（岩土工程专业论文）灌注桩声波透射法应用研究.pdf

摘要 声波透射法以其鲜明的技术特点，成为目前混凝土灌注桩质量检测的可靠方 法，在公路、桥梁等工程建设中得到了广泛应用。它虽然是一项较为成熟的技术， 但在实际应用中还存在问题与不足，需要作进一步的研究。 本文以桥装与高速公路楼基检测实践为依托，对声波透射法的应用开展了相 应的研究工作：现行规范评价桩基质量采用的是临界值判别法，选用声速、波幅 作为评价参数，但在检测时经常遇到二者评价结果相矛盾的情况，本文引入了模 糊数学的方法，建立了综合评价法模型，并将波形纳入了评价体系，发展了现行 的评价方法，使评价结果更为全面、合理、可靠；通过对大量检测数据的统计、 分析与研究，获得了桩基声速分布图，发现了桩基的声速一测距关系与结构混凝 土的差异并分析了原因，将影响因素考虑进去的拟合曲线与实测的声速一测距趋 势吻合较好；不同类型的灌注桩缺陷有不同的声学特征，结合有关资料与检测实 践，论文对几种缺陷的声学特征进行了总结，初步建立了声学参数与缺陷类型的 对应关系；在某跨海大桥超长桩断桩处理时，用声波透射法全程监控该处理过程， 以掌握处理行为对缺陷的影响，确保了该桩的成功处理，开拓了声波透射法新的 应用领域；声测管倾斜变形与混凝土缺陷都会导致声学参数的异常，论文总结了 二者之间的区别，并对声速与龄期的关系进行了分析、研究。 关键词：桩基础；声波透射法：综合评价；声速；波幅；波形；频率 a b s t r a c t w i t hd i s t i n c t i v et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，u l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nm e t h o d c u r r e n t l yi sar e l i a b l em e t h o dt ot e s tc o n c r e t eq u a l i t yo fb o r e dp i l e sa n dg e t saw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n si nc o n s t r u c t i o no fh i g h w a y sa n db r i d g e s ，e t c a l t h o u g hi ti sa r e l a t i v e l ym a t u r et e c h n o l o g y ，t h e r ea r es t i l lp r o b l e m si np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n d f u r t h e rr e s e a r c hi sn e e d e d b a s i n go nt h ep r a c t i c eo ft e s t i n gp i l e so fb r i d g e sa n dh i g h w a y s ，t h et h e s i si s i n t e n d e dt oc a r r yo u tc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hi n t ot h e a p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o nm e t h o d t h ee x i s t i n gn o r m su s et h et h r e s h o l dv a l u et oe v a l u a t et h e q u a l i t yo fp i l e sw i t hs o u n dv e l o c i t ya n da m p l i t u d ea se v a l u a t i o np a r a m e t e r s ，b u ti t o f t e nc a u s e sc o n f l i c t i n gr e s u l t si nt e s t i n g s ot h et h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o do f f u z z y m a t h e m a t i c s a n de s t a b l i s