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声波透射法测桩培训教程南京水利科学研究院南京水利科学研究院2009.22009.2目目 录录1 1 声学基础声学基础2 2 仪器设备仪器设备3 3 现场测试现场测试4 4 室内分析室内分析 5 5 工程实例工程实例声波透射法检测灌注桩质量声学基础篇混凝土超声检测技术因其用途广泛、探测距离大、完全不破坏结构物等优点，迅速在国内外普及推广，成为应用最广泛的混凝土无破损检测方法。应用情况应用情况国外始于上世纪40年代后期；国内始于上世纪50年代中期，1980年代用于桩基检测，掀起了新一轮应用高潮。1.1.1混凝土超声波检测技术的发展1.1.2超声波测桩技术规范建设部标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T 93-95）中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS 21:2000）国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）建设部标准建筑基桩检测技术规范（JGJ 106-2003）交通部标准公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004）声波是物体机械振动时迫使周围介质也声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动。动。接收换能器接收到的由声源传过来的声接收换能器接收到的由声源传过来的声波，是该点在声波作用下的振动过程。波，是该点在声波作用下的振动过程。振动大小和方向随时间而变化的过程曲振动大小和方向随时间而变化的过程曲线称为波形。超声仪屏幕上的图线就是传播线称为波形。超声仪屏幕上的图线就是传播到接收换能器所在位置的声波的波形。到接收换能器所在位置的声波的波形。1.2.1超声波波形周期T相位相同的相邻的波之间所经历的时间。频率f周期的倒数，Hz。混凝土超声检测使用频率20200kHz。振幅A波动的幅度，表征波的强弱，以屏幕上波高度的毫米数、输出电压值或分贝（dB）表示。波长声波波动一次所传播的距离。波速v单位时间波传播的距离，m/s。1.2.2波形参数波长、频率、波速间关系 1.2.2波形参数纵波纵波(P(P波波)介质质点的振动方向与波的传播方向一致。介质质点的振动方向与波的传播方向一致。1.3波的分类纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体、液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，纵波可以在任何固体、液体、气体中传播。1.3波的分类横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应力变化而传播，和介质切变弹性有关。由于液体、气体无一定形状，其形状发生变化时不产生切变应力，所以液体、气体不能传播横波,横波只能在固固体中传播。横波横波(S(S波波)介质质点的振动方向与波介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。的传播方向垂直。表面波表面波 沿固体表面传播的波，它是由纵波和横波组合而成，又称瑞利波，R波。通常的超声换能器置于混凝土表面发射时，振动状况复杂，既有纵向振动又有横向振动，发射出的超声波既有纵波,也有横波和表面波。1.3波的分类同一种类型的波，在同一种介质中，边界条件不同，传播速度也不同。无限大或半无限大介质中纵波速度 薄板中（板厚远小于波长）纵波速度 细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波速度 1.4声波在介质中的传播速度1.4声波在介质中的传播速度无限介质中横波速度 固体表面传播的表面波速度 1.4声波在介质中的传播速度混凝土因此1.4声波在介质中的传播速度桩基检测时，声波透射法及低应变反射波法测得的波速为什么不同？1.5声波在介质界面的反射和折射声波在传播过程中，由一种介质到达另一种介质，在两种介质的分界面（界面）上，声波会发生方向和能量的变化：一部分声波被反射回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波透过界面在另一种介质中继续传播，称为折射波。反射系数与透射系数的大小取决于两种介质的声学特性，具体来说取决于介质的特性阻抗Z。