超声波桩基检测技术培训.pptx

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1、声波透射法（超声波法）：在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和折射，因而达到接收换能器时，根据声时、波幅及主频等特征参数的变化来判别桩身的完整性。鉴于目前高重建筑、公路桥梁工程大量使用大直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用在基桩的检测中。第1页/共130页分四个部分讲解：l声学理论l检测技术l测试方法l工程实例第2页/共130页第一部分 基本原理l波动与声波的概念l声波在介质中的传播速度l声波在介质界面上的反射与透射l声波在传播过程中的衰减l混凝土

2、中的声波特性第3页/共130页第一章声波法透射法的基本原理第一章声波法透射法的基本原理第一章声波法透射法的基本原理第一章声波法透射法的基本原理第4页/共130页声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理一、波动与声波的概念一、波动与声波的概念波动：波动：波动：波动：在空间某处发生的扰动，以一定的速度由在空间某处发生的扰动，以一定的速度由在空间某处发生的扰动，以一定的速度由在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。分近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。分近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。分近及远地传播，这种

3、传播着的扰动称为波动。分为为为为机械波机械波机械波机械波和和和和电磁波。电磁波。电磁波。电磁波。机械波：机械波：机械波：机械波：机械扰动在介质内的传播形成的波，如应机械扰动在介质内的传播形成的波，如应机械扰动在介质内的传播形成的波，如应机械扰动在介质内的传播形成的波，如应力波、水波、声波等。力波、水波、声波等。力波、水波、声波等。力波、水波、声波等。电磁波：电磁波：电磁波：电磁波：电磁扰动在真空或介质内的传播形成的波，电磁扰动在真空或介质内的传播形成的波，电磁扰动在真空或介质内的传播形成的波，电磁扰动在真空或介质内的传播形成的波，如无线电波、光波、红外线等如无线电波、光波、红外线等如无线电波、

4、光波、红外线等如无线电波、光波、红外线等第5页/共130页声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理声波法透射法的基本原理声波：声波：声波：声波：是在介质中传播的机械波，依据波动频率是在介质中传播的机械波，依据波动频率是在介质中传播的机械波，依据波动频率是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同分为：的不同分为：的不同分为：的不同分为：次声波：次声波：02101Hz可闻声波：可闻声波：2101Hz2104Hz超声波：超声波：2104Hz1010Hz特超声波：特超声波：1010Hz用于混凝土声波透射法检测的声波频率一般为：用于混凝土声波透射法检测的声波频率一般为：2104

5、Hz2.51010Hz同样依据质点振动方向与波的传播方向的可分为：同样依据质点振动方向与波的传播方向的可分为：纵波、横波及表面波。纵波、横波及表面波。第6页/共130页各种声波的频率范围（Hz）次声波可闻声波超声波特超声波0202020K20K100M100M 在混凝土中超声检测使用的频率一般在20KHz200KHz范围内。第7页/共130页 不同类型的波在传播过程中速度各不相同，且其声速还取决于固体介质的性质（密度、弹性模量、泊松比），所以声速是表征介质声学特性的一个参数。另外，声通的大小还与固体介质的边界条件有关。二、声波在介质中的传播速度 第8页/共130页1、纵波声速 在无限大固体介质

6、中传播的纵波声速：(1.11)式中：E 杨氏弹性模量；泊松比；密度。在有限固体介质中传播时，则形成制导波，其速度变小。第9页/共130页2、横波声速 在无限大固体介质中传播的横波声速：在无限大固体介质中传播的横波声速：式中：式中：G G 切变弹性模量。切变弹性模量。第10页/共130页3、材料的弹性参数与声速值 下表列出了部分材料的弹性参数与声速值。第11页/共130页 通过对固体介质声速的讨论可以看出：（1）介质的弹性性能愈强即E或G愈大，密度愈小，则声速愈高。（2）把（1.11）、（1.12）两式相除，得到纵、横波速度之比：(1.13)对于一般固体介质大约在0.33左右，故p s2。混凝土