h e st h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lw i t h w a v e f o r m i n c o r p o r a t e di n t ot h es y s t e mo fe v a l u a t i o n ，d e v e l o p e dt h ec u r r e n t e v a l u a t i o nm e t h o di no r d e rt om a k ee v a l u a t i o nr e s u l t sm o r ea l l s i d e d ，r e l i a b l ea n d r a t i o n a l t h r o u g ht h es t a t i s t i c s ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fv a s tt e s t i n gd a t a ，t h e s c a t t e r - g r a m o fs o u n d v e l o c i t y o f p i l e s a n d r e l a t i o n s h i p c u r v eo fs o u n d v e l o c i t y 。r a n g ea r eo b t a i n e d ，a n dt h ed i f f e r e n tt r e n do fs o u n dv e l o c i t y r a n g eb e t w e e n p i l ea n ds t r u c t u r ec o n c r e t ei sd i s c o v e r e dw i t hi t sr e a s o n sa n a l y z e da sw e l l t h e s i m u l a t i n gc u r v ec o n s i d e r i n gf a c t o r s ，w h i c hi n f l u e n c e si t ，d o v e t a i l sn i c e l yw i t ht h e a c t u a lt r e n do fs o u n dv e l o c i t y - r a n g eo fp i l e s t h ed i f f e r e n td e f e c t so fb o r e dp i l e s h a v ed i f f e r e n ta c o u s t i cc h a r a c t e r s w i t ht h er e l a t e dd a t aa n dt e s t i n gp r a c t i c e ，t h e t h e s i ss u m m a r i z e st h ea c o u s t i cc h a r a c t e r so fs o m ed e f e c t sa n di n i t i a l l ye s t a b l i s h e s c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c o u s t i cp a r a m e t e r sa n dt y p e so fd e f e c t s w h e nt h es u p e r l o n gb r o k e np i l eo fab r i d g ea c r o s ss t r a i ti st r e a t e d ，t h eu l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o nm e t h o di se m p l o y e dt om o n i t o rt h ew h o l ep r o c e s so ft r e a t m e n tt og r a s p w h e t h e rt h ed e f e c ti si n f l u e n c e db yt r e a t m e n t ，a n d g u a r a n t e e s t h es u c c e s s f u l t r e a t m e n to ft h ep i l e t h a to p e n su pan e wa p