特性阻抗Z表征介质的声学特性，其值为介质的密度和波速的乘积，即Z=v 1.5声波在介质界面的反射和折射 项目材料杨氏弹性模量（104MPa）泊松比密 度（g/cm3）声速（m/s）特性阻抗v(104g/cm2.s)vPvS钢21.00.297.859403220470玻璃7.00.252.558003350129陶瓷5.90.232.453003100130混凝土3.00.282.445002756108石灰石7.20.312.761303200166淡水 200.998148114.8空气200.00123430.004IRTZ1=1v1Z1=2v2R+T=1，符合能量守恒定律；Z1=Z2时，R=0，T=1，即当两种介质特性阻抗相等时，声波全部透过界面，无反射；两种介质特性阻抗相差悬殊时（Z1Z2或Z11500mm，4根。JGJ106-2003：D800mm，2根；8002000mm，不少于4根。CECS21:2000：600D2500mm，4根。4)声测管数量及布置声测管数量及布置 a)b)c)声测管埋设示意图a)双管；b)三管；c)四管1.管口加盖2.管底封闭3.管中灌水4.管子绑牢5.管间平行5)声测管安装声测管安装3.3声测管的安装埋设管口高出桩顶300mm以上；埋设至桩底；牢固焊接或绑扎在钢筋笼的内侧。3.4对仪器设备的要求对超声仪的要求：对超声仪的要求：1.应包括信号放大器、数据采集及处理存储器、径向振动换能器；2.具有一发双收功能；3.声波发射应采用高压阶跃脉冲或矩形脉冲，电压最大值不应小于1000V，且分档可调。1.接收放大器的频带宽度为5200kHz，增益不应小于100dB，放大器的噪声有效值不大于2V；波幅测量范围不小于80dB，测量误差小于1dB。2.2.计时显示范围应大于2000s，精度优于0.5s，计时误差不应大于2%。3.3.采集器模-数转换精度不应低于8 bit，采样频率不应小于10MHz，最大采样长度不应小于32kB。对接收放大与数据采集的要求：对接收放大与数据采集的要求：3.4对仪器设备的要求对径向振动换能器的要求：对径向振动换能器的要求：1.径向水平面无指向性；2.谐振频率宜大于25kHz；3.1MPa水压下能正常工作；4.收、发换能器的导线均应标注长度，标注允许偏差不应大于10mm；5.接收换能器宜带有前置放大器，频带宽度宜为560kHz；6.单孔检测采用一发双收换能器，发射换能器至接收换能器的最近距离不应小于30cm，两接收换能器的间距宜为20cm。3.4对仪器设备的要求接受委托接受委托调查、资料收集调查、资料收集制定检测方案制定检测方案前期准备前期准备现场检测现场检测计算分析和结果评价计算分析和结果评价检测报告检测报告设备、仪器检定设备、仪器检定重新检测、验证、扩大检测重新检测、验证、扩大检测3.5检测工作程序3.6检测前的准备工作1）被检桩的混凝土龄期应大于14d；2）声测管内应灌满清水，且保证通畅；3）标定超声波检测仪发射至接收的系统延迟时间t0；4）准确量测声测管的内、外径和两相邻声测管外壁间的距离，量测精度为1mm；5）取芯孔的垂直度误差不应大于0.5%，检测前应进行孔内清洗。检测前的准备应符合下列规定：检测前的准备应符合下列规定：检测前还应收集的信息：检测前还应收集的信息：1）了解灌注桩有关技术资料，包括地质资料、桩长、桩径、混凝土设计标号、龄期；灌注桩施工情况，有无异常等；2）记录桩底及桩顶的设计标高；3）测量声测管管口标高；4）绘出各声测管方位图。3.6检测前的准备工作检测剖面的编号及检测次序检测剖面的编号及检测次序2根管1个剖面：1-23根管3个剖面：1-2、2-3、3-14根管6个剖面：1-3、2-4、1-2、2-3、3-4、4-11234声测管的布置以路线前进方向的顶点为起始点，按顺时针旋转方向进行编号和分组，每两根编为一组。3.6检测前的准备工作JGJ/TF81-01-2004规定：重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测桩数不少于50%。GB50007-2002规定：直径大于800mm的混凝土嵌岩桩应采用钻孔抽芯法或声波透射法检测，检测桩数不得少于总桩数的10%，且每根柱下承台的抽检桩数不得少于1根。JGJ106-2003规定：声波透射法仅适用于在灌注桩成型过程中已经预埋了两根或两根以上声测管的基桩，抽检数量不得少于总桩数的10%。抽检数量抽检数量3.6检测前的准备工作3.7现场检测(1)测点间距不宜大于250mm。发射与接收换能器应以相同标高同步升降，其累计相对高差不应大于20mm，并随时校正；(2)在对同一根桩的检测过程中，声波发射电压应保持不变；(3)对于声时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫描等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。现场检测要求现场检测要求1)声时，波速2)2）首波波幅缺陷处声学参数特征缺陷处声学参数特征3.7现场检测3.7现场检测4)波的传播路径复杂，各种波叠加造成波形畸变3)接收波主频值缺陷处声学参数特征缺陷处声学参数特征AB1.