基桩声波透射法检测重难点分析

2023-11-28罗剑

广东建材 2023年11期

罗剑

（深圳市港嘉工程检测有限公司）

0 基本原理

声波透射法的基本原理是用人工方法在混凝土介质中激发一定频率的弹性波，该弹性波在介质中传播时，遇到缺陷会发生反射、透射、绕射，由接收换能器的波形，对波的声速、波幅、频率和波形的特征进行观测和分析判断混凝土桩的完整性及缺陷的位置、范围及程度。

声波透射法用于检测混凝土灌注桩的完整性开始于20世纪70年代，其操作方法是：在钢筋笼内侧平行竖直固定两根及以上声测管，将换能器放入声测管中发射和接收超声波沿竖直方向穿过基桩混凝土的信号（如图1），通过声波仪A/D 模数转换成数字信号加以存储并在专业计算机分析软件上进行各种数据处理，如统计分析、滤波、管斜修正、手动判读首波。计算机软件自动计算平均波速、平均波幅、PSD、临界波速和临界波幅，对这些数据进行比较分析和判断，确定桩身混凝土的缺陷位置、范围大小和严重程度，综合判定桩身完整性类别。

图1 声波透射法检测示意图

1 声波透射法

1.1 仪器设备

声波透射法检测主要设备包括声波仪器主机、跨孔声波探头和深度计数器。声波是在介质中传播的机械波，其波动的频率范围可达1010Hz，声波透射法检测基桩混凝土质量的声波频率一般在2×104～2.5×105Hz，介于超声波频段，所以日常工作中经常称声波透射法为超声波法，对应的仪器就叫超声波仪。

1.1.1声波仪器主机

声波仪器主机应符合下列规定：

⑴波形显示应连续、稳定、可存储；

⑵应具有自动和手动声时测量功能，声时测量范围宜为0.5μs～5000μs，声时测量分辨力不宜低于0.1μs；

⑶宜具有自动和手动波幅或衰减测量功能；

⑷宜具有自动和手动频率测量功能；

⑸接收放大系统的带宽宜为10kHz～200kHz，接收系统灵敏度宜高于50Mv,宜具有增益调节功能，总增益不宜低于80dB；

⑹宜采用直流供电，宜配有备用电池；

⑺宜具有自动记录发射与接收换能器位置的功能[1]。

1.1.2跨孔声波探头

跨孔声波探头应符合下列规定：

⑴跨孔声波探头应采用圆环式径向振动的径向换能器，即沿水平方向无指向性，谐振频率为2×104Hz～6×104Hz，有效工作面轴向长度不大于15cm；

⑵接收换能器宜内装有前置放大器；

⑶基桩混凝土质量检测一般是用水作为换能器与混凝土的耦合剂，对于水中的换能器，其水密性应在1MPa 水压下不渗漏，就是保证桩长不大于100m 的水下能正常工作，一般桩长不大于90m。

1.2 现场检测

1.2.1准备工作

⑴被检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不低于20（15）MPa；

⑵破除桩头浮浆、松散破损及超灌部分，使桩顶标高为设计的桩顶标高；

⑶割去所有高度较高的声测管一部分，直至各声测管口高度平齐。露出桩头的声测管管口高度以略高于桩头30cm，若声测管过高应割低；

⑷用清水冲洗声测管，冲洗方法为使用PVC 软管插至声测管底部，冲洗2～5 分钟，直至声测管底部的铁锈等杂物冲洗干净流出清水为止。遇有泥块或者其他杂物堵住声测管的情况可尝试用8mm 钢筋插入声测管通管；

⑸测定仪器系统声零声时，以备在检测过程中进行声时修正。

1.2.2声测管埋设规定

⑴声测管可用钢管（内径为40～50mm 管，壁厚3mm左右），管身不得有破损，管内壁应光滑，应具有足够的强度和刚度，制作及施工过程中不得有损坏变形；

⑵声测管应从桩底开始设置，直到高出设计桩顶标高50cm 左右，管底用铁板电焊（或管帽）封闭，以防漏水。上端管口要设帽，以防杂物堵塞，检测时又便于打开；

⑶钢管拼接时宜用套管螺纹连接或焊接，接口处要求密封平整以利换能器上落无阻。预埋管应固定在钢筋笼内侧，垂直均匀分布，管与管之间互相平行，各预埋管管底应平齐；

⑷声测管应沿钢筋笼内圆周呈对称分布，当桩径d≤800mm 时，安装2 根声测管；当800mm＜d≤2000mm 时，应安装3 根声测管；当d＞2000mm 时，应安装4 根声测管。应自正北方向开始，按顺时针方向对声测管从“1”开始编号（图2）。

图2 声测管埋设平面示意图

1.2.3现场检测的规定

⑴打开操作系统，运行程序，输入各参数：检测工程名称、桩号、桩长、跨距、增益、增益、延时、系统零声时、步距、计步器轮径、检测时间等；

⑵采集开始时匀速拉动换能器连接线并观察信号出现异常时可回退至信号正常位置再重新收线，确保不是因为采集异常导致信号异常。采集完毕以后观察探头是否已到声测管口以此判断测试桩长以实际桩长是否一致；