7、的泊松比介于0.20、0.30之间，因此ps介于1.631.87之间，即在混凝土中，纵波速在混凝土中，纵波速度为横波速度的度为横波速度的1.631.631.871.87倍。倍。第12页/共130页 声波在无限大介质中传播只是在理论上成立。实际上任何介质总有一个边界。当声波在传播中从一种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分声波被反射，仍然回到原来介质中，称为反反射射波波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折折射射波波（透射波）。声波透过界面时，其方向、强度、波型均产生变化。这种变化取决于两种介质的特特性性阻阻抗抗和入入射射波波的的方方向向。现分垂直入射和倾斜入射两

8、种情况来讨论。三、声波在介质界面的反射与透射 第13页/共130页1、垂直入射（1）单一的平面界面当平面波垂直入射到一个光滑平面界面时，将产生一个与入射波方向相反的反射波和一个与入射波方向相同的透射波（图1-10）。这是波入射到界面上时最简单的情况。第14页/共130页第15页/共130页 先讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。在界面上，用反射波声压pr与入射波声压p0的比值表示声压反射率R，即：(1.14)用透射波声压Pd与入射波声压p0的比值表示声压透射率D即：(1.15)界面两侧两种介质的特性阻抗分别为Z1和Z2。第16页/共130页（2）异质薄层的反射与透射 当声波在一种介质中传

9、播时，有时会遇到当声波在一种介质中传播时，有时会遇到第二层介质的薄层，如混凝土裂缝就是这种情况。第二层介质的薄层，如混凝土裂缝就是这种情况。这种情况下将产生多次反射与透射，情况要更复这种情况下将产生多次反射与透射，情况要更复杂一些。杂一些。第17页/共130页2、倾斜入射 当声波在一种介质中倾斜入射到另一介质界面时，将产生方向、角度及波形的变化。和光的传播类似，声波在界面上方向和角度的变化服从反射定律和折射定律，如图1-11。第18页/共130页反射定律：反射定律：反射定律：反射定律：入射角（入射角（i i）的正弦与反射角（）的正弦与反射角（）的正弦之比等于入射波与反射波速度之比。由的正弦之比

10、等于入射波与反射波速度之比。由 于入射波与反射波在同一介质中，其速度相等，于入射波与反射波在同一介质中，其速度相等，所以入射角等于反射角（所以入射角等于反射角（i i=）。）。折射定律：折射定律：折射定律：折射定律：入射角（入射角（i i）的正弦与折射角（）的正弦与折射角（）的正弦之比等于入射波与折射波速度之比，即：的正弦之比等于入射波与折射波速度之比，即：(1.16(1.16）第19页/共130页图图1-11 1-11 流体界面上声波的反射与折射流体界面上声波的反射与折射 图图1-12 1-12 固体界面上声波的反射与折射固体界面上声波的反射与折射 第20页/共130页 以上情况可以在流体（

11、气体、液体）的分界面看到。在这种情况下，介质中只有单一的波-纵波出现。在固体介质分界面的情况则复杂一些。当一种波（例如纵波）入射到固体分界面时，不仅波方向发生变化且波型也发生变化，分离为反反射射纵纵波波、反反射射横横波波，折折射射纵纵波波和折折射射横横波波。各类波的传播方向（即反射角与折射角）各不相同，如图1-12所示。第21页/共130页 各种类型波的传播方向的变化亦符合几何光学中的反射定律和折射定律。其数学表达式如下：(1.17)1p,2p纵波在第一、二介质中的传播速度；ip,p，p 纵波入射角、反射角、折射角；S，S横波反射角、折射角。第22页/共130页图图1-11 1-11 流体界面

12、上声波的反射与折射流体界面上声波的反射与折射 图图1-12 1-12 固体界面上声波的反射与折射固体界面上声波的反射与折射 第23页/共130页 增大入射波的入射角，则折射波的折射角亦随之增大。如果入射波是纵波，且1pip,即折射角大于入射角。当ip增大，p也增大，当p90时，此时的入射角叫第第一一临临界界角角，用符号i 1；表示。显然，当入射角大于第一临界角时，第二种介质中只有折射横波存在，如图1-13。这是一种获得横波的方法。第一临界角 (1.18)当=90时，此时的入射角叫第第二二临临界界角角，用符号i 2表示，如图1-14。第二临界角 (1.19)第24页/共130页图图1-13 1-