常规对测测点间距S250mm2.局部加密对测S100mm3.A高B低斜测S同加密对测4.A低B高斜测S同加密对测现现场场缺缺陷陷测测试试程程序序3.7现场检测3.8验证检测对于声波透射法检测结果有争议时对于声波透射法检测结果有争议时u重新检测重新检测u钻芯法验证钻芯法验证u静载试验静载试验声波透射法检测灌注桩质量室内分析篇4.1声速计算发、收换能器置于清水中的同一高度；中心间距从400mm开始逐次加大；定幅测量不同间距下的声时，不少于5点；分别以纵、横轴表示间距和声时作图，声时横轴上的截距即为t04.1.1 4.1.1 回归法标定回归法标定t t0 0l1(t1)l2(t2)4.1.2 4.1.2 长短测距法标定长短测距法标定t t0 04.1声速计算4.1.3 4.1.3 实际声时值计算实际声时值计算计算实际声时值时，应扣除两部分时间：1)声波检测系统延迟时间t0；2)声时修正值t/，包括两部分:4.1声速计算a)超声波在声测管水中的传播时间tw；b)超声波在声测管管壁中的传播时间tt。4.1声速计算vw=1483m/svt=5800m/sDdd/l4.1.4 4.1.4 透射法声速计算透射法声速计算t两个接收换能器间声时差；t1近道接收换能器声时；t2远道接收换能器声时；vi第i测点的声速值；h两个接收换能器间距离。4.1.5 单孔折射法声速计算单孔折射法声速计算l30cm，h宜为20cm4.1声速计算缺陷分析方法异常测点判断概率法、PSD法异常范围判断阴影重叠法异常程度判断超声波CT4.2.1异常测点判断概率法南京水利科学研究院罗骐先教授提出，现已编入各类超声检测规范。基本构想如下：1)正常混凝土质量波动是偶然误差所引起，符合正态分布；2)缺陷是由过失误差（漏振、漏浆、架空等）引起，不符合正态分布；3)找出一批检测数据的临界值，低于临界值就是缺陷异常点。4.2.1异常测点判断概率法步骤步骤1 1 将同一检测剖面各测点的声速值将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小由大到小依次排列依次排列步骤步骤2 2 逐一去掉逐一去掉vi序列中最小数值。当去掉最小数序列中最小数值。当去掉最小数值的数据个数为值的数据个数为k时，对余下的数据时，对余下的数据v1vn-k统计计统计计算算4.2.1异常测点判断概率法对n-k个测点统计平均值、标准差 测点数不少于20个4.2.1异常测点判断概率法步骤步骤3 3 将vn-k与异常判断值与异常判断值vD比较，当比较，当vn-k vD时，时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉及其以后的数据均为异常，去掉vn-k，对数据，对数据v1vn-k-1重复步骤重复步骤1、步骤、步骤2，直，直到到vi序列中余下的全部数据满足序列中余下的全部数据满足JGJ106-2003按波速从小往大依次计算JGJ/T F81-01-2004及 CECS21:2000舍弃明显的波速异常值后试算4.2.1异常测点判断概率法高低4.2.1异常测点判断概率法序号12345678910t(us)106.4107.2107.9109.2109.4109.6109.6109.6110.4110.4序号11121314151617181920t(us)111.2111.4111.6111.8112.2112.4114.3114.6115.1115.8假设t16、t20可疑，对t1t15统计：n=15，=109.9，=1.71，=109.9+21.71=113.3t15tD说明t17为异常值。4.2.2异常测点判断PSD法湖南大学吴慧敏教授提出PSD：声参数-深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积（ProductofSlopeandDifference）z(cm)tc(us)PSD101770201750301803401790502606566025537023063801802509018101001810单位：cm?m?当检测剖面n个测点的波速值普遍偏低且离散性很小，采用波速低限值判据vL波速低限值，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，结合本地区实际经验确定 波速低限值判据4.2.4声测管管距问题及修正规范要求声测管平行，实际上很难做到。极限状况下两根声测管靠到一起。管口测量值并不能代表每一深度的实际管距。计算出的声速波动很大，无法用概率法统计。PSD可削减管距变化的干扰。有时会出现误判，有时掩盖缺陷。