p l i c a t i o nf i e l do fu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o n m e t h o d a st h es l a n to rd i s t o r t i o no fd e t e c t o rt u b e sa n dt h ed e f e c t so fc o n c r e t e q u a l i t yw i l lc a u s ea b n o r m a lc h a n g eo fa c o u s t i cp a r a m e t e r s ，t h et h e s i ss u m m a r i z e s t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e ma n da n a l y z e st h er e l a t i o nb e t w e e ns o u n dv e l o c i t ya n d t h ea g eo fc o n c r e t e k e yw o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n ；u l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nm e t h o d ；c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ；s o u n dv e l o c i t y ；a m p l i t u d e ；w a v e f o r m u 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：日期：os 年o j 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 惭猪 形荔 日期： p5 年。岁月夕p 日 日期：7 刃动乏# 厂月2 夕日 1 1 立题背景 第一章绪论 随着我国工程建设事业的蓬勃发展，桩基础在高层建筑、重型厂房、港口 码头、海上采油平台，以及核电站等大型工程中大量采用，已成为许多建筑物 的首选或必选基础，我国每年的用桩量超过3 0 0 万根，是工程建设中最重要的 一种基础形式。桩基础的造价通常占土建工程总造价的1 4 以上，其质量直接 关系到整个建筑物的安危引。 最近几年，随着国民经济的高速增长，城市、高速公路、铁路建设得到了 迅速地发展，高层、超高层建筑与大跨度桥梁如雨后春笋般涌现，在我国沿海 地区，由于覆有深厚的软土层，这就使得具有承载力高、稳定性好、沉降量小 而均匀等优点的超长桩的使用成为必然，例如，上海世界环球贸易中心( 9 2 层，4 6 1 m ) 与金茂大厦( 8 8 层，4 2 0 m ) 都采用了入土深度超过8 0 m 的钢管桩， 温州瑞安皇都大厦采用了桩长9 8 m 的钻孔灌注桩；杭州湾跨海大桥i i i - h 标工 程，其d l 3 号主墩钻孔灌注桩，桩长12 7 8 m ，创国了内跨海大桥钻孔灌注桩 施工新纪录m 引。 桩基工程属于地下隐蔽工程，施工工序较多，工艺流程相互衔接紧密，且 主要工序的施工过程都在地下与水下进行，不便于监视，同时影响施工正常进 行和施工质量的因素众多，难以全部预见，所以桩基不可避免的会出现诸如缩 径、夹泥、离析、断桩和沉渣过厚等各种形态的缺陷，影响桩身的完整性与单 桩的承载能力吲。 灌注桩的施工技术虽已较为成熟，但质量事故仍时有出现。桩基质量直接 关系到整个建筑物的安危，如何对其质量进行经济可靠的检测? 若出现质量缺 陷后，其位置、范围与严重程度如何? 怎样进行有效的处理等? 这些问题都受 到设计、施工、监理、业主等各方的普遍关注，也是岩土工程界研究的课题之 o 声波透射法是较为经济可靠的桩基完整性检测方法，能够准确的发现缺陷 的位置与大小拍“引，评价其严重程度，为缺陷桩的处理提供依据。对超长桩而 言，声波透射法检测不受桩长桩径限制，这是高、低应变法所不具备的优点。 作者用声波透射法在桥梁与公路工程中，亲自检测了近千根灌注桩桩，本 论文结合检测实践与工程实例，对声波透射法的应用进行探讨与研究。 1 2 桩基础概述 桩是构筑物基础中的柱状构件，它的作用在于穿过软弱的可压缩性土层， 把来自上部的结构荷载传递到更密实、更坚硬、可压缩性较小的土壤或岩石上。 