摘  要  本文介紹了基樁聲波透射法檢測原理，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和判斷

關(guān)鍵詞  基樁聲波透射法  聲速判據(jù)  波幅判據(jù)  PSD判據(jù)  綜合判定

基樁聲波透射法與其他完整性檢測方法相比具有信息量豐富、無測試盲區(qū)、檢測精度高以及場地局限性小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到大直徑基樁樁身完整性檢測中。

1 基樁聲波透射法檢測原理

在檢測過程中，由超聲脈沖發(fā)射源向混凝土內(nèi)發(fā)射調(diào)頻彈性脈沖，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在混凝土內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)的波動特性；當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時，缺陷形成波阻抗界面，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明顯降低；當(dāng)混凝土內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等嚴(yán)重缺陷時，將產(chǎn)生波的散射和繞射；根據(jù)波的初至到達(dá)時間和波的能量衰減特性、頻率變化及波形畸變程度等特征，可以獲得測區(qū)范圍內(nèi)混凝土的密實度參數(shù)。測試記錄不同側(cè)面、不同高度上的超場波動特征，經(jīng)過處理分析就能判別測區(qū)內(nèi)混凝土存在缺陷的大小及其空間位置。

2 檢測數(shù)據(jù)的處理

各測點(diǎn)的聲時tc、聲速v、波幅Ap及主頻f應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，按下列公式進(jìn)行計算，并繪制聲帶－深度（–z）曲線、波幅–深度（Ap–z）曲線，需要時可繪制輔助的主頻–深度（f-z）曲線。

tci=t--t0-t'‘   νi=l’/tci    Api=201gai/a0  fi=1000/Ti

式中tci為第i測點(diǎn)聲時（μs）；ti為第i測點(diǎn)聲時測量值（μs）；

t0為儀器系統(tǒng)延遲時間（μs）；t'‘為聲測管及耦合水層聲時修正值（μs）；

L’為每檢測剖面相應(yīng)兩聲測管的外壁間凈距離（mm）; νi為第i測點(diǎn)聲速（km/s）;

Api為第i測點(diǎn)波幅值（dB）;   ai為第i測點(diǎn)信號首波峰值（V）；

a0為零分貝信號幅值（V）；   Ti為第i測點(diǎn)信號周期（μs）；

fi為第i測點(diǎn)信號主頻值（kHz）,也可由信號頻譜的主頻求得。

3 數(shù)據(jù)分析與判斷

（1）聲速判據(jù)。聲波在傳播路徑上遇到缺陷時分兩條路徑傳播：一是繞過缺陷分界傳播；二是直接穿過缺陷。由于我們是以首波來讀取聲時值，所以無論聲波在何種路徑上傳播，所測的聲速要比正常部位小。聲時的測讀受到聲波脈沖收發(fā)間距影響，由于混凝土的衰減作用，當(dāng)聲波脈沖穿過混凝土?xí)r，其高頻部分首先被衰減，穿越的距離越長，接受頻率越低，接受波前明顯平緩，因而在聲時測讀時使讀數(shù)起始點(diǎn)后移，計算聲速較低。綜合國內(nèi)外部分研究資料，并通過一部分完好樁（已扣除t’）與預(yù)留試塊聲速的比較，取以下修正值：

L=100cm，  Ki=1.05；   L＝150cm    Ki＝1.020;    L=200cm   Ki＝1.023；

為了使在同一根樁中的各個剖面的聲速具有參考性，聲測管的宜布置為正三角形或正方形，并確保聲測管的平行度。

①概率法。該方法由南京水利科學(xué)院高級工程師羅騏先提出，它是一種單一的聲速參數(shù)。以一個剖面的所有測點(diǎn)（一般測點(diǎn)總數(shù)不小于20個）為統(tǒng)計樣本，首先剔除可疑的數(shù)據(jù)（當(dāng)出現(xiàn)因聲測管彎曲、系統(tǒng)延時t0設(shè)置不當(dāng)、人為因素等造成聲速明顯高于或明顯低于混凝土正常波速）。統(tǒng)計整根樁的聲速平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，然后進(jìn)行判斷：