D（mm）117410749740-5-10-15-20H（m）高程真实管距曲线0-5-10-15-20H（m）c（km/s）5.65.35.0实测的高程波速曲线0-5-10-15-20H（m）c（km/s）5.35.04.74.7处理修正后的高程波速曲线4.2.4声测管管距问题及修正4.2.5用振幅判断缺陷JGJ/TF81-01-2004JGJ106-2003CECS21:2000以波幅的一半作为临界值。概率法偏严，有时会误判标准差大，计算的临界值小，有时会漏判将所有相交的缺陷阴影区进行叠加，其交叉重叠所围成的区域，称为缺陷阴影区，即为缺陷的范围。阴影重叠法原理BAC4.3缺陷区域判断阴影重叠法声测管周围局部缺陷实际缺陷异常测线正常测线缺陷阴影检测缺陷范围abdchfgei4.3缺陷区域判断阴影重叠法声测管之间局部缺陷efabijklcdgh4.3缺陷区域判断阴影重叠法缩颈缺陷hfbgjidclkea4.3缺陷区域判断阴影重叠法分析实例-11.5-12.5-13.5-14.5-13.25-13.00A管B管C管A管J缺陷轮廓缺陷区4.3阴影重叠法4.4.1缺陷性质的判断1.桩底沉渣 声速低，波幅衰减严重；2.层状缺陷 声速与波幅明显下降，桩身则为断桩，桩头则超高不够；3.孔壁坍塌或泥团 若包裹声测管则波幅衰减严重，斜测可分辨。4.孔壁坍塌或泥团 若包裹声测管则波幅衰减严重，斜测可分辨。5.蜂窝 声速下降不大，波幅明显衰减。4.4.2桩身完整性评价JTG/T F81-01-2004类型缺陷特征各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变4.4.3桩身完整性评价JGJ106-2003类别特征（表10.4.7）特征（表3.5.1）各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常桩身完整某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低限值异常桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常；桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变桩身存在严重缺陷4.5.1检测报告内容通用部分1.委托方名称，工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理和施工单位，基础，结构型式，层数，设计要求，检测目的，检测依据，检测数量，检测日期；2.地质条件描述，包括土层分布及物理力学指标；3.受检桩的桩号、桩位和相关施工记录；4.检测方法，检测仪器设备，检测过程叙述；5.受检桩检测数据，实测与计算分析曲线、表格和汇总结果；6.与检测内容相应的检测结论；7.检测中异常情况的说明，检测机构认为有必要说明的问题。4.5.2检测报告内容除超声波法单桩检测报告单中的内容外，检测除超声波法单桩检测报告单中的内容外，检测报告还应包括：报告还应包括：1)受检桩各声测剖面声速深度曲线、波幅深度曲线，并将相应判据临界值所对应的标志线绘制于同一坐标系；2)当采用PSD值进行辅助分析判定时，绘制PSD曲线；3)桩缺陷位置及程度的分析说明。4.5.3检测报告示例超声波法检测结果汇总表序号桩号施工日期测试日期桩径(m)桩长(m)平均声速(km/s)平均波幅(dB)桩身完整性类别工程名称：检测人：审核人：4.5.3检测报告示例超声波法单桩检测报告单提交报告时间：年 月 日4.5.4报告签章l检测、分析、校核、审批人员（技术负检测、分析、校核、审批人员（技术负责人）签名；责人）签名；l加盖机构报告专用章（包括骑缝章）；加盖机构报告专用章（包括骑缝章）；l加盖计量认证章（加盖计量认证章（CMACMA章）章）N测线数目；m单元数目；Li第i条测线长度；i测线沿Li的走时；Vj(x,y)单元j的波速；aij测线i在网格j中的长度；fj(x,y)单元j的慢度，亦即波速的倒数。由Randon变换(1)假设单元足够小，fj(x,y)可以看作常量(2)或者写成(3)4.6超声波CT简介迭代类算法：代数重建技术（ART）；最优化准则和联合迭代技术（SIRT）。最小二乘类算法：最小二乘法QR分解法（LSQR）；共轭梯度法（CGLS）。4.6超声波CT简介4.6超声波CT简介4.6超声波CT简介4.6超声波CT简介声波透射法检测灌注桩质量工程实例篇5.1特大桥灌注桩1桩顶以下42m附近为低强区，芯样试压结果为10MPa以下，与超声推算强度一致。5.2特大桥灌注桩2桩头以下15m处超声波信号异常。后钻芯取样，发现芯样不完整，局部芯样破碎，该处混凝土不密实。超声波测桩现场5.3大桥灌注桩15.4大桥灌注桩2桩头以下2m左右超声波信号异常，开挖发现钢筋笼严重偏斜，局部区域（高80宽55深25cm）钢筋外露、夹泥。5.5高层建筑灌注桩桩顶以下8.5m附近混凝土严重不密实，芯样不成形 5.5高层建筑灌注桩王五平单位：南京水利科学研究院电话：E-mail：欢迎提出宝贵意见！欢迎提出宝贵意见！