桩在工作时要承受上部结构的轴向荷载，还要承受上部结构因风、水流、撞击、 机车制动等横向推力引起的水平荷载和弯矩作用。 桩基础是由若干根桩与承台两部分组成。桩身可全部或部分的埋入地基土 中，当桩身外露在地面以上较高时，在桩之间应加设横系梁，以加强各桩的横 向联系。基桩所承受的荷载由桩通过桩侧的摩擦力及桩端土的抵抗力将荷载传 递到桩周土层中去。 1 2 1 桩基础的发展 桩基础是历史悠久、应用广泛的一种基础形式，在距今约1 2 0 0 0 年智利古 文化遗址中已经发现了桩的雏形3 。早在新石器时代，人类为了防止敌人进攻、 猛兽侵犯，就设法在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住所。我国在汉代已 用木桩修桥，到宋代，桩基技术已较为成熟。 1 9 世纪2 0 年代开始使用铸铁钢板桩修筑围堰和码头。到2 0 世纪初，美 国出现了各种形式的钢桩，在密西西比河上钢桥开始大量采用钢桩基础，其后 在世界各地逐步推广，并逐渐发展成为包括钢桩，钢板桩、钢管桩及异性断截 面钢桩等类型。 2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世，出现了钢筋混凝土预制桩。我国从 2 0 世纪5 0 年代开始生产预制钢筋混凝土桩，以后又广泛采用抗裂能力高的预 应力钢筋混凝土桩。1 9 4 9 美国雷蒙德混凝土桩公司最早采用离心机生产预应 力混凝土管桩。2 0 世纪6 0 - 一7 0 年代，我国也研制出大型预应力钢筋混凝土管 桩，并将其用于桥梁、港口等工程中。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩是就地灌注混凝土桩。2 0 世纪2 0 - - 3 0 年代已出现沉管灌注混凝土桩。3 0 年代上海修建的一些高层建筑 的基础就曾采用过沉管灌注混凝土桩。随着大型钻孔机械的发展，出现了钻孔 灌注桩。2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，我国的铁路和公路桥梁就开始大量采用钻孔灌 注桩和挖孔灌注桩。随着桩基础施工技术的提高，灌注桩的桩径、桩长也在不 断地增大。目前我国桥梁工程中最大桩径己超过5 m ，最大入土深度达1 3 0 m 。 1 2 2 桩基础的分类 根据桩本身的力学特性可把桩分为两大类：柔性桩与刚性桩。柔性桩桩本 身由柔性或者半柔性材料构成，多用于复合地基中_ o 誓j 。目前工程中常常采 用的水泥土搅拌桩、碎石桩就属于这一类。刚桩桩体本身由刚性材料构成，其 本身可构成一受力杆件。工程上所谓的“桩”大多指的是刚性桩。按不同的分 类方法可以把桩分为若干类例_ 。 ( 1 ) 按桩身材料分：根据桩的材料，可以分为木桩钔( 包括竹桩) 、钢桩、 混凝土桩州( 包括钢筋混凝土桩) 和组合材料桩等。 ( 2 ) 按成桩方法对土层的影响分：不同的成桩方法对周围土层的扰动程度 不同，直接影响到桩承载力的发挥和计算参数的选用。一般按成桩方法可以分 为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类。 ( 3 ) 按桩的承载性状分：根据桩的承载性状的不同，可以把桩分为摩擦型 桩与端承型桩。摩擦型桩又可以分为摩擦桩与端承摩擦桩；端承型桩可以分为 端承桩与摩擦端承型桩。通常情况下，在荷载作用下桩的端阻力与侧壁摩阻力 都同时发挥作用。 ( 4 ) 按桩的使用功能分：根据桩在使用状态下的抗力性能和工作机理可以 分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩与复合受荷桩。 ( 5 ) 按成桩方法分：根据成桩方法的不同把桩分为打入桩、就地灌注桩、 静压桩、螺旋灌注桩、水泥土搅拌桩等类型。其中就地灌注桩又可以分为沉管 灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖空桩及夯扩桩等。 ( 6 ) 按桩长分：虽然大家都认为应该按照桩长对桩基础进行分类，但对1 于具体的分类界限，存有一定的争议，目前还没有统一的认识与标准。根据桩 长或者结合长径比可以定性的把桩分为：短桩、中长桩、长桩、超长桩。 1 2 3 灌注桩常见的质量问题 在地下水位较高的场地进行灌注桩施工时，成孔方法有冲抓式、冲击式、 回转式、潜钻式等，成孔过程采用就地造浆或制备泥浆护壁，以防止孔壁坍塌。 灌注桩的施工过程中，水下混凝土灌注是成桩的关键性工序，灌注过程中要分 工明确，配合密切，操作稍有不当就可能出现质量问题。 ( 1 ) 混凝土灌注不连续。