浅谈声波透射法灌注桩检测在工程中的应用

　　摘要：文章结合工程施工及检测实际情况,简单阐述了应用声波透射法进行灌注桩质量检测的基本原理、施工工艺和测试技术,以供参考。
　　关键词:声波透射法；桩基检测；基本原理；施工工艺；测试技术
　　1基本原理及方法
　　混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土,声波在其中传播的速度是有一定范围的,当传播路径遇到混凝土有缺陷时,如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等,声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过,声波将发生衰减,造成传播时间延长,使声时增大,计算声速降低,波幅减小,波形畸变,利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化,来分析判断桩身混凝土质量。
　　声波透射法检测桩身混凝土质量,是在桩身中预埋2～4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中,进行声波发射和接收,使超声波在桩身混凝土中传播,用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量,就可判断桩身结构完整性。
　　2适用范围
　　声波透射法适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性,因为桩径较小时,声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。
　　3仪器设备
　　3.1试验装置
　　声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器(亦称探头)、预埋测管等,也有加上换能器标高控制绞车和数据处理计算机。其装置见图1。
　　图1声波透射法试验装置
　　1)超声检测仪;2)发射换能器;
　　3)接收换能器;4)声测管;5)灌注桩
　　3.2超声检测仪的技术性能应符合下列规定
　　接收放大系统的频带宽度宜为5~50kHz,增益应大于100dB,并带有0～60(或80)dB的衰减器,其分辨率应为1dB,衰减器的误差应小于1dB,其档间误差应小于1%。
　　发射系统应输出250～1000V的脉冲电压,其波形可为阶跃脉冲或矩发射系统应输出250～1000V的脉冲电压,其波形可为阶跃脉冲或矩形脉冲。
　　显示系统应同时显示接收波形和声波传播时间,其显示时间范围宜大于300μs,计时精度应大于1μs,仪器必须稳定可行,2h中声时漂移不得大于±0.2μs。
　　3.3换能器
　　换能器应采用柱状径向振动的换能器,将超声仪发出的电脉冲信号转换成机械振动信号,其共振频率宜为25～50kHz,外形为圆柱形,外径530mm,长200mm。换能器宜装有前置放大器,前置放大器的频带宽度宜为5～50kHz。绝缘电阻应达5MΩ,其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。桩径较大时,宜采用增压式柱状探头。
　　3.4声测管
　　声测管是声波透射法检测装置的重要组成部分,宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管,其内径宜为50～60m。
　　4测试技术
　　4.1预埋声测管应符合下列规定
　　桩径0.6～1.0m应埋设双管;1.0～2.5m应埋设三根管;桩径2.5m以上应埋设四根。见图2声测管布置方式。
　　声测管底端及接头应严格密封,保证管外泥冰在1MPa压力下不会渗入管内。上端应加盖。声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧,检测管之间应互相平行。
　　在检测管内应注满清水。
　　4.2现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间t0,并应按下式计算声时修正值t＇
　　t＇=(D-d)/Vt+(d–d＇)/Vw
　　式中:D──检测管外径(mm);
　　d＇──检测管内径(mm);
　　d──换能器外径(mm);
　　Vt──检测管壁厚度方向声速(km/s);
　　Vw──水的声速(km/s);
　　T──声时修正值(μs)。
　　将发、收换能器置于水中,间距0.5m左右,接收信号波幅调节到二或三格,改变发、收换能器间距,测量不同距离的声时值,按时距曲线求出t0值。
　　4.3检测步骤应符合下列要求
　　接收及发射换能器应在装设扶正器后置于检测管内,并能顺利提升及下降。
　　测量时上述发射与接收换能器可置于同一标高,当发射与接收换能器置于不同标高时,其水平测角可取30°～40°
