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灌注桩检测 -声波透射法 河北省交通规划设计院试验检测室 （河北锐志交通技术咨询有限公司） 陈耀辉,首先需要了解的三个内容：,1.建筑桩基的几个术语 2.建筑地基的概念 3.灌注桩的施工,需要了解的内容-1.建筑桩基的几个术语,基 桩 Foudation pile ：桩基础中的单桩 。 桩身完整性 Pile integrity：反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合性指标。 桩身缺陷 Pile defects：使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥(杂物)、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。,需要了解的内容-1.建筑桩基的几个术语,超声波法ultrasonic logging method 根据超声波透射或折射原理，在桩身混凝土内发射并接收超声波，通过实测超声波在混凝土介质中传播的历时、波幅和频率等参数的相对变化来判定桩身完整性的检测方法。,需要了解的内容-2.建筑地基的概念,建筑地基分为天然地基和人工地基。无需经过处理可以直接承受建筑物荷载的地基称为天然地基，反之，需通过地基处理技术处理的地基称为人工地基。,广义上讲，人工地基可分为：,（1）均质地基、多层地基：通过改良或置换，改善地基土的物理力学性质，提高地基土的抗剪强度、增强土体的压缩模量或减少土的渗透性。 （2）复合地基：通过在地基中设置竖向或水平增强体，增强体与原地基形成复合地基，以提高地基土承载力、减少地基沉降。 （3）桩基础：在地基中设置桩，通过基桩将荷载传递到深层土体中。,需要了解的内容-3.灌注桩的施工,（一）设计分类： 1、摩擦桩： （1） 承载原理：主要考虑桩周土体摩擦承载。 （2） 影响因素：桩周土层土质、设计桩长及桩径，桩底承载力一般仅考虑10%左右。 2、端承桩： （1） 承载原理：主要考虑桩底岩体支撑。 （2） 影响因素：桩底岩层强度及嵌入深度、桩体自身强度、 刚度。,钻孔灌注桩,特点： 施工噪音和振动小。 不需大型设备，施工进度快。适应性强。 直径大，桩长，因而承载力大。 水下、地下施工，质量难以保证。,钻孔灌注桩：是采用不同的钻孔方法，在土中形成一定直径的井孔到设计底标高后，将预好的钢筋笼骨架吊入井孔中，然后灌注混凝土而形成的基础。,钻孔,浇筑砼,安放钢筋笼,补充：灌注桩的施工,成孔工艺：,1 、钻孔+泥浆护壁： （1） 正循环： A、原理：钻孔过程中，钻杆内泵压水冲，泥浆外溢排出。 B、特点：适合砂土地质，易护壁，但速度慢、沉渣不易清除。 （2） 反循环： A、原理：钻孔过程中，钻杆内泵吸泥浆排出。 B、特点：适合粘土地质，速度快，便于清理沉渣，但易塌孔。 2、冲抓、冲击+开挖： 特点：适合有岩层桩、短桩、扩孔桩等。,补充：灌注桩的施工,常见缺陷：,1、 水下灌注（7种） ： （1） 断桩（全断面夹泥或夹砂） （2） 局部截面夹泥或缩颈 （3） 集中性气孔 （4） 分散性泥团及“蜂窝”状缺陷 （5） 桩底沉渣或泥浆沉渣层过厚 （6） 桩头低强区 （7） 桩孔深度不够,补充：灌注桩的施工,常见缺陷：,2、干孔灌注（4种）： （1） 因地下水漏入而形成的 砼层状离析，严重时成断桩 （2） 砼局部严重离析 （3） 因护筒渗漏而形成的局部夹泥或“蜂窝”状缺陷 （4） 桩底沉渣,声波透射法测桩 交 流 学 习 资 料,检测过程示意图,目 录,第一章 声学基础 第二章 仪器设备 第三章 准备工作 第四章 室内分析 第五章 现场操作 第六章 工程实例,第一章 声学基础,1.1.1 混凝土超声波检测技术的发展,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。,1.1.2 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）,1.2.1 超声波波形,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。,1.2.2 波形参数,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； 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； 声时t:首波对应的时间，us； 波速v 单位时间波传播的距 离，m/s。,1.2.2 波形参数,1.3 波的分类,纵波(P波) 介质质点的振动方向与波的传播方向一致。 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(S波) 介质质点的振动方向与波 的传播方向垂直。 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。,1.3 波的分类,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。,地震波属于哪种波？,地震发生时,首先是从震源 P波（纵波）跟S波（横波）2个地震波发生。P波在地壳的浅层以毎秒約6km的速度, S波以毎秒3.5km的速度传播. 因为P波跟S波传播的速度不同、首先会感觉到（P波）的小小的晃动、然后是大的晃动（S波）开始。