声波透射法检测桩身完整性能力验证实施方案与经验探讨

刘洲

重庆中亿工程检测有限公司 重庆 402460

1 引言

桩基础是国内应用最为广泛的一种基础形式，确保其工程质量一直备受建设各方的关注。声波透射法作为基桩桩身完整性的可靠检测手段与有效评价方法，如今被业内广泛采用。重庆市市场监管部门将“建筑基桩桩身完整性（声波透射法）”作为2022年度全市检验检测机构能力验证项目，具有一定的科学性和代表性。2022年度检验检测机构能力验证结果通报[1]中，参加基桩桩身完整性项目的检测机构共106家，考核结果为94家合格，12家不合格，不合格机构占比为11.3%。本文通过检验过程控制与影响因素分析，以期提升实验室的基桩检测技术能力，在类似能力验证活动中获得满意的比对结果。

2 能力验证实施方案

能力验证[2]，是指市场监管部门采取实验室间比对等方式，按照相关标准或者技术规范预先制定的考核规则，对检验检测机构技术能力是否持续符合资质认定条件和要求实施的技术管理手段。2022年度重庆市建筑基桩项目能力验证实施方案如下：

2.1 人员

参与能力验证的检测人员应具有代表性，应从检测机构在职并参与过桩身完整性检测的人员中随机产生。

2.2 样品

能力验证样品为基桩，由主办方重庆市认证认可协会提供，各参加机构在指定的地点对基桩进行检测并得到数据结果。基桩直径1200mm，长10m，每个机构现场随机检测1根。

2.3 检验项目

基桩桩身完整性。

2.4 检测方法

本次能力验证的检测标准见表1，可任选其一。

表1 检测标准及方法

2.5 检测设备

1）检测机构自备非金属超声波检测仪、检测数据处理电脑及软件、游标卡尺、钢卷尺，仪器设备满足相应检测标准的要求；

2）参加能力验证所使用的非金属超声波检测仪应在计量检校合格期内，且经过确认满足检测要求。

2.6 现场检测

1）各机构选派3人参加能力验证，其中2人为检测人员， 1 人辅助摄像。人员到场后需提供机构授权书、近两个月社保证明、本人身份证原件及复印件、设备校准证书原件及复印件，复印件均需加盖单位公章；

2）各机构人员须提前半小时到达能力验证现场；

3）参加人员签到后在准备区等待，由引导员指示前往测试区。进入测试区后，现场抽取基桩编号；

4）现场检测前应标定超声波检测仪的系统延迟时间t0，可在试验开始前自行完成；

5）现场专家发出开始口令后方可进行测试，同时记录现场检测开始时间。参加人员须在70分钟内完成现场检测、数据处理、检测结果提交，超时为不合格，其中，现场检测时间不得超过50分钟；

6）参加人员使用自备的检测设备采用声波透射法对抽取基桩进行桩身完整性检测，测点间距为100mm；

7）现场检测由2名检测人员配合完成，其中1名负责记录并复诵，检测人员须现场完成能力验证“原始记录”和“检测结果报告单”，经现场专家确认后交工作人员封存。辅助摄像人员应全程跟拍；

