陷因素影响。声测管中浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减与延长传播时间，给声波检测带来误差。因此，检测前应冲洗检测管并灌满清水作为耦合剂[8]。
图2.2-1 声测管埋设及声波透射示意图
2.3 灌注桩成孔质量检测
影响声波传递因素[4] 、[7]
首先，钻孔灌注桩桩身混凝土是由多种材料组成非均质非单相多孔结构，在力学特性上是一种粘—弹—塑性凝聚体。因此，混凝土内部有着较大声阻抗差异并存在许多声学界面。超声脉冲波在混凝土中传播速度快慢，及混凝土密实程度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播路程增大，测得声时必然偏长或声速降低。
其次，由于空气声阻抗率远小于混凝土声阻抗率，超声脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射与散射，声能被衰减，其中频率较高成分衰减更快，因此接收信号波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播脉冲波信号及直达波信号之间存在声程与相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号波形发生畸变。根据上述原理，可以利用超声脉冲波在混凝土中传播时声学参数（声时、波幅、频率等）与波形变化综合分析、判别混凝土缺陷位置与范围，或者估算缺陷尺寸。
桩身混泥土缺陷判断方法
★ 概率法：
对同一根桩同一剖面声速、波幅、主频值进行计算与异常值判别。当某一测点一个或多个声学参数被判为异常值时，即为存在缺陷可疑点。
★ 斜率法：
用声时（）-深度（h）曲线相邻测点斜率k与相邻两点声时差值乘积Z，绘制Z-h曲线，根据Z-h曲线突变位置，并结合波幅值变化情况，可判断存在缺陷可疑点或可疑区域边界。
K=（）/()Z=k*=()2/() （2.3.2-1）
式中与分别代表相邻两点声时差与深度差。根据可疑点分布及数值大小综合分析，可以判断缺陷位置与范围，缺陷性质应根据各声学参数变化情况及缺陷位置与范围进行综合判断。
灌注桩完整性检测
完整性检测方法[1]、[3]
目前检测灌注桩完整性方法有低应变法、高应变法、超声波、放射性能量衰减法、开挖检查法取芯检查法等。其中，超声波法检测精度高、无盲区，且不受桩长、桩径限制，因此在混凝土桩基检测中得到广泛应用。我国2004颁布《公路工程基桩动测技术规程》明确要求：对一般工程，超声波法检测数量不少于50％，重要工程则要求100％检测率。
超声波法检测桩基时，可采用水平同步、高差同步与扇形测法，见图2.4.1系列图。根据发射传感器及接收传感器距离s，发射接收信号时间差确定这一部分混凝土波速，将实测波速及相应标号混凝土标准波速进行比较即可反映检测断面混泥土质量。下面介绍三种测试方法。
★ 平测法
图2.4.1-1 平测示意图
★ 斜测法
图2.4.1-2 斜测示意图
★ 扇形扫测法
图2.4.1-3 扇形扫测示意图
某桩基施工时在桩身预埋了3根声测管，需检测6个断面，其检测方法如下：
图2.4.1-4 超声波检桩示意图
实践中，一般取测点间距50cm，但在测速异常区应加密测点，并用综合使用三种测法以判断出缺陷位置与大小。必要时，结合钻芯法以确定缺陷类型，对灌注桩完整性进行合理判断。
由于灌注桩在混凝土浇筑过程中可能会发生离析、缩径、夹泥、蜂窝等缺陷，且不易直观发现。桩身混凝土质量直接影响桩基承载能力。据调查，国外有害缺陷损桩达到15％～20％，国内则达到20％左右。所以对其桩身完整陛检测就显得至关重要。
2.4.2 测试前准备工作
★ 必须对已成孔钻孔进行孔径、孔深检测。
★ 将簿壁黑铁管绑扎在钢筋笼上，违章正确。防止上下钢筋笼对接时错位。钢筋笼下沉后，上下分段焊接时，测声管也要焊接，防止焊接不当，下沉时，出现曲折，引起测声管不畅通。
★ 测声管端部应封口，防止砼灌注时进入声测管。
★ 砼龄期必须超过二周，最好达到养护期。
★ 测试前，应检查声测管是否畅通，并注满水。
★ 检查数字式声测仪是否正常。
如一发多收，发射头及接收头，可以在不同管内头部下沉，到底后，记录深度，再往上同步移动。如中间出现异常，可重点补测，发射及接收头子可以错位移动（斜向测试）。测完后，交换测管，保证二个声测管之间有实测记录。
如是单管,声探头有方向性，在完成一个剖面上、下各一次。测试后，应转一个90。再测，全段面需四个剖面。如有全断面扫描功能测试仪可不限。
完整性类别及分析
桩身均匀性按声速离散系数Cv分为A～D4级声速离散系数级别如表：