离震源越远这个間隔就越长。另外震源比较浅的地震、在地表传播的叫表面波.大的摇晃会跟在S波后面出现.,1.4 声波在介质中的传播速度,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。,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,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, 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Z1 Z2），R1 ，T0，即声波能量在界面 绝大部分被反射，难于进入第 二种介质。,1.5 声波在介质界面的反射和折射,为什么换能器和被测体之间需要耦合 介质（黄油、水等） ？ 钢、混凝土一类固体介质特性阻抗较 大，液体一类介质次之，空气的特性阻 抗最小，因此，在空气与固体介质界面 上，声波很难通过，绝大部分被反射。 超声波为什么可以探测裂缝？,1.6 声波在传播过程的衰减,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，这种现象称为 衰减。 声波在任何介质中传播都有衰减存在。 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 测材料的内部结构及性能。,1.6.1 固体材料中声波衰减的原因,1.吸收衰减a 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间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收衰减。 2. 散射衰减s 介质中存在颗粒状结构而导致的声波衰减。 3. 扩散衰减 超声波束都有一定的扩散角。波束扩散使得声波能量逐渐分散，单位面积的能量随传播距离增加而减弱。,1.6.2 声波衰减的表示,1.7 混凝土超声检测中应用的超声波,重复间断发射 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 (100Hz或50Hz)间断地发射出 一组组超声脉冲波。 脉冲超声波是复频波 由许多不同频率的余弦波组 成。其固有的主频率就是换能器上的标称频率。 频漂 由于声波的衰减与频率有关，频率越高,衰 减越大，脉冲超声波传播时由于衰减将引起主频率 向低频侧的漂移。,第二章 仪器设备,2.1 数字式超声仪,2.1.1 数字式超声仪,数字式超声仪优点 接收信号被转化为数字量，便于对信号（包括测试结果和整个波形）的存储和重现； 信号为数字量，可方便地对信号进行各种后处理。目前常进行的是对信号作频谱分析； 信号已变成不同幅值（电压）的离散量，根据信号幅值的前后变化情况可以判断出接收信号到达的起点，即实现用软件进行的声时和振幅自动判读。 数字式超声仪以计算机为主体，许多测试规程规定的数据处理、计算均可编制成软件在仪器上运行，直接获得测试的初步结果。,2.1.2 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。,2.1.2对接收放大与数据采集的要求,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。,2.1.3 换能器原理,换能器 应用超声波检测混凝土，首先要解决超声 波的产生和接收，再进行测量。采用换能器产生 和接收超声波。 发射换能器： 采用最方便的能量电能，将它 转化为超声能量，即产生出超声波。 接收换能器 ：当超声波在混凝土中传播后，为了度 量超声波的各种声学参数，将超声能量转化为最 容易量测的量电量。,2.1.4 压电效应,正压电效应 对某些不显电性的电介质施加压 力，引起介质内部正负电荷中心发生相对位移 而极化，导致介质两端上出现符号相反的束缚 电荷。正压电效应被用来接收超声波。 反压电效应 将具有压电效应的介质置于电场 内，由于电场作用引起介质内部正负电荷中心 发生位移，这位移在宏观上表现出产生了应变 。反压电效应被用来发生超声波。,2.1.5 压电材料,2.1.6 换能器种类,2.1.7 常用换能器构造,2.2.8 对径向换能器的要求,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；101.97m 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。,第三章 准备工作,3.1.1 声波透射法测桩原理,声波透射法定义： 在预埋声测管之间发射 并接收声波，通过实测 声波在混凝土 介质中的 传播时间、频率和波幅 衰减等声学参数的变化 对桩身完整性进行检 测的方法。,声测管的要求,1.混凝土灌注桩用钢薄壁声测管及使用要求（JT/T 705-2007 )；,2.声测管型号表示方法,3.声测管技术参数：,3.1.1声波透射法测桩的优点,检测细致，通过加密、斜测、CT扫描，检测可做到准确可靠； 不受桩长、桩径限制，已测最大桩长110m，最大桩径 3.0m ； 无盲区，可检测桩顶低强区和桩底沉渣厚度； 不受缺陷数量限制； 通过测量波速可估算桩身混凝土强度； 勿需开挖，声测管露出地面（或水面）即可检测。,3.2 超声波法测桩规范,3.2 超声波法测桩规范,抽检数量 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%。