由于停电、机械故障、导管堵塞等原因，混凝 土灌注没能连续进行，先灌混凝土已初凝，后继混凝土无法下灌，只得拔出导 管，一旦泥浆进入管内必然形成断桩。 ( 2 ) 钢筋笼上浮。钢筋笼上浮除了是由于套管上拔、导管提升勾挂等原 因所致外，还可能是由于底部混凝土灌注速度过快，混凝土向上顶托钢筋笼， 致使钢筋笼上浮。 ( 3 ) 塌孔。泥浆护壁成孔，不同土层，应配制不同的泥浆；桩孔周围不 得堆放重物或有大型机械振动，否则可能会导致孔壁坍塌。 ( 4 ) 沉渣过后。清孔时应控制沈孔时间和孔口泥浆密度，确保孔底沉渣 厚度满足规范要求。若孔底沉渣过厚，则会影响桩端承载力的发挥。 ( 5 ) 离析。混凝土和易性不好或者导管连接处漏水，容易引起混凝土离 析。 桩身夹泥、断桩大都是以上各种事故的次生结果。一旦灌注桩出现质量问 题，不能满足设计受力要求时，应根据缺陷情况，采取切实有效的处理办法。 1 2 4 灌注桩缺陷处理方法 所谓灌注桩缺陷就是指不能满足设计要求的灌注桩存在的质量问题。主要 有以下两类：桩身有缺陷，如断桩、缩径、混凝土离析、桩底沉渣过厚、夹 泥等；虽然桩身质量达到了设计要求，但由于桩周与桩底的工程地质条件不 能满足承载力要求，从而导致灌注桩单桩极限承载力不能满足设计要求。灌注 桩缺陷处理就是当其质量不能满足设计要求时所采取的各种必要的工程技术 措施。 根据 5 ，我国常见的灌注桩处理方法有注浆法、高压喷射注浆法与综合 处理法等。 ( 1 ) 注浆法：注浆法是浆既有流动性又有胶凝性的浆液( 或者化学溶液) ， 按照规定的浓度，通过特设的灌注钻孔压送到土层或岩石中去。浆液进入岩土 裂隙或土层孔隙中，扩散、填充孔隙后，经过硬化、胶结形成结石，可以起到 加固、防渗、改善地基的物理力学性质与工程地质条件等作用。 ( 2 ) 高压喷射注浆法：高压喷射注浆法简称高喷法或旋喷法。6 0 年代末出 现于日本，7 0 年代以来在我国的岩土工程领域得到了应用和发展。高压喷射 注浆法是在有百余年历史的注浆法的基础上引入高压水射流技术，所产生的一 种新型注浆法。它具有加固强度高、加固质量均匀、加固体型式可控及加固半 径大等优点，已成为工程界普遍接受的、多用、高效的地基处理方法。近年来， 在灌注桩缺陷处理中到了广泛的应用，取得了良好的经济与社会效益。 ( 3 ) 综合处理法：目前，除了注浆法与旋喷法处理灌注桩的缺陷外，还有 诸如开挖接桩、加桩和承台处理等其他方法。开挖接桩主要适用于桩身缺陷位 置较浅的缺陷桩，即凿除灌注桩的浅部缺陷，然后接桩灌注混凝土；加桩处理 是在原有的灌注桩附近加桩，一般采用挑扁担梁的方法( 即在原桩对称的两侧 各加一根桩，以减小原桩所承担的荷载) ，也可采用其他方式加桩，以满足设 计承载力的要求；承台处理方法往往用于当灌注桩的单桩承载力达不到设计要 求，依据工程地质情况加大承台受力面积，提高桩基的承载力，以满足上部结 构的要求。 对于上述注浆法、高压喷射注浆法与综合处理法的应用，要依据灌注桩的 缺陷类型和工程地质条件，进行设计计算，经技术经济对比分析后，选择合理 的处理方法与方案实施处理。对于各种处理方法，可以单独使用，也可以将各 种方法综合利用，以期达到更好的处理效果。 1 3 灌注桩的检测 鉴于桩基工程的重要性，设计工作需要校核。桩基础在施工中容易出现各 种质量问题，所以桩基工程的试验、检测、验收工作非常重要。 检测的目的是对施工质量进行验收、评估和对质量问题的处理提供依据 等。桩基检测可以分为两大类，一类是承载力检测，如静载试验法、静动法及 高应变法等；一类是完整性检测，如声波透射法、钻芯法和高、低应变法等。 根据检测的目的，可采用不同的试验方法川。 桩基检测方法及目的 表1 1 检测方法检测目的检测时间要求 桩身混凝土强度 静载 确定单桩极限承载力( 抗压、抗拔及水平) ：达到设计要求； 判定桩的承载力是否满足设计要求； 休止期：砂土， 试验法 通过桩身内力及变形测试，测定桩侧、桩端阻力等；7 d ；粉土，1 0 d ： 验证高应变法检测的单桩竖向抗压承载力检测结果；非饱和土，1 5 d ； 饱和土，2 5 d ； 静动法确定桩基竖向抗压极限承载力；同静载试验 判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求； 高应变法检测桩身缺陷及其位置，判断桩身完整性类别；同静载试验 分析桩测和桩端阻力； 声波 检测灌注桩桩身混凝土的均匀性、桩身缺陷及其位混凝土强度达到 置，估算混凝土的强度，判定桩身完整性类别。不受设计强度的7 0 ， 透射法 桩长桩径限制，多用于大直径桩，需要预埋声测管。