對于某個低限聲速C1值，計算該點(diǎn)的Ki值：Ki=C1-μ/σ，再根據(jù)Ki值查正態(tài)分布表，求出C1值出現(xiàn)的概率P（C1）允許出現(xiàn)的次數(shù)N﹒P（C1），若N﹒P（C1）＜1說明在正常情況下一次也不出現(xiàn)，若實現(xiàn)了，則表明該點(diǎn)是缺陷。

聲速概率法本質(zhì)上是一種相對比較法，在各種情況下獲得的物理量比較單一，受檢測人員操作經(jīng)驗的影響比較小。但其變化幅度和范圍不大，對缺陷反應(yīng)不十分明顯。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，應(yīng)結(jié)合實際聲速與正常值的偏離程度以及其他聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行異常點(diǎn)的鑒別和缺陷判定。

②聲速低限值法。當(dāng)檢測剖面n個測點(diǎn)的聲速值普遍偏低且離散性很小時，宜采用聲速低限值判斷；

νi＜νL

式中：νi 第i測點(diǎn)聲速（km/s）

     νL 聲速低限值（km/s）,由預(yù)留同條件混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與聲速對比試驗結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)實際經(jīng)驗確定。

當(dāng)上式成立時，可直接判斷為聲速低于低限異常。

使用聲速低限值作為判據(jù)時，一般聲速低限值相對應(yīng)的混凝土強(qiáng)度不宜低于0.9R（R為混凝土設(shè)計強(qiáng)度），若試件為鉆芯樣，則不宜低于0.85R。聲速低限值應(yīng)根據(jù)混凝土齡期合理取值，否則低限值判據(jù)便沒有實際意義。

（2）波幅判據(jù)。一般認(rèn)為，接收波幅強(qiáng)弱與混凝土的黏塑性有關(guān)。接收波幅值越低，混凝土對聲波的衰減就越大。根據(jù)混凝土中聲波衰減的原因可知，當(dāng)混凝土中存在低強(qiáng)區(qū)、離析區(qū)、夾泥、蜂窩等缺陷時，吸收衰減和散射衰減增大，使接受波波幅明顯下降。波幅對缺陷的反應(yīng)比較敏感，是缺陷判斷的重要參數(shù)。但是波幅的測量受換能器與測試樁體的耦合條件等因素的影響比較大，在檢測過程中應(yīng)注意換能器的選用并保證耦合劑中不含泥漿、砂子等懸浮物，在運(yùn)用波幅判據(jù)時應(yīng)結(jié)合其他聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行判斷。波幅異常時的臨界值判據(jù)應(yīng)按下列公式計算：

Am=∑ Api/n        Api＜Am-6

式中Am----波幅平均值（dB）；  n----檢測剖面測點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)上式成立時，波幅可判為異常。

（3）PSD判據(jù)。PSD判據(jù)是河南省公路管理局與湖南大學(xué)土木系于1983年為確保鄭州黃河公路大橋樁基質(zhì)量而研制成功的可以定性、定量判斷樁身質(zhì)量的方法。PSD被稱為“相鄰兩測點(diǎn)間聲時的斜率和差值的乘積判據(jù)”。PSD值按下列公式計算：

PSD＝K﹒△t    K=tci-tci-1/zi-zi-1

△t－tci-tci-1

式中tci為第i測點(diǎn)聲時（us）；tci-1為第i-1測點(diǎn)聲時（us）；zi為第i測點(diǎn)深度（m）；zi-1為第i－1測點(diǎn)深度（m）.

PSD判據(jù)建立在這樣的理論，即缺陷區(qū)超聲波傳播介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生突變，聲時值在缺陷區(qū)的變化規(guī)律是一個不連續(xù)的函數(shù)。PSD判據(jù)放棄了聲速值按正態(tài)分布的假定，突出了聲時的變化（PSD判據(jù)的大小主要取決于相鄰測點(diǎn)聲時的差值），對缺陷的反應(yīng)比較敏感，同時，也減小了因聲測管不平行或混凝土不均勻等非缺陷因素造成的測試誤差對數(shù)據(jù)分析判斷的影響。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，根據(jù)PSD判據(jù)在某深度處的突變，結(jié)合波幅變化情況，并進(jìn)一步細(xì)測（加密平測、斜測和扇形掃測），進(jìn)行綜合判斷。但是，采用PSD判據(jù)法時應(yīng)注意的是當(dāng)樁身缺陷為緩變型時，聲時值也呈緩變型，PSD判據(jù)并不敏感。