   表2.4.3-1　声速离散系数级别
砼匀质性等级
A
B
C
D
Cv/%
小于5
5<=Cv<=10
10<=Cv<=15
>15
由此，我们把桩按缺陷程度，分成四类，完整性类别如下表2.4.3-2所示：
类别
完整状态
缺陷特征
Ⅰ
完整
无缺陷
Ⅱ
基本完整
局部轻度缺陷
Ⅲ
局部不完整
局部明显缺陷
Ⅳ
严重不完整
断桩等严重缺陷
表2.4.3-2 完整性类别
基桩检测相关规范中，根据桩身是否存在缺陷及存在缺陷严重程度，将桩完整性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四个类别，并依据各检测剖面声学参数异常点分布情况及异常点偏离程度，决定被测桩完整性类别。
但由于砼是集结型复合材料，多相复合体系，分布复杂界面（骨料、气泡、各种缺陷），因此其检测声参量数据波动较大；加上灌注桩砼受自密实、地质条件及成桩工艺等影响，其声参量波动性就更大了，因此在实际测试过程中完全不出现异常测点可能性较小，因此不能机械地理解并执行规范中桩身完整性判定标准（规范对声参量异常判断均采用“可判断”），否则工程上很难有Ⅰ类桩，也不符合桩完整性分类定义下面对这四类分别进行分析。
★Ⅰ类桩：全桩长各检测剖面各测点声学参数均无超临界值异常，波形规则，声速较高，为完整桩。典型曲线如下图 2.4.3-1所示：
图2.4.3-1 完整桩实测曲线
Ф800mm、有效桩长为50m、桩身预埋两根声测管钻孔灌注桩超声波实测曲线，波形规则，波形较小，首波半波约0.5，平均波速为0.72km/h，桩身完整。
图 -2 基本完整装实测曲线
★ Ⅱ类桩：某一检测剖面个别测点声学参数轻微超临界值异常，个别点波形有轻微波动，声速降低，缺陷截面分布不超过桩总横截面30%，为基本完整桩。典型曲线如上图 -2所示。
上图是一根桩径为1500mm，有效桩长为14m，、桩身预埋三根声测管钻孔灌注桩超声波实测曲线，A-B与A-C剖面波形较为规则，B-C剖面波形有微小波动，，该桩完好部位首波半波宽约为0.7，平均波速为4.55km/s；桩深1.88-2.73m，首波半波宽约为1.0，波速降低3.93km/s,经斜测，推定为西北侧约1/4 截面混凝土轻微夹泥。图中阴影部分为推定缺陷截面分布范围。
★ Ⅲ类桩：某一检测剖面连续多个测点或两个以上检测剖面个别测点声学参数明显超临界值异常，个别点波形有明显波动，声速降低，缺陷截面分布不超过桩总横截面50%，为局部不完整桩。典型曲线如下图 -3所示：
图 -3 局部不完整桩实测曲线
上图为一根桩径为Ф1500mm、有效桩长为18.7m、桩身预埋三根声测管钻孔灌注桩超声波实测曲线，三个剖面均有明显波动，该桩完好部位首波半波宽约为0.7，平均波速约为4.55km/s；桩深8.56-8.96m，首波半波宽达1.2，波速降低为3.68km/s，经斜测，推定为西侧约1/2截面混凝土明显蜂窝夹泥砂。经钻芯验证，发现上述超声法检测推定缺陷区域为夹黄泥。
★ Ⅳ类桩：波形不规则，两个以上检测剖面连续多个测点声学参数严重超临界值异常，缺陷截面分布超过桩总横截面50%，为严重不完整桩。典型曲线如下图 -4所示：
图-4 严重不完整桩实测曲线
图-5 严重不完整桩阴影图
图-4为一根桩径为Ф1000mm、有效桩长为23.5m、桩身预埋三根声测管钻孔灌注桩超声波实测曲线，三个剖面均有两处明显波动，该桩完好部位首波半波宽约为0.6，平均波速约为4.20km/s；桩深4.3-4.7m，首波半波宽达1.0，波速降低为3.10km/s，桩深20-23.5m，首波半波宽达1.1，波速降低为2.24km/s，经斜测，推定为深4.3-4.7m，南侧约1/3截面混凝土明显蜂窝夹泥，深20.0-23.5m混凝土严重蜂窝夹泥。为严重不完整桩。
归纳总结
a声波波速
★ 求得实测声速平均值：
（2.4.4-1）
★ 求得声速标准离差：
（2.4.4-2）
式中n为测点数，Vi为各测点波速；
★ 求得正常声速临界值Vd-Vm-2 ；
★ 当实测波速Vi＜VD时，为可疑缺陷区；
★ 声波值定性反映了砼强度；
b声波波幅
★ 求得波幅平均值