约1 4 d 左右； 检测灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度； 钻芯法判定或者鉴别桩底岩土性状；2 8 d 以上 判断桩身完整性类别。 检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。受桩 混凝土强度达到 低应变法设计强度的7 0 ， 长桩径限制、多用于中小桩。 约14 d 左右； 灌注桩的大量使用，直接促进了检测技术的迅速发展，为建设工程质量的 判定提供可靠的技术保证。除上述方法外，近年来还出现了一些新的检测方法， 如测定桩基承载力的自平衡法以及检测桩身完整性的c t 扫描等方法。 至于超长桩的完整性检测，低应变法己不适用，而钻芯法成本高、工期长、 取芯难，效果也不太理想。声波透射法不受桩长桩径限制，检测细致全面，是 目前最为经济有效的超长桩完整性检测方法。 1 4 桩基声波透射法检测 1 4 1 声波透射法法检测的发展 用声学的方法检测结构体混凝土可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，那时以锤击 作振源，测量声波在混凝土中的传播速度，粗略的判断混凝土质量。目前所采 用的超声脉冲波法( 超声波法) 是始于2 0 世纪4 0 年代后期。 1 9 4 9 年，加拿大的莱斯利德( l e s lid e ) 、切斯曼( c h e e s m a n ) 和英国的 琼斯( j o n s ) 、加特费尔德( g a t f i e l d ) 首先把超生脉冲波技术用于结构混凝检 测，开创了混凝土超声检测这一新领域。而后，经过几十年的研究、探索与实 践，这项技术在仪器设备、检测方法、应用范围、数据分析、处理方法等方面 得到了很大发展，在许多国家和地区得到了普遍推广与应用，成为混凝土无损 检测的重要手段。 目前，许多国家及国际学术团体都先后制定了混凝土超声检测的规程、方 法或建议。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始研究这项技术，在6 0 年代已应用于工程检测， 随后试制生产了国产超声仪，7 0 年代以后我国曾多次组织力量合作攻关，大 大推进了无损检测技术的研究和应用。最近2 0 多年的发展尤为迅速。混凝土 超声检测技术己应用到建筑、水电、交通、铁道等各类工程中。检测应用的范 围和深度也在不断扩大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检测；从一 般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测；从单一测强发展到测强、测裂缝、 测缺陷、测破坏层厚度、弹性参数的全面检测检测，检测距离从2 0 世纪5 0 年 代的1 m 发展到能探测2 0 m 的混凝土。计算机技术也应用到混凝土超声检测的 自动化与数据处理、分析判断中，极大的促进了该技术的发展，提高了检测技 术的准确性和可靠性，也使检测过程更为简便、快捷、高效。 1 4 2 桩基声波透射法检测 混凝土灌注桩的声波透射法检测是超声法无损检测各类混凝土构件质量 的一项具体应用。 2 0 世纪7 0 年代，法国房建和公共工程研究中心开发应用声波透射法来检 测桩基质量。我国把声波透射法用于桩体质量检测，是由吴慧敏等人于19 8 2 年丌始研究的，并于1 9 8 4 年首次成功的运用于郑州黄河大桥直径2 2 m 钻孔灌 注桩桩身检测。1 9 8 5 年在全国开始全面的推广应用，随着这方面研究的不断 深入，工程应用范围也日益扩大，国家也制定了相应的规程。 声波检测一般是以人为激励的方式向介质( 被检测对象) 发射声波，在一 定距离上接收经介质物理特性调制的声波( 反射波、透射波或散射波) ，通过 观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被检测对象的宏观 缺陷、几何特性、组织结构、力学性质进行推断和表征。声波透射法是以穿透 介质的透射声波为测试和研究对象的，其基本方法是：在桩内预埋若干根声测 管作为声波发射和接受换能器的通道，在桩身混凝土灌注若干天后进行检测， 用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测桩身各截面的声学参数， 然后对这些检测数据进行处理、分析和判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范 围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，评定桩身质 量等级。 