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声波透射法测桩培训教程 南京水利科学研究院 2009.22009.2 目 录 1 声学基础 2 仪器设备 3 现场测试 4 室内分析 5 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 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 发生振动并使振动向外传播而形成的一种波 动。 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。 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 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(P波) 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(S波) 介质质点的振动方向与波 的传播方向垂直。 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=0.2-0.3 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20 0.00123430.004 I R T Z1=1v1Z1=2v2 R+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 （Z1 Z2或Z11500mm，4根。 JGJ 106-2003：D800mm，2根；8002000mm，不少于4根。 CECS21:2000：600 D2500mm，4根。 4) 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 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： 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. 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. 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： 3.4 对仪器设备的要求 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 调查、资料收集 制定检测方案 前期准备 现场检测 计算分析和结果评价 检测报告 设备、仪器检定 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 2根管1个剖面：1-2 3根管3个剖面：1-2、2-3、3-1 4根管6个剖面：1-3、2-4、1-2 、 2-3 、3-4、4-1 1 2 3 4 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/T F81-01-2004 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。 JGJ 106-2003 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 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 1) 声时，波速 2) 2）首波波幅 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 AB 1.常规对测 测点间距S250mm 2. 局部加密对测 S100mm 3. 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 场 缺 陷 测 试 程 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 u重新检测 u钻芯法验证 u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t0 4.1.1 回归法标定t0 l1 (t1) l2 (t2) 4.1.2 长短测距法标定t0 4.1 声速计算 4.1.3 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/s D d d / l 4.1.4 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 l30cm，h宜为20cm 4.1 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CT 4.2.1 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1 将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小 依次排列 步骤2 逐一去掉vi序列中最小数值。当去掉最小数 值的数据个数为k时，对余下的数据v1vn-k统计计 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3 将vn-k与异常判断值vD比较，当vn-k vD时， vn-k及其以后的数据均为异常，去掉 vn-k，对数据v1vn-k-1重复步骤1、步骤2，直 到vi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12345678910 t(us)106.4107.2107.9109.2109.4109.6109.6109.6110.4110.4 序号11121314151617181920 t(us)111.2111.4111.6111.8112.2112.4114.3114.6115.1115.8 假设 t16、 t20可疑，对t1 t15统计： n=15， =109.9， =1.71， =109.9+21.71=113.3 t15tD 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（Product of Slope and Difference） z(cm)tc(us)PSD 101770 201750 301803 401790 50260656 602553 7023063 80180250 901810 1001810 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 4.2.3 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） 1174 1074 974 0-5-10-15-20 H（m） 高程真实管距曲线 0-5-10-15-20 H（m） c（km/s） 5.6 5.3 5.0 实测的高程波速曲线 0-5-10-15-20 H（m） c （km/s） 5.3 5.0 4. 7 4.7 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/T F81-01-2004 JGJ106-2003 CECS21:2000 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 B A C 4.3 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 a b d c h f g e i 4.3 缺陷区域判断阴影重叠法 声测管之间局部缺陷 e f a b i j k l c d g h 4.3 缺陷区域判断阴影重叠法 缩颈缺陷 h f b g j i d c l ke a 4.3 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 -13.00 A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 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)