★ 确定波幅临界值 Am=AM-6 (dB)
★ 如实测值低于临界值，可视作可疑缺陷区
c相邻两测点声时差斜率即PSD辅助判别
PSD=（ ti-ti-1)2/((Zi-Zi-1) （2.4.4-3）
式中：
Zi，Zi-1即为i，i-1测点深度（cm）
ti，ti-1即为i，i-1测点声时值(s)
如声时值特变，将是缺陷区显示成果桩超声检测。
3 超声波法在隧道检测中应用
3.1 检测衬砌混凝土体质量
将超声波用于隧道衬砌混凝土体检测很好解决传统方法对隧道破坏、样本数量少且离散等不足，同时超声波法还具有检测速度快、测点连续等有点。因此，公路隧道衬砌混凝土体检测大量使用超声波法。
对于水泥混凝土而言，其力学性质也与波速有着密切关系。一般来说，混凝土强度越高，相应波速也越高。由于待测隧道中二衬混凝土，强度等级基本相同（大多为C20强度等级混凝土），密度值比较接近，因而可以认为强度与波速之间存在着正比例关系。但是单独以波速来衡量混凝土强度，也存在一定问题。因为无破损检测是建立在两者相关性基础上，具体测试过程中，测试结果还受到以下一些因素影响。
横向尺寸效应（要求纵波速度应在无限大介质中测得。）；温度与湿度（当环境温度在5～30℃情况下、因温度升高引起速度减小不大。当环境温度在40～60℃度之间时，速度降低5%，温度在0℃—1.9倍）；骨料品种、粒径、含量影响（超声波在骨料中传播速度高于混凝土中速度。因此，声道路上粗骨料多，声速则高，反之则低）；水灰比与水泥用量影响，随着水灰比降低，混凝土强度、密实度以及弹性性质相应提高，反之则降低。
检测时，首先配制及检测段衬砌混凝土相同强度等级混凝土试块(15cm×15cm×15cm)，标准养生28d后测定试块强度与波速，建立混凝土试块强度一波速相关曲线。然后现场实测隧道衬砌混凝土体波速值。将每条隧道波速曲线画出，从中找出不利路段波速与里程桩号。对检测不合格路段应加密测点，必要时钻芯取样，实测其强度。在室内测试中对声速试验数据分析处理过程如下所示。
首先确定声速，采用公式3.1-1进行计算：
v=l÷t×10(km/h)  (3.1-1)
其中：v—超声波在混凝土介质中波速(km/h) 
　　l—-收、发换能器测试距离，室内测试时即为试件宽度(cm)
　　t—测区（试件）平均声时值（单位μs）对及测试中个别点声时偏差超过5%时，试件作废。
此外试件极限抗压强度按照公式3.1-2计算：
　　 Fmax=F/A*k    (3.1-2)
　　式中：Fmax—极限荷载(Kn)
　　A—试件承压面积(cm2)
　　k—试件尺寸换算系数(标准件为15×15cm)
测试中以三个试件为一组，数据处理原则同混凝土强度测试处理原则，以最大或最小值及中间值相比较，看偏差是否超过15%。
因此在实际检测中，对待检测隧道选用相同材料及配合比配制相同强度等级混凝土，实测强度与波速，建立相关标准曲线。在此基础上，实际测定二衬混凝土波速值。将每条隧道波速曲线画出，从中找出不利路段波速与里程桩号。对其强度进行评价。对一些有必要复测点现场进行复测或实际取芯。
隧道围岩松动圈测定
近年来，高速公路开始走进大山深处，这就增加了山岭隧道建设规模。目前隧道开挖中常用新奥法与爆破开挖影响了隧道围岩稳定性，造成了隧道围岩松动。根据弹性介质中波动理论我们知道，介质裂隙发育、密度降低将导致其波速降低。因此，可根据松动圈理论，测出各路段岩体中声波大小，借结合隧道围岩具体情况便可以确定松动圈厚度与分布情况。这不仅为隧道围岩支护设计提供指导，还可以动态反映隧道围岩稳定性，选择合理开挖方式与支护形式。
3.3 实列分析
    某公路隧道，全长1.060公里，及2000年建成完工。其中衬体混凝土设计强度等级为C20混凝土。在进行实际测试前，首先选用及该隧道施工时相同材料成形了水泥混凝土试件（15×15cm立方体试件），标准养生到28天，在室内测定了强度以及相应波速，并建立了强度、波速关系曲线，混凝土强度及波速关系汇总表详见表3.3-1所示：
  混凝土强度及波速关系汇总表
序号
试件尺寸
每组试件个数
偏差
波速均值
实测抗压强度
1
15*15 
3