近年来，声波透射法检测灌注桩混凝土质量得到了迅速发展。它具有以下 优点：检测全面、细致，结果准确可靠；不受桩长桩径限制，一般也不受 场地限制；检测范围可以覆盖全桩长的各个截面，包括桩顶低强区和桩底沉 渣厚度，信息量丰富；现场操作简便、迅速，毋须桩顶露出地面即可检测； 可估算桩身混凝土的强度。 声波透射法检测以其鲜明的技术特点成为目前混凝土灌注桩，尤其是大直 径灌注桩与超长桩质量检测的可靠方法”9 心川，在工业与民用建筑、水利电力、 铁路、公路与港口等工程建设中得到了广泛的应用。 1 4 3 声波透射法展望 超声成像具有直观易懂、检测精度较高的特点，随着机械扫描超声成像技 术的成熟，近几年我国超声成像检测技术有了飞速的发展。将计算机层析成像 ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术用于混凝土超声波检测，即为混凝土 超声波层析成像检测方法。 该方法首先将待检测混凝土断面划分为诸多矩形单元，然后从不同方向对 每一单元进行多次超声波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单 元，通过反演技术可以获得测区各部分的声速分布，从而确定缺陷区的位置、 尺寸以及缺陷本身的声速，推断缺陷的类型、严重程度等。其成像结果可精确、 直观的表示出整个测试断面上混凝土的缺陷及质量信息，使检测精度大为提 高。 利用超声波c t 技术可以获得整个测区混凝土质量分布情况的直观图像。 与常规声波检测相比，对混凝土内部缺陷的判别可做到定量化。超声波c t 将 是超声波技术在混凝土无损检测领域的一个发展方向。 1 5 本文的主要研究工作 作者参与了多个工程的桩基检测工作，共检测了近千根灌注桩。本文以检 测实践和工程实例为依托，对大量的检测数据进行了整理、统计、分析与研究， 主要工作如下： ( 1 ) 声速、波幅、波形都与混凝土的质量密切相关，能不同角度与程度 的反应混凝土的质量，但目前对于波形畸变的分析与研究尚处于经验性阶段， 难以统一指标进行量化，所以规范只选用声速、波幅作为评价参数，采用的是 临界值判别法，但在检测中，经常遇到二者评价结果相矛盾的情况。本文引入 模糊数学的内容，建立综合评价法模型，将波形纳入了评价体系，发展了现行 的评价方法； ( 2 ) 统计、分析大量的检测数据，对桩基的声速分布特征与声速一测距 关系进行了研究； ( 3 ) 灌注桩会产生各种类型的缺陷，不同的缺陷声学特征有所不同，目 前的研究还难以根据声学参数的变化明确判定缺陷的性质与程度。论文结合相 关资料与检测实践，对声学参数与缺陷类型的对应关系作了的研究； ( 4 ) 在某超长桩断桩处理时，用声波透射法对该处理过程进行全程监控， 了解处理行为对缺陷的影响，使处理过程由不可知变为可知，待处理完成后， 分析、比较处理前后的变化，评定处理效果，该方法开拓了声波透射法新的应 用领域； ( 5 ) 在声波透射法检测中，声测管倾斜、变形会引起测距的改变，而声 学参数对测距的改变与混凝土质量问题都很敏感，检测人员往往把因测距改变 导致的声学参数的变化误认为是混凝土质量差别所致，这会给检测数据的分 析、结果的判断带来严重影响，本文结合工程实践，对这个问题进行了分析与 总结； ( 6 ) 规范要求，被检测桩的混凝土龄期应大于1 4 天，但在实践中，有时 为了加快工程建设进度、缩短工期及满足施工作业面等要求，检测时间被提前 了，而检测时间的提f i 是否会影响检测结果呢，针对这个问题，本文对某高速 公路大桥110 根相同直径桩( 1 8 m ) 的声速一龄期关系进行了分析、研究。 2 1 引言 第二章声波透射法检测原理 声波透射法是根据超声波穿过混凝土时，通过观测和分析声速、波幅、频 率、接受信号主频等参数的变化来判断缺陷的，对被检测对象的宏观缺陷、几 何特性、组织结构、力学性质进行推断和表征。目前技术上已经较为成熟，普 遍用于工程检测，且我国已编制了相应的技术规程。 用声学的方法检测结构体混凝土可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，目前所采用 的超声脉冲波法( 超声波法) 是始于2 0 世纪4 0 年代后期。1 9 4 9 年，加拿大 的莱斯利德、切斯曼和英国的琼斯、加特费尔德首先把超声脉冲波技术用于结 构混凝土检测，开创了混凝土超声检测这一新领域，经过几十年的发展，现已 成为混凝土无损检测的重要手段。 