摘  要  本文介紹了基樁聲波透射法檢測(cè)原理，并對(duì)檢測(cè)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(cè)方法相比具有信息量豐富、無(wú)測(cè)試盲區(qū)、檢測(cè)精度高以及場(chǎng)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(cè)中。

1 基樁聲波透射法檢測(cè)原理

在檢測(cè)過(guò)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(guò)程中表現(xiàn)的波動(dòng)特性；當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時(shí)，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(shí)，將產(chǎn)生波的散射和繞射；根據(jù)波的初至到達(dá)時(shí)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(cè)區(qū)范圍內(nèi)混凝土的密實(shí)度參數(shù)。測(cè)試記錄不同側(cè)面、不同高度上的超場(chǎng)波動(dòng)特征，經(jīng)過(guò)處理分析就能判別測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土存在缺陷的大小及其空間位置。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理

各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)tc、聲速v、波幅Ap及主頻f應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，按下列公式進(jìn)行計(jì)算，并繪制聲帶－深度（–z）曲線、波幅–深度（Ap–z）曲線，需要時(shí)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(cè)點(diǎn)聲時(shí)（μs）；ti為第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)測(cè)量值（μs）；

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

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

Api為第i測(cè)點(diǎn)波幅值（dB）;   ai為第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)首波峰值（V）；

a0為零分貝信號(hào)幅值（V）；   Ti為第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)周期（μs）；

fi為第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)主頻值（kHz）,也可由信號(hào)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(shí)分兩條路徑傳播：一是繞過(guò)缺陷分界傳播；二是直接穿過(guò)缺陷。由于我們是以首波來(lái)讀取聲時(shí)值，所以無(wú)論聲波在何種路徑上傳播，所測(cè)的聲速要比正常部位小。聲時(shí)的測(cè)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(guò)混凝土?xí)r，其高頻部分首先被衰減，穿越的距離越長(zhǎng)，接受頻率越低，接受波前明顯平緩，因而在聲時(shí)測(cè)讀時(shí)使讀數(shù)起始點(diǎn)后移，計(jì)算聲速較低。綜合國(guó)內(nèi)外部分研究資料，并通過(guò)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(gè)剖面的聲速具有參考性，聲測(cè)管的宜布置為正三角形或正方形，并確保聲測(cè)管的平行度。

①概率法。該方法由南京水利科學(xué)院高級(jí)工程師羅騏先提出，它是一種單一的聲速參數(shù)。以一個(gè)剖面的所有測(cè)點(diǎn)（一般測(cè)點(diǎn)總數(shù)不小于20個(gè)）為統(tǒng)計(jì)樣本，首先剔除可疑的數(shù)據(jù)（當(dāng)出現(xiàn)因聲測(cè)管彎曲、系統(tǒng)延時(shí)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(jì)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(duì)于某個(gè)低限聲速C1值，計(jì)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(shuō)明在正常情況下一次也不出現(xiàn)，若實(shí)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(duì)比較法，在各種情況下獲得的物理量比較單一，受檢測(cè)人員操作經(jīng)驗(yàn)的影響比較小。但其變化幅度和范圍不大，對(duì)缺陷反應(yīng)不十分明顯。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)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(cè)剖面n個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速值普遍偏低且離散性很小時(shí)，宜采用聲速低限值判斷；

νi＜νL

式中：νi 第i測(cè)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(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。

當(dāng)上式成立時(shí)，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(shí)，一般聲速低限值相對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度不宜低于0.9R（R為混凝土設(shè)計(jì)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(méi)有實(shí)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(duì)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(shí)，吸收衰減和散射衰減增大，使接受波波幅明顯下降。波幅對(duì)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(cè)量受換能器與測(cè)試樁體的耦合條件等因素的影響比較大，在檢測(cè)過(guò)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(shí)應(yīng)結(jié)合其他聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行判斷。波幅異常時(shí)的臨界值判據(jù)應(yīng)按下列公式計(jì)算：

Am=∑ Api/n        Api＜Am-6

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

當(dāng)上式成立時(shí)，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(chēng)為“相鄰兩測(cè)點(diǎn)間聲時(shí)的斜率和差值的乘積判據(jù)”。PSD值按下列公式計(jì)算：

PSD＝K﹒△t    K=tci-tci-1/zi-zi-1

△t－tci-tci-1

式中tci為第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)（us）；tci-1為第i-1測(cè)點(diǎn)聲時(shí)（us）；zi為第i測(cè)點(diǎn)深度（m）；zi-1為第i－1測(cè)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(shí)值在缺陷區(qū)的變化規(guī)律是一個(gè)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(shí)的變化（PSD判據(jù)的大小主要取決于相鄰測(cè)點(diǎn)聲時(shí)的差值），對(duì)缺陷的反應(yīng)比較敏感，同時(shí)，也減小了因聲測(cè)管不平行或混凝土不均勻等非缺陷因素造成的測(cè)試誤差對(duì)數(shù)據(jù)分析判斷的影響。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，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(cè)（加密平測(cè)、斜測(cè)和扇形掃測(cè)），進(jìn)行綜合判斷。但是，采用PSD判據(jù)法時(shí)應(yīng)注意的是當(dāng)樁身缺陷為緩變型時(shí)，聲時(shí)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(guò)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(hào)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(duì)缺陷的敏感性介于波速和波幅之間，其測(cè)試數(shù)據(jù)值沒(méi)有波速穩(wěn)定，受非缺陷因素影響比較大，所以在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程不常用。

當(dāng)脈沖直接穿過(guò)缺陷或者繞過(guò)缺陷時(shí)，會(huì)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(shí)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(shí)踐證明，凡聲脈沖在傳播過(guò)程上遇到缺陷，其接受波形往往主生畸變，目前對(duì)由于對(duì)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(shí)際檢測(cè)過(guò)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(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，以單一的判據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)基樁成樁質(zhì)量是不全面不科學(xué)的?；鶚痘硗暾灶?lèi)別結(jié)合樁身各個(gè)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?yàn)樵撈拭娴娜毕蔹c(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(cè)管的傾斜所致，則進(jìn)行管距修正，再重新計(jì)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(cè)點(diǎn)可確定為可疑點(diǎn)。對(duì)各剖面的異常點(diǎn)進(jìn)行細(xì)測(cè)（加密平測(cè)或斜測(cè)）。②缺陷范圍以及缺陷程度的推斷?？疾旄鱾€(gè)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(shuō)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(duì)缺陷程度的推斷主要依據(jù)缺陷處的實(shí)測(cè)聲速和波幅與正常混凝土的聲速、波幅的偏離程度（正?；炷谅晫W(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(shí)測(cè)波形的畸變程度。③除了對(duì)以上各個(gè)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(jì)要求、受荷狀況（抗拔、抗壓、抗水平力）、基礎(chǔ)類(lèi)型（單樁承臺(tái)或群樁承臺(tái)）、缺陷出現(xiàn)的部位（樁上部、中部或下部）等因素。

4結(jié) 語(yǔ)

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(cè)樁身部分混凝土質(zhì)量，對(duì)于支承樁或嵌巖樁，宜同時(shí)采用低應(yīng)變反射法檢測(cè)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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