13、13 第一临界角第一临界角 图图1-14 1-14 第二临界角第二临界角 第25页/共130页 声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰衰减减。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内内部部结结构构及性性能能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。四、声波在传播过程中的衰减 第26页/共130页固体材料中固体材料中声波衰减声波衰减主要有以下几个方面的原因：主要有以下几个方面的原因：（1 1）吸收衰减：）吸收衰减：声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之

14、间的性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能。（2）散射衰减：当介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源，向四周发射声波，使声波能量的扩散到达最大。（3）扩散衰减：声波发射器发出的超声波束都有一定的扩散角。波束的扩散，导致能量的逐渐分散，从而使单位面积的能量随传播距离的增加而减弱。第27页/共130页 致密、强度高的混凝土声衰减系数小，相对接收波幅大；强度低或存在缺陷混凝土衰减系数大，相对接收波幅小。当混

15、凝土质量差或存在缺陷时接收到的声信号中高频已损失，频率变低。第28页/共130页五、混凝土中的声波特性 声学原理中所讨论的声波指的都是连续的声学原理中所讨论的声波指的都是连续的余弦波余弦波，而实际上超声仪发射换能器所发射的，而实际上超声仪发射换能器所发射的超声波却是超声波却是脉冲超声波脉冲超声波脉冲超声波脉冲超声波。第29页/共130页脉冲超声波脉冲超声波脉冲超声波脉冲超声波有以下特点：有以下特点：（1 1）重复间断发射。）重复间断发射。发射换能器发出的超声波不是连发射换能器发出的超声波不是连续不断的，而是以一定重复频率（续不断的，而是以一定重复频率（100Hz100Hz或或50Hz50Hz）

16、间断）间断地发射出一组组超声脉冲波，如图地发射出一组组超声脉冲波，如图1-151-15所示。这就是所所示。这就是所谓谓超声脉冲波超声脉冲波。虽然脉冲波与连续波不一样，但是前面所推导的单虽然脉冲波与连续波不一样，但是前面所推导的单一界面的反射率和透射率公式仍然能适用。至于异质薄一界面的反射率和透射率公式仍然能适用。至于异质薄层的反射率和透射率的公式只有在异质薄层相对于脉冲层的反射率和透射率的公式只有在异质薄层相对于脉冲宽度很窄时（例如裂缝），脉冲波相当于连续波时，该宽度很窄时（例如裂缝），脉冲波相当于连续波时，该式才适用。式才适用。第30页/共130页（2）脉冲超声波不具有单一频率而是所谓复频波

17、。也就是说，这一组超声波由许多不同频率的余弦波组成。当然，它也有其固有的主频率，这就是换能器上的标称频率。这种复频超声波复频超声波在有频散现象的介质中传播时，各种频率成分的波将以不同速度传播，这就使得脉冲波形将随传播距离的增大而发生畸弯，变成如图1-16所示，脉冲开始部分的频率比后面部分要高，后面愈来愈平坦变宽。第31页/共130页图图1-151-15超声脉冲波超声脉冲波 图图1-161-16脉冲传播过程中的畸变脉冲传播过程中的畸变 第32页/共130页 由于声波的衰减与频率有关，频率越高衰减越大，因此在脉冲超声波传播时由于衰减将引起主频率向低步侧的漂移，即所谓频漂。第33页/共130页第二部

18、分 检测技术l超声波检测混凝土缺陷的基本原理l超声波检测混凝土灌注桩完整性方法的适用范围l超声波检测仪器与设备第34页/共130页 采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中传传播播的的时时间间（或速度）、接收波的振振幅幅和频频率率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷混凝土的缺陷。一、超声波法检测混凝土缺陷的基本原理 第35页/共130页 超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密密实实度度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声声速速高高则则混混凝凝土土密密实实，相反则混凝土不密

19、实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。第36页/共130页 另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者经过缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。第37页/共130页 根据上述原理，可以利用混凝土声声学学参参数数测测量量值

20、值和相相对对变变化化综合分析，判别其缺陷的位位置置和范围范围，或估算缺陷的尺寸尺寸。第38页/共130页二、超声波检测混凝土灌注桩 完整性方法的适用范围 基桩声波透射法基桩声波透射法基桩声波透射法基桩声波透射法是一种检测混凝土是一种检测混凝土灌注桩完灌注桩完灌注桩完灌注桩完整性整性整性整性的有效手段，它是利用的有效手段，它是利用声波的透射原理声波的透射原理声波的透射原理声波的透射原理对桩对桩身混凝土身混凝土介质状况介质状况介质状况介质状况进行检测，因此仅适用于在灌进行检测，因此仅适用于在灌注成型过程中已经埋了注成型过程中已经埋了两根或两根以上声测管两根或两根以上声测管两根或两根以上声测管两根或