,3.3 检测工作程序,3.4 声测管的安装埋设,混凝土灌注桩用钢薄壁声测管及使用要求 JT/T 705-2007,3.5 声测管的安装埋设,3) 声测管的联结 优先采用螺纹联结 套筒联结，不得对焊,3.4 声测管的安装埋设,4) 声测管数量及布置 JGJ/T F81-01-2004： 800mm D 1500mm，3根；D1500mm，4根。,3.4 声测管的安装埋设,5) 声测管安装 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 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。,第四章 室内分析,4.1.1 透射法声速计算,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: 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。 t = ti -t0 -tw -tt vi = L /t,4.1.2 单孔折射法声速计算,t = t2 -t1 vi = h /t 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。,4.2 缺陷分析方法,4.2.1 异常测点判断概率法,4.2.1 异常测点判断概率法,4.2.1 异常测点判断概率法,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-kvD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vi vD JGJ/T F81-01-2004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,4.2.1 异常测点判断概率法,4.2.2 异常测点判断PSD法,4.2.3 波速低限值判据,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 vi vL 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,4.2.4 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。,大广高速京衡段LQ15合同K157+320分离立交桥 0B-5#基桩,1-3 剖面31.3-35m处波速变化,4.2.5 用振幅判断缺陷,4.3 缺陷区域判断 阴影重叠法,将所有相交的缺陷 阴影区进行叠加，其交 阴影重叠法原理 叉重叠所围成的区域， 称为缺陷阴影区，即为 缺陷的范围。,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,张涿高速公路 保定段LJ-S3合同小西河大桥右7-1,1-2,1-3,1-4,病害位于14.9-15.1m之间 向桩中心约为18cm左右,1-3 剖面 波列图,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,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. 混凝土离析 -石多浆少，声速不降，波幅减 小;浆多石少，波幅不降，声速下降。 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 F81-01-2004,4.5.1 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,4.5.4 报告签章,检测、分析、校核、审批人员（技术负 责人）签名； 加盖机构报告专用章（包括骑缝章）； 加盖计量认证章（CMA章）。,4.5.5 验证检测,对于声波透射法检测结果有争议时重新检测 钻芯法验证 静载试验（不常用）,第五章 现场操作,5.1 检测前的准备工作,检测前的准备应符合下列规定： 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）检查换能器扶正器是否完好、合适； 6）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。,水泵灌水后不能立即检测,5.1 检测前的准备工作,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和每根声测管的管底标 高； 4）绘出各声测管方位图。,5.2 检测剖面的编号及检测次序,5.3 记录表,5.4 标定t0及声时修正,5.4 标定t0及声时修正,5.4 标定t0及声时修正,5.4 标定t0及声时修正,5.4 标定t0及声时修正,5.4.4 声时修正 声时修正值一般在分析时扣除，如要 机内扣除，需在正式测量前，在仪器原 “零声时”基础上，手工再加上计算得到 的t，分析时不需再扣除 t。,5.5 现场检测,（1）现场检测要求 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； 在对同一根桩的检测过程中，声波发射电压应保 持不变； 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。,5.5 现场检测,（2）仪器调试 将换