耦合介质对基桩超声波检测的影响

贺映全，范 瑛，郑 光，张 雷

耦合介质对基桩超声波检测的影响

贺映全，范 瑛，郑 光，张 雷

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

通过实验测定超声波检测波速波幅与泥浆密度的关系，并且结合具体工程检测数据，对比分析耦合介质对基桩超声波检测的影响。结果表明，当泥浆密度小于一定数值时，耦合剂对超声波的检测参数影响很小，但是在超过这一数值的情况下，随着泥浆密度的增大，耦合剂对超声波检测参数的影响越来越大，波幅和波速值越来越小，从而影响了工程检测人员对检测数据的分析和判断。

超声波；桩基检测完整性；耦合剂；超声波检测参数

超声波无损检测技术在检测灌注桩的过程中主要是通过观测和分析声波在介质中传播时的波形、声速、幅度、频率等来判定被检测物体的缺陷［1－2］。但是除了缺陷会对超声波传播产生影响外，一些非缺陷的因素也会对超声检测结果产生影响。经过对比试验，影响超声检测的非缺陷因素主要有：耦合介质、混凝土龄期、超声脉冲频率、测距［3－4］。根据混凝土灌注桩声波透射法检测的工作原理，声测管要灌入清水作为发收换能器和混凝土之间的耦合剂。如果灌入的是泥浆水，水中泥浆中的泥、砂等杂质悬浮颗粒向不同方向产生散射，导致声波减弱，接收声波能量降低，声速、波幅偏小［5］。由于施工现场环境复杂，再加上天气原因，流入声测管的污水或污泥，使耦合剂中含有大量杂质。声测管中浑浊水将显著影响超声检测结果，如果在检测过程中不加以分析并区别，很容易给检测人员带来误判和漏判［6－7］。

1 耦合介质水对基桩超声波检测的影响

1.1 散射衰减

散射衰减是一个很复杂的过程，它既和介质的性质和状态有关，又与介质中固体颗粒的性质、形状和数量有关，在大颗粒和高频超声波条件下产生的作用尤为显著［8，9］。对于理论研究而言，一般都会做比较粗略的近似估算，即把这些粒子当作完全刚性的、半径为r的球状物体。在这一设定条件下，如果单位体积中含有n个散射粒子，由瑞利理论［10］知。散射衰减系数

式中，f为超声波波数，r为介质中颗粒的尺寸大小，n为单位体积内粒子数目，c为声速。

从上式可以看到，超声波在非均匀介质中传输时，散射衰减系数αs与介质中颗粒的数目n有关，其大小尺寸的三次方成正比。也就是说在一定的介质体系中，超粒子数目越多，换能器接收到的信号越弱，使散射衰减系数增大，进而超声波波速波幅会减小。

1.2 实验测定超声波检测波速波幅与泥浆密度的关系

研究泥浆的密度对超声波波速和波幅的影响，需要在泥浆粒径值一定和超声波频率一定的条件下进行。为了研究方便，将泥浆的粒径值固定为10－6m，超声波频率45kHz时，取泥浆密度分别为1.005 g／cm3、1.010g／cm3、1.015g／cm3、1.020g／cm3、1.025g／cm3、1.030g／cm3、1.035g／cm3、1.040g／cm3、1.045g／cm3、1.050g／cm3杂质的水作为耦合剂，对标准养护28d的两组C30混凝土试块进行检测。以泥浆密度为变量得出超声波速度与泥浆密度的关系曲线和超声波波幅与泥浆密度的关系曲线。

图2 不同泥浆密度时超声波波幅变化

从图1和图2中可见，当泥浆密度从1.005g／cm3逐渐升高到1.015g／cm3的过程中，各组试块的超声波波速和波幅几乎没有发生变化。这是因为泥浆密度很小，粒子间的相互作用很微弱，此时可以忽略粒子间的相互作用。随着泥浆密度从1.015g／cm3逐渐升高到1.050g／cm3，波速和波幅都发生了不同程度的减小，其波幅减小的程度比波速要大，这是因为当泥浆密度达到一定值时，泥浆离子间的相互作用较大，不能忽略，此时会产生多次散射波和黏滞的损耗，能量的损失对波幅的影响很明显。

以上是对声测管中均含有杂质的检测实验结果分析，如图3中11、12、13剖面为双管泥浆。考虑到在现场施工过程中，可能只有一根声测管中混入了泥浆杂质水，而其他声测管都是清水的情况，如图3中12、13剖面为单管泥浆，单管泥浆情况实验结果见表1。

表1 单管泥浆密度与超声波波速波幅数据表

从表1可以看出，受单管泥浆水的影响，波速与波幅值随着泥浆密度的增加逐渐减小，其中在不同密度下的平均波速不低于4m／s，平均波幅的变化也没有图2明显，参数变化趋势大致与图1和图2一致，表明了单管泥浆水对桩基检测结果的影响程度小于耦合剂都是杂质水的情况。

图3声测管中均含有杂质

图4部分声测管中有杂质

2 声测管中渗入泥浆案例分析

超声波在非均匀介质中传播，遇到不同声阻抗的介质组成的界面时，声波会向不同方向散射，使其沿着相对复杂的路径继续传播下去，最终一部分声波传播到了超声波换能器，由超声波换能器检测到回波信号，而另一部分声波可能到达不了超声换能器，导致声波能量的损耗［11－12］。在含有不同密度泥浆耦合介质水的声测管中，各种细小的固体颗粒大量存在，使得超声波检测在声测管中就发生衰减，也延长了超声波的传播时间，造成波速和波幅的急剧下降，波形严重畸变或无法接受波形，从而影响检测结果［13－14］。现结合现场实例，对声测管中渗入泥浆的不同情况进行分析。