21、两根以上声测管的的基桩。基桩。第39页/共130页 在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射并接收，可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射，因而到达接收换能器的声时、波幅及主频发生改变。超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完桩身的完整性。整性。第40页/共130页 对跨跨孔孔透透射射法法，当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大，同时预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题。因此，超声波检测方法适用于检测直直径径不不小小于于800mm800mm的混凝土灌注桩的完整性

22、，它包括跨跨孔孔透透射射法法和单单孔孔折折射射法法。单孔折射波法是根据上部结构对基桩的质量要求，检测钻芯孔孔壁周围的混凝土质量。第41页/共130页 用超声波法检测钻孔灌注桩完整性的优点在于结结果果准准确确可可靠靠，不不受受桩桩长长、桩桩径径限限制制，无无盲盲区区（声声测测管管范范围围内内都都可可检检测测），可可测测桩桩顶顶低低强强区区和和桩桩底底沉沉渣渣厚厚度度，桩桩顶顶不不露露出出地地面面即即可可检检测测，方方便施工，也可便施工，也可粗略估测混凝土强度。粗略估测混凝土强度。第42页/共130页1、超声波仪 超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器

23、。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号送至超声仪，经放大后显示在示波屏上。自60年代开始生产第一代电子管超声仪至今已发展为第四代智能数字式超声仪，见下表：三、超声波检测仪器与设备 第43页/共130页超声波仪的发展概况 超声波仪的发展概况表3.2-1第44页/共130页超声波仪的发展概况表3.2-1 超声检测系统应包括三大部分：即接接收收信信号号放放大大器器，数数据据采采集集及及处处理理存存储储器器和径径向向振振动动换换能能器器等。为了提高现场检测及室内数据处理的工作效率，保证检测结果的准确性和科学性，声波测试仪器必须具有实实时时显显示

24、示波波形形、分分析析功功能能及一一发发双双收收等等功功能能。声波发射应采用高压阶跃脉冲或矩形脉冲，其电压最大值不应小于1000V，且分档可调。数字式超声波仪的基本工作原理框图见图2-1所示。第45页/共130页图图2-1 2-1 数字式超声仪的基本原理数字式超声仪的基本原理 第46页/共130页第47页/共130页 超声波仪除了超声波仪除了产生、接收、显示产生、接收、显示超声波外，超声波外，还必须量测超声波的有关参数，如还必须量测超声波的有关参数，如声传播时间、声传播时间、接收波振幅、频率接收波振幅、频率等。其接收放大器与数据采集等。其接收放大器与数据采集器的主要技术指标要求如下：器的主要技术

25、指标要求如下：第48页/共130页 (1)仪器接收放大器频率响应范围（频带）应有足够宽度，一般为5200kHz，其下限不宜降低，否则不利于滤去因换能器绝缘性能降低而产生的低频信号，造成自动判读时丢波和错判现象。增益不应小于100dB，放大器的噪声有效值不大于 2 s，波幅测量范围不小于 80 dB，测量误差小于1 dB。(2)为满足最大测距的要求，仪器的计时显示范围应大于2000s，保证有足够的扫描延迟时间及声时显示位数，并应具有良好的稳定性，声时显示调节在2030s范围内，2小时内声时显示的漂移应不大于0.2s，且不允许发生间隔跳动。第49页/共130页 (3)仪器应有较好的接收灵敏度（即对

26、微弱信号的接收分辨能力）。一般要求接收灵敏度50，该参数取决于仪器的放大能力和信噪比水平，提高灵敏度可以加大穿透距离，提高对微弱信号的识别能力。为满足混凝土试件声速测量精度的要求，测时最小分辨度为0.5，计时误差不大于2。(4)采集器模数转换精度不应低于8bit，采样频率不应小于10MHz，最大采样长度不应小于32kB。第50页/共130页 (5)仪器宜具有示波屏显示波形和游标测读功能，以便较准确的测读声时、振幅及频率等参数。若采用整形自动测读时，检测混凝土测距不宜超过lm（以软件判别方法自动测读的智能超声仪除外）。(6)为了提高现场测试效率，仪器应有自动测读、信号采集、存储和处理系统，适于一

