超声波透射法的原理及在基桩检测中的应用

葛菊英

摘要：文章主要对超声波透射法的原理及在基桩检测中的应用问题进行了探讨。首先概述了超声波透射法的原理，然后对采用超声波透射法检测基桩的方法进行了探讨，最后研究了声测管的预埋和管材的选择以及检测结果的数据分析和判断。

关键词：超声波透射法；基桩检测；声测管

中图分类号：TP368

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0065-02

一、超声波透射法的原理

声波是弹性波的一种，若视混凝土介质为弹性体，则声波在混凝土中的传播服从弹性波传播规律，由发射探头发射的声波经水的耦合传到测管，再在桩身混凝土介质中传播后，到接收端的测管，再经水耦合，最后到达接收探头。由于液体或气体没有剪切弹性，只能传播纵波，因此超声波测桩技术采用的是纵波分量。

探头发射的声波会在发射点和接收点之间形成复杂的声场，声波将分别沿不同的路径传播，最终到达接收点。其走时都不尽相同。但在所有的传播路径中总有一条路径，声波走时最短，接收探头接收到该声波时，形成信号波形的初始起跳，一般称为“初至”，当桩身完好时，可认为这条路径就是发射探头和接收探头的直线距离，是已知量；而初至对应的声时扣去声波在测管、水之间的传播时间以及仪器系统延迟时间，可得声波在两测管间混凝土介质中传播的实际声时，并由此可计算出所对应的声速。

当桩身存在断裂、离析等缺陷时，破坏了混凝土介质的连续性，使声波的传播路径复杂化，声波将透过或绕过缺陷传播，其传播路径大于直线距离，引起声时的延长，而由此算出的波速将降低。另外，由于空气和水的声阻抗远小于混凝土的声阻抗，声波在混凝土中传播过程中，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时，在缺陷界面发生反射和散射，声能衰减，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小。再者，透过或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。综上所述，当桩身某一段存在缺陷时，接收到的声波信号会出现波速降低、振幅减少、波形畸变、接收信号主频发生变化等特征。

超声波透射法桩基检测就是根据混凝土声学参数测量值的相对变化，分析、判别其缺陷的位置和范围，评定桩基混凝土质量类别。

二、超声波透射法基桩检测方法

按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式，超声波透射法基桩检测主要有三种方法：

(一)桩内单孔透射法

在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如在钻孔取芯后，我们需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，这时可采用单孔检测法，此时，换能器放置于一个孔中，换能器间用隔声材料隔离(或采用专用的一发双收换能器)。超声波从发射换能器出发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，再经耦合水分别到达两个接收换能器上，从而测出超声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。需要注意的是，运用这一检测方式时，必须运用信号分析技术，排除管中的影响干扰，当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能用此法。

(二)桩外孔透射法

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作为检测通道，检测时在桩顶面放置一发射功率较大的平面换能器，接收换能器从桩外孔中自上而下慢慢放下，超声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过柱与孔之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射超声波的声学参数，根据信号的变化情况大致判定桩身质量。由于超声波在土中衰减很快，这种方法的可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩颈等。

(三)桩内跨孔透射法

此法是一种较成熟可靠的方法，是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式，其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管，在管中注满清水，把发射、接收换能器分别置于两管道中。检测时超声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。根据不同的情况，采用一种或多种测试方法，采集声学参数，根据波形的变化，来判定桩身混凝土强度，判断桩身混凝土质量，跨孔法检测根据两换能器相对高程的变化，又可分为平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方式，在检测时视实际需要灵活运用。

三、声测管的预埋和管材的选择

为了使换能器能达到检测部位，需预先埋设若干检测通道，因此，在采用超声检测时，必须在灌注混凝土前预埋声测管，混凝土硬化后无法抽出，该管道即成为桩的一部分，也是声通道的一部分，其影响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局，决定了检测的有效面积和探头提拉次数，所以声测管的预埋是影响检测方式和信号分析判断的基本问题。

(一)声测管的选择

对声测管的材料要求是：有足够的机械强度，保证在灌注桩混凝土浇注过程中不会变形；与混凝土粘结良好，不致在声测管和混凝土间产生剥离缝，影响测试。根据这些要求，钢管是最合适的材料。为了节省费用，对于桩身长度小于15m的短桩，可用硬质PVC塑料管或金属波纹管，一般规定，声测管的直径通常比径向换能器的直径大10～20mm即可，宜用规格内径35～50mm。管的壁厚对声能透过率影响较小，所以，原则上对声测管壁厚不作要求，但就节省材质用量而言，管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力，则越薄越好。