超声波桩基检测正常波形图形

图5为典型超声波桩基检测正常波形图形。从波形图可以看出检测剖面波速v、波幅A曲线各测点测值离散性不大，且波速平均值在4.5m／s，属混凝土正常取值。实测波形首波陡峭，后续波波幅增大，主频漂移不大，且该漂移量较稳定。综合以上特征，该桩桩身完整性判定为Ⅰ类桩。

案例：武汉市某改造工程高架桥建设中一根水下成孔灌注桩，该桩桩长37m，桩径1200mm，混凝土的设计标号C35，桩身埋设三根声测管，且呈三角形布置，12、13、23剖面的测管距离分别为：810 mm、800mm、810mm。图6、图7和图8为该桩超声波检测波形图形。

表2 声测管中含有泥浆成孔灌注桩超声波各检测剖面的测试值

从波形图可以看出，该桩波速波幅变化均匀，与正常实测波形相比，波速波幅在数值上都偏小，其中12剖面对比13、23剖面，波速与波幅在数值上小得多，而一般的波速范围在4.4～4.8m／s。三个检测剖面测试数据在35～37m处同时出现异常，波速明显偏小，波幅明显偏低，且都小于临界值，经过对36m处测点波形图分析，发现3个剖面异常测点的实测波形与正常测点相比首波幅值明显下降，后续波幅也有明显降低，有些测点无法接收声波信号，初步判定桩身混凝土强度较低，桩底有沉渣。仔细询问现场施工人员浇筑情况，得知在混凝土浇筑完后，在挪移冲击钻孔机时不慎将其中1、2根声测管磕碰，有可能渗入泥浆水，其中12剖面为声测管均含有泥浆的声测管，13、23剖面为只有一个声测管有泥浆。

现场取三根声管中溶液少许，测量泥浆的密度分别为1.033g／cm3、1.037g／cm3、1.002g／cm3，将检测结果（表2）和实验结果对比，发现检测参数比实验结果偏低，但在控制范围之内，这是由于大的泥浆颗粒或砂石下沉，聚集在声测管底部，导致管底泥浆密度增大，杂质增多，波速和波幅明显下降，这一特殊现象在波形图中桩底35～37m处得到了很好的反映。为了进一步验证结论的正确性，项目组组织现场施工人员对1号、2号和3号声测管进行高压水冲洗，发现1号和2号声测管溢出水质浑浊，且有泥团和细小砂石冒出，而3号声测管水质良好。通过三到四遍的冲洗，再灌满清水进行超声波检测，此时波幅波速趋于稳定，且达到正常值。结合上述检测结果，表明不仅泥浆密度对检测结果有影响，会导致声学参数在数值上减小，双管泥浆水检测比单管检测对声学参数的影响要大。当大的泥浆颗粒或砂石沉积在管底时，会加剧超声波的衰减。

从现场了解到的情况，声测管中渗入泥沙的情况有以下几种：

1）孔口没做好保护，流入污水或污泥的；

2）声测管本身强度较低，当浇筑混凝土时，巨大的冲击作用易造成声管变形破损，导致泥浆流入管中；

3）混凝土施工完成后，移除冲击钻时将声测管折断，且桩周围留有淤泥；

4）在破桩头时，挖土机中泥土掉入声测管，造成水中含有杂质。

3 结论

1）通过不同泥浆密度的杂质耦合剂水对桩基检测结果影响分析，且结合工程实例对比，发现泥浆密度很小时，由于耦合剂的稀释作用，声波在离子间的作用很小，可不考虑耦合剂的影响，即波幅波速无影响。

2）泥浆密度达到一定值时，随着泥浆密度的增大，耦合剂对超声波检测的影响越来越大，波幅和波速值越来越小。

3）泥浆水作为耦合剂有单管与双管之分，双管泥浆水检测比单管的影响程度大。

4）对于声测管中渗入泥浆溶液的情况，通常会出现大的泥浆颗粒下沉，导致管底泥浆密度增大，造成超声波衰减更加严重。

5）在检测结果中发现波幅波速减小的，不应仅考虑强度或沉渣原因，若是耦合剂引起的，应及时进行处理，避免造成误判。

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Effect of Couplant on Pile Ultrasonic Amplitude Analysis

HE Yingquan，FAN Ying，ZHENG Guang，ZHANG Lei
（School of Civil Engineering and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan，430068，China）

Clear－water as the ultrasound integrity of foundation pile test couplant in the underground foundation project has been widely used.Although relevant scholars of the impurities in water has studied the performance and achieved many results，the support of mud density performance factors is still unclear.The analysis is also far from perfect in this article to explore this.Based on the research of ultrasonic Sound Parameter and mud density concentration，and combined with the engineering data，this article analyses the couplant influence on pile ultrasonic testing.The results of this study indicate that when the mud density is smaller than a certain value，ultrasonic detection parameters effect is very small.But with the increase of mud density，the influence of couplant on ultrasonic testing parameter has a great influence.Wave velocity and wave volatility become increasingly small.It seriously affects the project on the analysis of testing data and testing of judgment，and brings the deviation to judge the correctness of the engineering results.Therefore，the research results of the article are very good to solve these problems.

ultrasonic；foundation pile integrity；couplant：ultrasonic sound parameter

TU197

A

［责任编校：张岩芳］

1003－4684（2017）04－0107－04

2016－06－30

贺映全（1990－），男，湖北监利人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为建筑与土木工程

范 瑛（1969－），女，湖北武汉人，湖北工业大学教授，研究方向为路基路面理论，道路与桥梁监控