27、般现场测试情况下的温度、电源变化条件。第51页/共130页常用换能器按波型不同分为纵波换能器与横波换能器，分别用于纵波与横波的测量。目前，一般检测中所用的多是纵波换能器。以发射和接收纵波为目的的换能器，又分为平面换能器、径向换能器以及一发多收技能器，见图2-2。2、径向振动换能器第52页/共130页图图 2-2 2-2 换能器的分类换能器的分类 第53页/共130页 换能器的种类需根据被测结构物的测试要求和测试条件确定。测桩所用的换能器应是柱状径向换能器，其主频宜为2550kHZ，长度宜为20cm。收、发换能器的导线均应有长度标注，其标注允许偏差不应大于10mm。为提高接收换能器的灵敏度，可在

28、换能器中安装前置放大器。前置放大器的频带宽度宜为550kHz。由于换能器在深水中工作，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。第54页/共130页 换能器频率的选择需综合考虑测距、声波的衰减程度、测试精度等。测距越大，衰减越大，选用换能器的频率越低；混凝土质量越差，强度越低，龄期越短，对声波的衰减越大，使用频率越低；在满足首波幅度测读精度的条件下，宜选用较高频率换能器。对于一般的正常混凝土，换能器频率选择可参见表2-2。第55页/共130页表表2-2 2-2 换能器的分类换能器的分类 第56页/共130页 单孔检测采用一发双收一体型换能器，其发射换能器至接收换能器的最近距离不应小于300mm，两

29、接收换能器的间距宜为200mm。第57页/共130页3、声测管 声测管是进行超声脉冲法检测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要组成部分。它在桩内的预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。第58页/共130页 （1）声测管的选择，以透声率较大、便于安装及费用较低为原则。考虑到公路基桩大多数是大桩、长桩，加上混凝土的水化热作用及钢筋笼安放和混凝土浇注过程中存在较大的作用力，容易造成检测管变形、断裂，从而影响检测工作的顺利进行。因此，声测管应采用强度

30、较高的金属管。（2）声测管常用的内径规格是5060mm。为了便于换能器在管中上下移动，声测管的内径通常比径向换能器的外径大10mm；当对换能器加设定位器时，声测管内径应比换能器外径大20mm。第59页/共130页 （3）在声波透射法检测中，超声波特征值仅与收、发检测管间连线两边窄带区域（声测剖面）的混凝土质量密切相关。当灌注桩的直径增大时，每组声测管间超声波的混凝土检测范围占桩截面积比例减小，不能反映桩身截面混凝土的整体质量状况，因此，声测管的数量及布置方法决定了桩身混凝土实际的检测面积和检测范围，对直径大的桩必须增加声测管的数量。第60页/共130页一般桩径小于800mm时，沿直径布置两根声

31、测管，构成一个声测剖面；桩径为 8002000mm时，应按等边三角形均匀布置三根声测管，构成三个声测剖面；桩径大于2000mm时，应按正方形均匀布置四根声测管，构成六个声测剖面，如图2-3图中的阴影区为检测的控制面积。第61页/共130页图图 2-3 2-3 声测管布置方式声测管布置方式 桩径小于800mm桩径为8002000mm桩径大于2000mm第62页/共130页 （4）由于声测管间距随深度的变化难以确定，各深度处的声速只能采用桩顶二根声测管的距离来计算，因此，为减少偏差必须将声测管牢固焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，并在相邻声测管之间焊接等长水平撑杆，保持管与管之前互相平行且定位准确。为避免

32、产生漏浆、漏水和因焊渣造成管内堵塞问题，声测管不应采用对焊方法连接，而应采用螺纹连接，声测管埋设至桩底并封闭，管口高出桩顶面300mm以上并加盖。第63页/共130页（5）根据建筑工程、公路工程的特点和便于了解桩身缺陷存在的方位，声测管埋设时宜将其中一根对准线路前行方向。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，每二根编为一组。第64页/共130页第三部分 测试方法l测试方法l检测数据分析与评定l桩身混凝土质量评价l检测报告第65页/共130页1、检测前的准备 （1）在检测前应进行现场调查，多方面收集基桩的技术资料，如工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等，了解施