(二)声测管的埋置数量和布置方式

声测管在桩的横截面上的布局应考虑检测控制面积，根据桩径大小预埋超声检测管，桩径为0.6～1.0m时宜埋二根管；桩径为1.0～2.5m时宜埋三根管，按等边三角形布置；桩径为2.5m以上时宜埋四根管，按正方形布置。声测管之间应保持平行，但在实际施工中，由于钢筋骨架刚度的原因，会造成一定的误差，应尽量控制。

(三)声测管的安装

声测管应牢牢固定在钢筋笼内侧，对于钢管，每2m间距设一个固定点，直接焊接在架立筋上；对于PVC管，每1m间距设一固定点，应牢固绑扎在架立筋上。对于无钢筋笼的部位，声测管可用钢筋支架固定，声测管应一直埋到桩底，声测管底部应预先封焊死，管的上端应高于桩顶表面300～500mm，同一根桩的声测管外露高度宜相同，上顶端用螺纹盖、塞或木桩封闭管口，防止异物掉入管内。

四、检测结果的数据分析和判断

基桩的超声波透射法检测需要分析和处理的主要声学参数是声速、波幅、主频，同时要注意对实测波形的观察和记录，如何在这些数据的基础上，对桩的完整性、连续性、强度等级等做出判断，是超声法检测的关键。目前，常用的桩身缺陷判断方法有两大类，第一类是数值判据法，即根据测试值经适当的数字处理后找出一个存在缺陷的临界值作为依据，这种方法能对

大量测试数据做出明确的分析和判断，通常用于全面扫测时缺陷的初步判断；第二类是声场阴影区重叠法，这类方法通常用于数值判据法确定缺陷位置后的细测判断，以便详细划定缺陷的位置、大小和性质等，在桩身缺陷的超声检测种，这两类方法必须联合使用，过分偏重任何一种方法都是不合理的。

(一)数值判据法

1.概率法，正常情况下，由随机误差引起的混凝土的质量波动是符合正态分布的，这可以从混凝土试件抗压强度的试验结果得到证实，由于混凝土质量(强度)与声学参数存在相关性，可大致认为正常混凝土的声学参数的波动也服从正态分布规律。混凝土构件在施工过程中，可能因外界环境恶劣及人为因素导致各种缺陷，这种缺陷由过失误差引起，缺陷处的混凝土质量将偏离正态分布，与其对应的声学参数也同样会偏离正态分布。所以，只要检测出声学参数的异常值，其对应的位置即为缺陷区。

2.PSD判据法，对于由声时、波幅衰减确定的异常区，结合PSD曲线进行综合分析，采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近明显变化时，应将其作为可疑缺陷区。PSD(Pile of Slope and Difference)判据的物理意义为：声时一深度曲线相邻两点的斜率与相邻时差值的乘积，根据PSD值在某深度处的突变结合波幅变化情况，进行异常点判定，该判据对声时具有指数放大作用。因此，缺陷区PSD值较声时反映明显，而且运用PSD判据基本上消除了声测管不平行或混凝土不均匀等因素所造成的声时变化对缺陷判断的影响，但如果声时读数有错误，那么PSD会将错误数据进行放大，造成误判。

(二)声阴影重叠法

所谓声阴影重叠法，就是当超声脉冲束穿过桩体并遇到缺陷时，在缺陷背面的声强减弱，形成一个声辐射阴影区。在阴影区内，接收信号波高明显下降，同时声时增大，甚至波形出现畸变。若采用两个方向检测，分别划出阴影区，则两个阴影区边界线交叉重叠所围成的区域，即为缺陷的确切范围。其基本方法是：一个换能器固定不动，另一个换能器上下移动，找出声阴影的边界位置，然后交换测试，找出另一面的阴影边界。边界线的交叉范围内的重叠区，即为缺陷区。在混凝土中，由于各界面的漫反射及低频声波的绕射，使声场阴影的边界十分模糊。因此，需综合运用声时、波幅、频率等参数进行判断，在这些参数中波幅是对阴影区最敏感的参数，在综合判断时应赋予较大的“权数”。当需要确定局部缺陷在桩的横截面上的准确位置时，可用多测向叠加法，即根据几个测向的测量结果通过作图法进行叠加。交叉重叠区即为缺陷区。