基桩超声检测声学参数异常分析及对策研究

左鸿鹏

(山西交院试验检测有限公司，山西 太原 030006)

1 声波透射法基本原理

利用声波在弹性介质中传播前后的参数变化来反映介质的相关性能是超声波无损检测的基本原理。目前用于混凝土结构检测的声波主要为纵波，一般用声速、波幅、频率来表征声波的性状。声速取决于声波类型、介质形态、边界条件，基桩检测时通常以声时表征声速；波幅表征质点间作用力，即压电晶体电压值；频率则表达超声波强度交变快慢。

2 声学参数异常及后果

由本单位2016～2018年的检测结果统计中发现，因非质量引起的声学参数异常率较高见表1，影响完整性的准确评定，需进行复测甚至采取开挖、取芯、承载力检测等方式进行验证，这不仅大大增加检测成本、影响工程进度见表2，且影响对工程质量的客观评价。

表1 2016～2018年基桩超声检测结果统计

由表2可知，由非桩身质量引发的声学参数异常率达8.3%，年均复测费用高达16.3万元，累计复测天数达62.1 d，同其他检测单位交流发现，普遍存在非质量引发声学参数异常率较高的问题，干扰基桩质量的准确评定，需验证的基桩频率高，不仅影响检测效率还增加检测成本，影响工期。

表2 2016～2018年基桩复测信息统计

3 超声检测声学参数异常分析

3.1 探头径向摆动问题

超声检测中，径向探头直径一般为20 mm，声测管内径为50 mm。一般径向探头前部装有防止探头过度摆动、震荡的扶正器，随着探头的频繁的使用，扶正器会不断磨损、变形，使其扶正作用减弱。经过对探头扶正器检查，发现扶正器有不同程度的磨损、变形，有效尺寸已接近探头直径，基本已失去扶正作用。实际检测中，不同项目或同一项目不同批号的声测管内径均有一定的差异，但仪器所配的扶正器规格相同，且尺寸较小，扶正效果有限，难以满足检测需求。

声波始发波在混凝土中声时一般在为200 μs左右，而探头在发生摆动、震荡时，始发波在耦合剂中通行时间最大相差可达40 μs，实际检测中，这部分时间差将被计算在混凝土中，故探头摆动、震荡导致的声时偏差将高达20%，而正常混凝土声时偏差为5%左右(始发波在耦合剂中声时极差10 μs)。

3.2 耦合剂问题

(1)现场耦合剂使用现状

超声检测要求耦合剂为清水，然而公路修建远离市区，水资源匮乏，且现场地势高低纵横，运水极为不便，一般声测管中灌注水为现场施工用水、河水、开挖时渗出的地下水等，水质洁净程度不一。

(2)耦合剂净洁度对声学参数的影响

①超声检测时声波必须通过耦合剂才可进入检测介质，耦合剂同时也是传播介质之一，根据声波衰减理论，介质越均匀，声波传输能量散射衰减越小，声学参数越稳定，反之，声波能量衰减越大，声学参数变化越大。

②为确定耦合剂洁净程度对声学参数的影响，将一立方试块置于方形水槽内，用以模拟基桩，以密度来表征泥沙含量，分析耦合剂洁净程度对声学参数的影响，结果如表3。

表3 耦合剂洁净度室内模拟试验

如表3所示，耦合剂中泥沙含量同声学参数畸变成正相关关系，当耦合剂密度达到1.1.0时便会引起声波能量急速衰减，声学参数严重异常，波形严重畸变。

③耦合剂分层

由以上分析，耦合剂中的泥沙对声学参数影响明显。耦合剂中泥沙随着时间会自然沉淀，在声测管中形成浑浊程度不同的水层，当探头通过不同的分层时，声学参数表现也不同，表现为下层声学参数异常率高、波形畸变，中间层声学参数中度异常、波形轻微畸变，上层声学参数正常或轻微异常。

4 超声检测声学参数异常对策研究

4.1 控制始发波在声测管中的声时差

由上述研究可知，声波始发波在声测管中的声时差主要来源于径向探头的摆动、震荡，破解方法为通过扶正器控制径向探头同声测管内壁间的间距，在不影响移动的前提下，将声波始发波在声测管中的声时偏差控制在合理范围内。根据工程实际，采用厚度为3 mm的橡胶材料制作45 mm、40 mm、35 mm三种扶正器，可满足不同声测管内径要求，将耦合剂中声时偏差控制在5 μs以内，不仅大大降低了探头在声测管中的摆动空间，且材料不易翘曲变形，实施效果显著。不同尺寸扶正器始发波在耦合剂中声时始发波在耦合剂中声时见表4。

表4 始发波在耦合剂中声时极差

4.2 提升耦合剂质量

(1)控制耦合剂质量

基桩完整性现场检测影响因素多，检测结果关乎多方责任，现场检测环境、资源有限，需要施工单位的大力配合。耦合剂作为检测成败的关键，耗时费力，所以检测前耦合剂灌注的技术交底尤为重要。积极主动的沟通交流、适时的现场指导有助于提升耦合剂的整体质量，为检测的圆满完成垫定基础。

(2)耦合剂重复利用

基桩超声检测需水量大，一根30 m长4孔超声检测需水量达250 L。高速公路建设现场远离市区，清水来源有限，检测用水成本高，大量水资源检测后失去价值，浪费严重。所以耦合剂重复使用，不仅可降低检测成本，且提高资源利用率。采用施工现场常备的抽水泵配合足够长软水管可以实现水资源的重复利用，将已检测合格的基桩声测管中的清水抽出就近灌注于待测桩中即可，若安排合理，可节省近1/3的水资源。

5 结 论

经过对基桩超声检测中非质量引发声学参数异常原因分析，发现因径向探头摆动、震荡导致的声时偏差高达20%；耦合剂中泥沙含量同声学参数异常率成正相关关系。通过研制扶正器、控制耦合剂，将由非质量引发声学参数异常率由年均8.3%降低至2.6%。不仅提高了基桩检测数据有效率，且降低复测、验证的数量，节约了检测成本，缩短了复测周期，工程实践效益显著。