33、工工艺及施工过程中出现的异常情况，这对判定异常信号产生的真实原因十分有益。同时还应根据调查结果和检测的目的，制定相应的检检测测方方案案。检测方案包括：工程概况，目的与任务，方法与技术，仪器设备，检测场地要求，检测人员和时间安排，检测报告等。一、测试方法 第66页/共130页 （2）检测的时间应满足混凝土强度龄期的要求。为保证检测结果的可靠性，同时考虑到混凝土在龄期14天后的超声波波速等特性参数变化已经趋于平缓，一般要求超声波检测混混凝凝土土灌灌注注桩桩的的龄龄期期应应大大于于1414天天,受受检检桩桩混混凝凝土土强强度度至至少少达达到到设设计计混混凝凝土土强强度的度的70%70%，且不得小于，

34、且不得小于1515MPaMPa。第67页/共130页 （3）检测前应冲洗声测管，以保证换能器在全程范围内升降顺畅。声测管内灌满清水做为偶合剂，因声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测结果带来误差。对利用取芯孔进行单孔超声波混凝土质量检测，在检测前也应进行孔内清洗，取芯孔的垂直度误差不应大于0.5。第68页/共130页 （4）标定超声波检测仪从发射至接收仪器系统产生的系统延迟时间t0。将发、收换能器平行置于清水中的同一高度，其中心间距从400mm左右开始逐次加大两换能器之间的距离，同时定幅测量与之相应的声时，再分别以纵、横轴表示间距和声时作图，在声时横轴上的截距即为

35、t0。为保证测试精度，两换能器间距的测量误差不应大于0.5，测量点不应少于5个点。（5）用直径明显大于换能器的圆钢疏通声测管，并记录深度，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。第69页/共130页2、测试装置形式 灌注桩的测试装置形式主要有：1）水平同步平测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，位于同一高度进行测试；2）等差同步斜测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，但不在同一高度，保持一定高程差进行测试；3）扇形扫测，一对换能器分别置于两个对应声测管中，保持一个换能器高度位置固定，另一个换能器以一定的高程差上下移动进行测试，如图3-1。第70页/共130页图

36、图 3-1 3-1 测试装置示意测试装置示意 第71页/共130页3、检测方法 （1）径向换能器在水平方向具有一定的指向性，为了保证测点间声场对桩身混凝土的覆盖面，防止缺陷的漏检，上、下相邻两测点的间距宜为250mm。测试时，发射与接收换能器以相同标高同步升降，测试中，对收、发换能器所在的深度随时校准，其累计相对高程误差控制在20mm以内，避免由于过大的相对高程误差而产生较大的测试误差。第72页/共130页 （2）声波透射法检测混凝土灌注桩质量中，声时和波幅是两个重要指标，其中波幅对混凝土内部缺陷的反应往往比声时更具敏感性。在实际检测中，波幅是一个相对量，而声时又是根据波形的起跳点来确定的。因

37、此，为了使不同位置处的检测数据具有可比性和应用价值，在同一根桩的检测过程中，声波发射电压和放大器增益等参数应保持不变，并进行等幅测试。第73页/共130页 （3）对声时值和波幅值的可疑点应进行复测。对于声时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。其中水平加密细测是基本方法，而等差同步和扇形扫测主要用于确定缺陷位置和大小，其发、收换能器连线的水平夹角一般为3040。第74页/共130页 （4）常规超声波测试方法可以得到灌注桩沿桩长方向的粗略质量分布情况。CT层析成像技术配有专门的分析软件，适宜于对局部可疑区域或

38、重要结构进行重点加密细测，并可对桩身缺陷进行定量分析，其方法测试流程图见图3-2。（5）同一根桩中有三根以上声测管时，以每两个管为一个测试剖面分别测试。并在测试过程中保持测试系统状态参数不变。第75页/共130页 图图 3-2 3-2 混凝土灌注桩的测试流程混凝土灌注桩的测试流程 第76页/共130页 目前桩身混凝土缺陷判别主要依据于实测声速、波幅及其随深度的变化曲线并根据声声速速判判据据、波波幅幅判判据据和PSDPSD判判据据综合分析桩身质量及混凝土缺陷程度缺陷程度。二、检测数据分析与评定 第77页/共130页 1、判断桩内缺陷的基本物理量 在钻孔灌注桩的检测中所依据的基本物理量有以下四个：