　　测量点距20～40cm。当发现读数异常时,应加密测量点距,以保证测点间声场可以覆盖而不至漏测。
　　发射与接收换能器应同步升降。各测点发射与接收换能器累计相对高差不应大于2cm,并应随时校正。
　　检测宜由检测管底部开始,发射电压值应固定,并应始终保持不变,放大器增益值也应始终固定不变。调节衰减器的衰减量,使接收信号初至波幅度在荧光屏上为2或3格。由光标确定首波初至,读取声波传播时间及衰减器衰减量,依次测取各测点的声时及波幅并进行记录。一根桩有多根检测管时,应将每2根检测管编为一组,分组进行测试,见图2。
　　图2声测管布置方式
　　每组检测管测试完成后,测试点应随机重复抽测10%～20%。其声时相对标准差不应大于5%;波幅相对标准差不应大于10%。并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。测量的相对标准差可按下式计算:
　　式中:声时相对标准差;
　　波幅相对标准差;
　　t第i个测点声时原始测试值(μs);
　　Ai第i个测点波幅原始测试值(dB);
　　tji第i个测点第j次抽测声时值(μs);
　　Aji第i个测点第j次抽测波幅值(dB)。
　　5检测数据的处理与判定
　　5.1由现场所测的数据应绘制声时──深度曲线及波幅(衰减值)──深度曲线
　　其声时tc及声速VP应按下列公式计算:
　　tc=t-to–t’
　　Vp=l/tc
　　式中:tc混凝土中声波传播时间(μs);
　　t──声时原始测试值(μs);
　　t0──声波检测仪发射至接收系统的延迟时间(μs);
　　t’──声时修正值(μs);
　　l──两个检测管外壁间的距离(mm);
　　VP──混凝土声速(km/s)。
　　52桩身完整性应按下列规定判定
　　应采用声时平均值μt与声时2倍标准差σt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值;并应按下列公式计算:
　　式中:n──测点数;
　　tci──混凝土中第i测点声波传播时间(μs);
　　μt──声时平均值(μs);
　　t──声时标准差。
　　亦可按声时-深度曲线相邻测点的斜率Ktz及相邻两点声时差值Δt的乘积Ktz•Δt作为缺陷的判据:
　　Ktz=(tci-tci-1)/(Zi-Zi-1)
　　Δt=tci-tci-1
　　Ktz•Δt=(tci-tci-1)2/(Zi-Zi-1)
　　式中:tci──第i测点的声时(μs);
　　tci-1──第i-1测点的声时(μs);
　　Zi──第i测点的深度(m);
　　Zi-1──第i-1测点的深度(m)。
　　Ktz•Δt值能在声时-深度曲线上明显地反映出缺陷的位置及性能,可结合μt+2t值进行综合判定。
　　波幅(衰减量)比声速对缺陷反应更灵敏,可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示。波幅判断的临界值qD有下列关系:
　　qD=μq-6
　　式中:──衰减量平均值(dB);
　　qi──第i测点的衰减量(dB);
　　n──测点数。
　　对超越临界值的测区应进行缺陷分析与判断。
　　桩的完整性宜采用上述判据,并辅以接收波形的视频率做进一步的综合判定。在作出缺陷判定后,如需判定桩身缺陷尺寸及空间分布,宜进一步采用多点发射,不同深度接收的扇形测量法,用多条交会的声线所测取的波速及波幅的异常加以判定。
　　6工程实例
　　福州某特大桥桩基础进行声波透射法检测,现场测试工作于1997年3月16日完成。
　　拟建场地位于福州峡南,大桥基础采用冲钻孔灌注桩,被测桩编号为Z4-5#,桩径Φ2500mm,桩长45.3m,桩身混凝土强度等级C25,桩端持力层为微风化岩,土层自上而下为:粗砂,砂夹淤泥,砂卵石,微风化岩,详见该工程地质勘察报告。
　　该桩同时采用反射波法进行检测,所用仪器为美国PDI公司生产的PIT桩基完整性检验仪,实测时域曲线见图4。
　　根据声波透射法检测结果分析,桩顶下7~7.5m处,16.5~17.5m处及28.0~32.0m处均有明显的波峰,前两个波峰处其Ktz•Δt值(即PSD判据值)分别为200及580左右,这两处缺陷为局部夹泥,而桩顶下28.0~32.0m处六对测向均无法接收到超声信号,判断该桩28.0~32.0m处桩身混凝土严重离析,不合格桩。
　　声波透射法按5基桩低应变动力检测规程6(JGJ/T93-95)有关规定进行,桩内埋设4根测管,通过测量整个桩身检测区域内的超声波传播时间,观察接收到的信号幅度变化,来分析判断桩身结构完整性。本次检测采用CTS-25型非金属超声检测仪,该桩基中一对测向的声时-深度曲线见图3。
　　由反射波法测得的时域曲线图4可看出,该桩桩顶下32.0m处有与入射波同相位的明显反射波,判断为该处桩身混凝土严重离析,与声波透射法检测结果基本吻合。

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