（4）其它輔助判據(jù)。聲波脈沖是復(fù)頻波，具有多種頻率成分。當(dāng)它們穿過混凝土后，各頻率成分的衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴(yán)重，因而導(dǎo)致接收信號的主頻率向低頻端漂移。其漂移的多少取決于衰減因素的嚴(yán)重程度，一般認(rèn)為主頻漂移的程度越大，該點(diǎn)的混凝土質(zhì)量就越差。主頻對缺陷的敏感性介于波速和波幅之間，其測試數(shù)據(jù)值沒有波速穩(wěn)定，受非缺陷因素影響比較大，所以在實際檢測過程不常用。

當(dāng)脈沖直接穿過缺陷或者繞過缺陷時，會形成波線不同的波束，這些波束由于傳播的路徑不同，或由于界面上產(chǎn)生的波形轉(zhuǎn)換而形成橫波等原因，使得到達(dá)接受換能器的時間不同，因而使接收波成為許多相位或不同相位的波束的疊加波，導(dǎo)致波形畸變。實踐證明，凡聲脈沖在傳播過程上遇到缺陷，其接受波形往往主生畸變，目前對由于對缺陷導(dǎo)致波形畸變的畸變程度作定量分析還比較困難，因此它在實際檢測過程中僅作為輔助判據(jù)。

（5）綜合判定。混凝土是一種多種材料的集結(jié)體，聲波在其中傳播是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，以單一的判據(jù)來評價基樁成樁質(zhì)量是不全面不科學(xué)的。基樁基身完整性類別結(jié)合樁身各個聲學(xué)參數(shù)的臨界值、PSD判據(jù)、混凝土聲速低限值、波形等判據(jù)綜合判斷分析。①采用概率法確定各臨界值相差較大，則應(yīng)分析原因。如果是因為該剖面的缺陷點(diǎn)很多聲速離散太大則應(yīng)參考其它樁的臨界值；如果是因聲測管的傾斜所致，則進(jìn)行管距修正，再重新計算聲速臨界值；如果聲速的離散性不大，但臨界值明顯偏低，則這樣的測點(diǎn)可確定為可疑點(diǎn)。對各剖面的異常點(diǎn)進(jìn)行細(xì)測（加密平測或斜測）。②缺陷范圍以及缺陷程度的推斷。考察各個剖面是否在同高程的缺陷，如果不存在同一高程的缺陷，則說明該缺陷在樁身截面的分布范圍不大，該缺陷的縱向尺寸將由缺陷所在該剖面的投影的縱向尺寸確定，如果存在同一高程的缺陷，則依據(jù)程度的推斷主要依據(jù)缺陷的投影大致推斷該缺陷的縱向尺寸和在樁向橫截面上的位置和范圍。對缺陷程度的推斷主要依據(jù)缺陷處的實測聲速和波幅與正常混凝土的聲速、波幅的偏離程度（正常混凝土聲學(xué)參數(shù)可取其平均值），并觀察缺陷處PSD判據(jù)的突變程度和實測波形的畸變程度。③除了對以上各個判據(jù)進(jìn)行綜合判定外，還應(yīng)該考慮到施工工藝、施工記錄以及樁的承載機(jī)理（摩擦型或端承型）、設(shè)計要求、受荷狀況（抗拔、抗壓、抗水平力）、基礎(chǔ)類型（單樁承臺或群樁承臺）、缺陷出現(xiàn)的部位（樁上部、中部或下部）等因素。

4結(jié) 語

本文所探討的基樁聲波透射法一般適用于樁徑不小于800mm的灌注樁。由于基樁聲波透射法只能檢測樁身部分混凝土質(zhì)量，對于支承樁或嵌巖樁，宜同時采用低應(yīng)變反射法檢測樁端的支承情況，確保樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮。

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