39、（1 1）声速：）声速：超声波在混凝土中传波的速度。当超声波在传播过程中遇到混凝土缺陷时将产生绕射，此时超声波在混凝土中传播的时间加长，计算出的声速也降低。一般来说声速指标比较稳定，重复性好，数据有可比性，但对桩身缺陷反应不够敏感。第78页/共130页 （2 2）波波幅幅：超声波在缺陷界面产生反射、散射，能量衰减，波幅降低。采用波幅指标进行缺陷判断时，要求波幅值有可比性。即仪器、换能器、信号线等测试系统不变，发射电压、采样频率等测试参数不变，测距相同，测试角度相同，这样的测试数值才有可比性。波幅变化受表面耦合状态的影响较大，因此应保持传感器与混凝土灌注桩之间有良好的耦合状态。波幅变化对桩身缺陷

40、的反应就比较很敏感。第79页/共130页（3 3）主主频频（或或频频谱谱）：超声脉冲是复频波，具有多种频率成分，当它穿过混凝土后，各频率成分在遇到缺陷时衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而使接收信号的主频率向低频端漂移（频移）。第80页/共130页（4 4）波波形形畸畸变变：由于超声脉冲在缺陷界面反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声波在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变，所以波形畸变可作为判断缺陷的一个参

41、考依据。但是，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。第81页/共130页2、声时修正值的计算 当声波从某一声测管传播至另一声测管时，将通过耦合的水和金属声测管，因此必须进行声时修正。其声时修正的计算公式：(3.1)式中：t声时修正值（s）；D声测管外径（mm）；d声测管内径（mm）；d换能器外径（mm）；t预埋声测管的声速值（km/s）；w 水的声速值（kms）。对钢质声测管，波速一般可取5800ms；20C时水的声速可取1480m/s。第82页/共130页3、声时初读数的计算 超声波在预埋声测管之间传播，所测

42、得的走时包括：超声系统声时初读数、超声波在声测管的耦合水里传播的声时、超声波在声测管中传播的声时、超声波在混凝土中传播的声时。为了准确计算灌注桩的混凝土波速，应对实测声时读数进行预处理，一般采取实测声时减去声时初读数的方法，获得超声波在混凝土中传播的实际声时。该声时初读数的计算公式是：(3.2)式中：t0超声系统声时初读数；t声时修正值（s）。第83页/共130页4、声时、声速和声速平均值 声时、声速和声速平均值应按下列公式计算，并绘制声速-深度曲线、波幅-深度曲线。(3.3)(3.4)(3.5)式中:ti超声波第i测点声时值（s）；t0声波检测系统延迟时间（s）；i第i个测点声速值（kms）

43、；l两根检测管外壁间的距离（mm）；m混凝土声速平均值（kms）；n 测点数。第84页/共130页 鉴于目前所用的换能器频带窄和用频率判定桩身混凝土缺陷的方法还不成熟。因此，未将声波频率-深度曲线作为桩身混凝土完整性的主要判定指标之一。第85页/共130页5、单孔折射法 为了测试单根声测管或验证取芯孔周围的混凝土质量，往往采用一发双收的一体化径向还能器。测试时，其声时、声速值应按下列公式计算：(3.6)(3.7)式中：i 第i测点的声速值（km/s）t 两个接受换能器间的声时差(s);t 近道接收换能器声时(s);t2 远道接收换能器声时(s);h 两个接收换能器间的距离（mm）。第86页/共

44、130页三、桩身混凝土质量评价 1、强度评价 混凝土强度的评价是建立在波速与混凝土物理力学指标之间相关性的基础上。声速可通过混凝土弹性模量与其力学强度的内在联系，与混凝土抗压强度建立相关关系，并推定混凝土的强度。表3-1表示混混凝凝土强度与声速之间的相关关系土强度与声速之间的相关关系。当声速小于3500ms时，说明混凝土质量较差。第87页/共130页混凝土强度与声速关系参考表混凝土强度与声速关系参考表 表表 3-1 3-1 第88页/共130页已知波速参考参数：砼强度（C）波速范围（m/s）特征波速（m/s）C15 25003100 2800 C20 30003500 3200 C25 350