8）提交检测结果报告单后，所有相关检测电子数据应全部删除，检测人员签字确认后方可离场。

2.7 结果提交

1）提交“原始记录”和“检测结果报告单”，并打印各检测剖面的声速-深度、波幅-深度和PSD值-深度曲线图以及实测波列图；

2）检测结果保留位数按“检测结果报告单”的要求严格填写，并由检测人员在各页结果单上签字确认；

3）结果以现场提交的报告单为准，无需提供正式报告。

2.8 结果判定

2.8.1 以下事项中存在1项不符合，能力验证结果即视为不合格

1）机构漏报、少报检测人员；

2）检测人员私自调换或冒名顶替；

3）使用未经检校或检校不合格设备；

4）未在规定时间内完成所有检测工作，现场检测时间不得超过50分钟；

5）基桩桩身完整性类别判定不准确；

6）基桩桩身完整性判定为III、IV类的桩，其缺陷位置及范围偏差大于30cm。

2.8.2 以下事项中存在4项不符合，能力验证结果即视为不合格

1）应准确测量声测管的内、外管径和换能器外径，测量精度为±0.1mm，测量桩头处声测管外壁间的净距离，测量精度为±1mm；

2）声测管内灌满清水，且保证换能器应能在声测管中升降畅通；

3）每个换能器能下到桩底，检查每个声测管是否下到同一高度；

4）声测管应进行合理编号；

5）测试前应输入各项检测参数；

6）检查仪器状态，只有在仪器正常工作状态下才能开始测试；

7）测试过程中换能器提升应缓慢匀速；

8）测试完后应再次检查仪器设备状态。

3 检验过程控制及影响因素分析

声波透射法[3]是指在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对桩身完整性进行检测的一种无损方法。依据能力验证的结果判定规则，在整个考核过程中，可重点控制以下环节：

3.1 仪器设备的运行状态

声波仪使用频率通常较高，现场环境条件恶劣，搬运过程易振动跌落。考核过程中，一旦设备发生故障，将无法顺利完成检测工作，故务必保证检测设备处于正常稳定的工作状态。参加能力验证前，可按下列内容核查其功能状态：

1）声波仪能否正常开机，各个按键有无松动，脱落或接触不良等现象；

2）供电电池能否正常充电，续航时间能否保障；

3）触摸屏能否正常操作，点击反应是否灵敏；

4）数据能否正常导出，U盘与设备是否匹配；

5）换能器性能是否下降，定位卡是否缺损，电缆线深度标志是否清晰、终端接头是否脱焊。

3.2 声学参数的准确采集

桩身声速、波幅、频率以及波形等声学参数的准确有效采集，直接关系到桩身质量类别的评判。检测过程中，可按下列步骤指引完成检测操作：

3.2.1 仪器参数设置

1）采样间隔：指两次采样之间的时间间隔。波形由点组成，采样间隔则用以设置每两个采样点之间的时间，可选0.2μs或0.4μs；

2）采样长度：表示一次采样的数据点数。用以设置一次采集数据量的多少，可选512点或1024点。如无特殊需要勿输入较大的数值，否则会影响动态采集的速度；

3）发射脉宽：指发射脉冲从发射到放电的时间。可设置（1～5）ms之间，如使用高压，则设定为1ms；

4）发射电压：其波形为阶跃脉冲或矩形脉冲，脉冲电压宜为250V～1000V，且分档可调。发射电压越高，接收信号越强，通常使用低压，当跨距较大时可采用高压；

5）增益调整：以基桩的完整部分为参照点，显示波形的首波清晰可见，无削波，首波前的噪声信号不会干扰首波判定，首波后的波峰基本接近满视窗。增益的调整只改变波形的显示大小，增益增大会放大有效信号，同样也会放大噪声信号，因此增益设置一般不得大于800。增益调整如图1所示。

图1 增益调整

6）延时调整：以基桩的完整部分为参照点，显示波形的首波大致位于屏幕的1/3至1/2处。延时调整只改变波形的左右位置，可用于压制首播前的噪声，使之处于采集窗口之外。延时调整如图2所示。

图2 延时调整

3.2.2 仪器系统延迟时间标定

可采用率定法，先将当前校正通道的延时调整为“0”或者负数，声测管内、外径和探头外径三者数值调整为一致，然后将发射和接收换能器平行悬于清水中，逐次改变点源距离并测量相应声时，记录不少于4个点的声时数据并作线性回归时距曲线。线性回归时距曲线如图3所示，线性回归方程见式（1）。

图3 线性回归时距曲线

式中：

b ——直线斜率（μs/mm）；

l ——换能器表面净距离（mm）；

t ——仪器各次测读的声时（μs）；

t0——仪器系统延迟时间（μs）。

3.2.3 声测管及耦合水层声时修正

两根声测管之间，声波从发射到接收，不仅是在混凝土中传播，而且有一段时间是在管内耦合水和管壁中传播，为获得桩身实际波速，应扣除该部分的传播时间。声测管及耦合水层的声时修正按式（2）计算。