⑶如对某个部位缺陷有怀疑时，可加密测试、斜测、扇测及CT 测试，可改变收发换能器移动步距、收发换能器的高差或者采用CT探头进行CT测试。检测完成后及时保存数据，查看文件，可观察到已存到硬盘中的数据文件。进入下一根桩检测时，请在参数中作相应改动，再执行采样、读数和存贮等功能，直到所有桩检测完毕；

⑷在必要时可在现场使用仪器自带的分析软件初步判断比较明显的信号为施工赢得时间，对于复杂、较难判断及有争议的信号应在电脑软件上进行分析处理以免造成不必要损失。

1.3 检测数据的分析与判定

⑴声时、声速和声速平均值分别按下式计算：

式中：

tci——混凝土第i测线的声时（μs）；

ti——第i测线的总声时（μs）；

t0——声波检测系统延迟时间（μs）；

vi——第i测线声速值（km/s）；

Dc——两根声测管外壁间的距离（mm）；

Ai——第i测线的声波波幅值（dB）；

ai——第i测线的声波波幅值（V）；

a0——声波0dB波幅值（V）。

⑵当因声测管倾斜导致声测数据规律性变化时，应先对管距进行合理的修正，然后再对数据进行统计分析。当实测数据明显偏离正常值而又无法合理修正时，不得用于评价桩身完整性。

⑶采用临界值法时应符合下列规定：

①将同一测面全部n 条测线的声速、波幅和主频Xi由大到小依次排序，即：X1≥X2≥…Xm≥Xm+1… ≥Xn-1≥Xn，计算出X及sx值，并按下式计算异常小值判断值：

Xa=X－λ1sx

式中：

Xa——声速、波幅或主频异常小值判断值；

λ1——样本中不同样本总数对应的系数。

将异常小值判断值Xa与最小数据Xn相比较：

当Xa＜Xn时，Xa即为异常情况的判断值。

当Xa≥Xn时，剔除最小值Xn，对剩余的X1～Xn-1按上述方法统计和判别。

通过循环的剔除和判别，直至最终的Xa小于最终参加统计的数据中的最小值为止，此Xa即为最终的异常小值判断值。

测面声速、波幅或主频临界值按下列方法确定：

式中：

Xcr——测面声速、波幅或主频临界值。

将各测线声速、波幅或主频和对应的临界值相比较：

vi＜vcr

Ai＜Acr

当同时满足上述两式时该测线可判定为缺陷测线。桩身完整性判定表（如表1）。

表1 桩身完整性判定

2 工程实例

本项目是位于深圳市宝安区的一个房建项目，建筑桩基设计等级为乙级，采用旋挖（冲、钻）孔灌注桩，桩端持力层为中风化或微风化混合花岗岩，混凝土强度等级为C35。本次对103 根灌注桩进行了声波透射法检测，桩身完整性检测结果为Ⅰ类桩98根，占95.1%，Ⅱ类桩5根，占4.9%。以G-61号桩为例，单桩各剖面声速-深度、波幅-深度曲线（如图3），单桩实测声速、波幅数据（如表2）。1-2、1-3、2-3 三个剖面的实测声速值均大于其声速临界值，实测波幅也均大于其波幅临界值，判定G-61号桩三个剖面均无缺陷，桩身完整性为Ⅰ类。

表2 单桩实测声速、波幅数据

图3 单桩各剖面声速-深度、波幅-深度曲线

3 声波透射法检测重点及难点

3.1 检测过程中接收信号突然消失

这种情况有两种原因，一种是声测管内没有耦合水介质；另外一种是设备系统问题。第一步应先检查声测管是否灌满清水，可以在检测过程中，用水管不断地往声测管加水，直至清水溢出管口为止；然后，将径向换能器十字交叉，上下左右平移采样，查看有无接收波形，若有接收波形，说明设备系统没问题。

3.2 判断设备系统问题的部位

用平面换能器替换径向换能器插在主机上，使平面换能器的声波发射面紧贴，点击采样，如波形无异常，证明仪器本身没问题，只是径向换能器的问题。如果确定是换能器的问题，再换上径向换能器，点击采样，若能听到发射换能器发出的振动声而没有显示波形，可以确定是接收换能器的问题；若听不到发射换能器发出的振动声，需将径向发射换能器更换成平面换能器，用平面换能器的发射面与径向换能器的中间位置并拢，点击采样，如果显示波形，说明接收换能器完好是发射换能器的问题，若上述两种情况都不是，则判定收、发径向换能器都有问题。

3.3 发射正常、接收时好时坏

换能器管口水中调试时波形无异常，放入管底正式检测过程中波形时好时坏，乃至没有接收信号，提至管口时波形又正常，或回收声测线、用换能器十字交叉波形显示正常。这种情况是因为声测线损坏，水密性不足，当水压力较大时渗入换能器压电体，而使换能器的振动灵敏度降低导致信号强度较低，无法接收信号，这种情况建议直接报废换能器，因为一旦压电体故障无法维修，只能更换新的换能器。