45、03800 3650 C30 37004000 3950 C35 39004200 4100 C40 41004500 4300第89页/共130页 在恒定泊松比情况下，混凝土弹性模量与压缩波速度的经验关系如图3-3所示，混凝土的抗压强度与弹性模量的关系如图3-4所示。在已知混凝土构件的弹性波速度层析图后，根据图3-3可换算出混凝土的弹性模量，再根据图3-4可换算出混凝土的抗压强度并评定混凝土的质量评定混凝土的质量。第90页/共130页图图 3-33-3混凝土弹性模量与波速关系混凝土弹性模量与波速关系 图图3-43-4弹性模量与抗压强度关系弹性模量与抗压强度关系 第91页/共130页 目前，在

46、国内一般采用统计方法建立专用曲线或数学表达式，如 两种非线性的数学表达式，其中e为动弹性模量，v为波速，为立方体抗压强度，A、B、C为经验系数。第92页/共130页2、桩身混凝土缺陷声速判据 声速临界值的确定基于概率法，即无缺陷的混凝土声速测值虽因其本身的不均匀性造成一定的离散性，但符合正态分布；由缺陷造成的低声速值-异常值不符合正态分布。因此，确定临界值时必须采用正常混凝土的声速平均值及标准差，否则，求得的声速平均值将偏小，易造成漏判。同时还应分析考虑声测管间不平行产生的误差影响。声速是材料的基本物理量之一，它与混凝土强度相关，实测声速应大于或等于声速低限值。声速低限值由同条件混凝土试件做强

47、度和速度对比试验，结合地区经验确定。声速低限值相对应的混凝土强度不宜低于0.9R（R为混凝土设计强度），若试件为钻孔芯样，则不宜低于0.85R。第93页/共130页 当实测混凝土声声速速值值低低于于声声速速临临界界值值时应将其作为可疑缺陷区可疑缺陷区。(3.8)式中：i第i个测点声速值（km/s）;D声速临界值(km/s);第94页/共130页 声速临界值采用正常混凝土声速平均值正常混凝土声速平均值与2 2倍声速标准差倍声速标准差之差，即：(3.9)(3.10)(3.11)式中：D 声速临界值（km/s）;正常混凝土声速平均值(km/s);正常混凝土声速标准差；i 第i个测点声速值(km/s)

48、n 测点数。第95页/共130页 当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据。即实实测测混混凝凝土土声声速值低于声速低限值时，可直接判定为异常速值低于声速低限值时，可直接判定为异常。(3.12)式中：i第i个测点声速值(km/s);L声速低限值(km/s)。声速低限值应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。第96页/共130页3、桩身混凝土缺陷波幅判据 波幅是相对测试，也曾有人试图用概率统计理论来确定临界值，但由于桩身混凝土内部结构的变异性很大而难以找出较强的波幅统计规律性，因而实际中多是根据实测经验将将波波幅幅值值的的一一半半

49、定定为临界值。为临界值。第97页/共130页 用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实实测测波幅低于波幅临界值波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。(3.13)(3.14)式中：A波幅临界值（dB）；Am波幅平均值（dB）；Ai第i个测点相对波幅值（dB）。第98页/共130页 PSD 法是基于缺陷处声时的变化引起声时深度曲线的斜率明显增大，而声时差的大小又与缺陷程度密切相关，因此两者之积对缺陷的反映更加明显，即 (3.15)3、桩身混凝土缺陷波幅判据第99页/共130页 采用斜率法作为辅助异常判据，当PSDPSD值值在在某某测点附近变化明显测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区。(3

50、.16)式中：ti第i个测点声时值（s）;ti-1第i个测点声时值(s);zi第i个测点深度(m);zi-1第il个测点深度（m）。第100页/共130页5、混凝土声速、波幅和 PSD值出现异常 对于混凝土声速和波幅值出现异常并判为可疑缺陷区的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。对声速、波幅和 PSD值超越临界值异常或突变时，应对缺陷处进行细测。同时结合波形、施工工艺和施工记录等有关资料进行综合分析，以确定桩身混凝土缺陷的位置和程度。当声速普遍低于低限值时，应通过钻孔取芯法检验基桩的混凝土强度。第101页/共130页6、支承