2
15*15 
3

38
3
15*15 
3

39
4
15*15 
3

35
5
15*15 
3

43
6
15*15 
3

40
7
15*15 
3

45
8
15*15 
3

41
9
15*15 
3

39
10
15*15 
3

30
在建立了关系曲线基础上,及同年进行了相关工程实际检测。
表3.3-2 隧道实测数据详见表
序号
桩
号 
波
距 
声
时
波速
左侧
拱
顶 
右
侧
左
侧
拱顶    

1
 k183+949 
20

2
 990  
20 

3
 k184+030 
20

4
 70  
20

5
110 
20

6
150 
20

7
190  
20

8
 230  
20

9
270 
20

10
310
20

11
350  
20

12
390
20

13
430
20

14
470 
20

15
510 
20

16
550 
20

17
590 
20

18
630
20

19
670
20

20
690
20

21
730 
20

22
770
20

表 某隧道超声波检测结果汇总表
序号
桩号
波速（m/s）
强度（MPa）
左侧
拱顶
右侧
左侧
1
k183+949

2
+990

3
k184+030

4
+70

5
+110

6
+150

7
+190

8
+230

9
+270

10
+310

由室内确定回归曲线以及室外测定波速值确定了实测波速及强度之间对应值,详见表3.3-3所示.
衬体混凝土强度测试结果 
隧道强度最大值:28
强度（MPa）:K185+010
测点 :46.3
桩号:23 
测试数据结论详见表4所示，结果表明该隧道衬体混凝土强度达到了设计C20强度等级要求。
4 结论
公路建设大规模发展开拓了超声波法检测手段应用领域。使用这一新无损检测方法不仅可以快速、连续、无损坏检测桩基质量，测定隧道围岩松动圈分不情况，在路面质量检测、半刚性基层参数测定、路面裂隙探测等方面也有新尝试。
超声波透射法测桩技术是采用非金属超声波检测仪及柱状径向振动换能器（水下探头）作为检测系统，通过桩内预埋声测管自下而上对桩身混凝土作全面、细致检测，根据超声波在混凝土中传播声学参数（声时、波幅、频率等）与波形变化来分析完整性，是迄今为止检测桩身完整性最直观、可靠方法。检测仪器性能不断改进以及检测人员技术水平不断提高，超声波透射法测桩技术将会进一步得到广泛应用。超声波法在实际工作中有待探讨与改进地方：
a 应用声速推定桩身砼强度争论也广泛存在，各种方法也在尝试之中；采用聚类分析、统计检验等数理统计判定桩完整性，施工质量越好桩，判得越严；
b 进一步发展运用声测管或钻芯孔处理桩身缺陷技术，提高补强加固处理桩身缺陷可靠性，使基桩超声波法检测更为经济可靠。
参考文献：
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