式中：

t′ ——声测管及耦合水层声时修正值（μs）；

d1——声测管外径（mm）；

d2——声测管内径（mm）；

d′ ——换能器外径（mm）；

vt——声测管材料声速（km/s），钢管可取5.940，PVC管可取2.350；

vw——耦合水层声速（km/s），可取1480[4]。

3.2.4 声测管间距测量

假定声测管相互之间完全平行，则构成某一检测剖面的两声测管在桩顶面的净距离L等于该检测剖面所有声测线的测距。若测量L时出现偏差，将会导致测试声速偏离混凝土实际声速值。当L值偏大则测试声速偏高，L值偏小则测试声速偏低。以下两种测量方式，L值均可能产生误差：

1）在声测管的管口位置测量L值。声测管埋设时，通常要求管口应高出混凝土顶面100mm以上，实际中，声测管预留高度远大于100mm。若管端预留过长，则外露部分可能产生倾斜，管口测量值L与其根部测量值会存在明显差异；

2）以两根声测管的中心距作为L值。此时的L值实为混凝土、声测管壁和耦合水层的距离之和，检测前已进行管水修正，不应重复计算，应以两根声测管的内边距测量结果为准。

3.2.5 声学参数具有可比性

在同一根桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压、增益、延时等参数应保持不变。

3.3 缺陷深度的精确定位

能力验证结果判定规定：桩身完整性判定为III、IV类的桩，其缺陷位置及范围偏差不得大于30cm。为准确定位缺陷，可采用下列相应检测措施：

1）声波换能器应从桩底向上同步提升。非匀速下降的换能器，由于存在不同程度的失重现象，使电缆线出现不同程度松弛，导致换能器位置不准确；

2）检校编码器、卡线轮和电缆线深度标志。提升过程中，自动记录换能器位置时，电缆线带动编码器卡线轮转动，编码器计数卡线轮转动值换算得到换能器位置。若编码器计数、卡线轮直径和电缆线深度标志存在误差，势必导致测试位置与桩身实际位置不一致。实际中，电缆线刻度误差较大的情况较为常见；

3）校核换能器的深度和校正换能器的高差。提升过程中，由于电缆线与卡线轮之间的滑动，会导致编码器计数位置与传感器实际位置存在偏差，或换能器不在同一水平面，应随时进行深度校核与高差校正；

4）保持测试过程中波形的稳定性。提升速度过快，会导致换能器在声测管中剧烈摆动，甚至与管壁发生剧烈碰撞，增大换能器的深度误差，同时对接收的声波波形产生一定的影响。为此，要求换能器的同步提升速度不宜大于0.5m/s；

5）采取多种测试方式定位缺陷。经平测普查后，根据声时、波幅和主频等声学参数的相对变化及实测波形的状态，找出各检测剖面的可疑声测线，再经加密平测、交叉斜测等方式，既可检验平测普查的结论是否准确，又可依据加密测试结果绘制阴影图判定桩身缺陷的边界，进而推断桩身缺陷的范围和空间分布特征。加密平测和交叉斜测如图4所示。

图4 加密平测和交叉斜测

3.4 特殊情形的有效处理

如遇严重的桩底缺陷，当换能器下至桩底开始采样时，可能无波形显示或波形显示紊乱，甚至出现死机的现象。若检测人员缺乏经验，加之考核时心情紧张，不能有效处理，反复地调整增益、延迟或开关机，或怀疑管体漏水，直至考核时间结束仍未采集到有效的检测数据。此时，可将换能器提升至一定高度，即桩身无缺陷段，待波形稳定后，调整好相应参数，再将换能器放至桩底，匀速提升至桩顶完成整桩测试。

4 结语

基桩桩身完整性能力验证，是一项科学有效、可操作性强、具有一定代表性的技术管理手段。因其专业性强、检测流程复杂，故需参与方充分理解和熟悉相关检测标准和技术规范，尽可能地消除或减少影响检测数据和结果的潜在因素，对人、机、料、法、环、测等各个环节进行有效控制，才能获得满意的考核结果。