用超声法检测灌注桩混凝土质量是超声法无损检测各类混凝土构件质量 的一项具体应用，始于到2 0 世纪7 0 年代。其基本方法是：在桩内预埋若干根 声测管作为声波发射和接受换能器的通道，在桩身混凝土灌注若干天后进行检 测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测桩身各截面的声学参 数，然后对这些检测数据进行处理、分析和判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、 范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，评定桩身 质量等级。 近年来，声波透射法检测灌注桩混凝土质量得到了迅速发展，在工业与民 用建筑、水利电力、铁路、公路与港口等工程建设中得到了广泛的应用。目前 声波透射法检测以其鲜明的技术特点成为混凝土灌注桩，尤其是大直径灌注桩 与超长桩质量检测的重要手段。 2 2 波动与声波 波动是物质运动的一种形式，也是能量传播的一种方式。波动可以分为两 大类：一类是机械波，如水波、声波、超声波等，它是机械振动在弹性介质中 的传播过程；另一类是电磁波，如无线电波、红外线、紫外线、可见光等，它 是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间中的传播过程。 声波足在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同呵以分为次声波、可 闻声波、超声波和特超声波。 声波种类和对应的频率范围 表2 1 名称 频率范围 次声波 o 2 0 1 0 1 h z 可闻声波2 0 1 0 1 2 0 1 04 h z 超声波 2 0 104 1 0 10 1 0 h z 特超声波 1 0 10 1 0 h z 通常所说的“声波”具有广泛的含义，它包括了可被人类听觉感知的“可 闻声波”，也包含不能被人类听觉感知的其它频段的机械波，用于检测混凝土 的声波主频一般为2 1 04 2 5 10 5h z ，属于超声波。 2 3 声波透射法检测的基本声学原理 事实上，声波在任何介质中传播都有衰减存在。为使问题简化，以下关于 声波传播的讨论中，假定声波在无吸收的均匀介质中传播，也就是说声波在传 播过程中无衰减。 2 3 1 理想介质中的波动方程 理想介质是指无吸收的各向同性弹性介质。波动方程是描述波动介质中任 一质点的位移随该质点的空间位置和时间变化规律的数学物理方程。 假定有一平面波在介质中沿x 方向传播，由于是平面波，所以在与x 轴垂 直的任意平面上，所有质点运动状态相同。如果在x = o 的平面上，质点的振动 方程为： u = 4 c o s o ) t ( 2 1 ) 式中：甜一质点位移；彳。一质点振幅；缈一圆频率；，一时间。 若声波的传播速度为，则经过时间r 后，声波传播距离为x = w ，即在x 处 的平面上各质点的振动，比x = 0 平面上的质点振动滞后了一段时间f = x v ， 因为质点是理想弹性介质，各质点振幅不变，x 处质点振动规律为： 材：c o s ( _ _ o ( 1 一三) ( 2 2 ) v 该方程描述了距波源为x 的平面上各质点在任一时刻f 的运动规律，因此， 它就是平面余弦波在理想介质中的波动方程。 对于球面波和柱面波，波向空间发散传播，即使是在理想介质中( 介质不 吸收能量) ，各波阵面的能量流密度也将随着波阵面与波源距离的增大而减小， 因此介质中质点的振幅将随着与波源距离的增大而减小。 由于理想介质不吸收能量，所以余弦波通过各波阵面的平均能量流是相等 的。设距波源单位距离的波振面上的质点振幅为4 ，则距离振源为，的球面与 柱面上的质点余弦波在理想介质中的波动方程分别为： 2 3 2 波的能量 甜：鱼c 。s 缈( r 一二) ， ， 材：4 c o s ( o ( t 一二) 4 r 1 ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 扰动在介质中传播时，介质各部分发生振动，因而具有动能；i 司时因为各 部分位移不同，介质各质点相对位置发生了变化，因而具有势能。扰动由近及 远的传播，能量也由近及远的传播，所以波的传播过程也就是能量的传播过程。 下面以弹性杆中的简谐纵波为例来讨论波的能量。 取截面积为a ，长为a x 的体积元a v = 彳血作为研究对象，设介质的密度为 p ，此体积元在波扰动的某一瞬时的动能为： 地= 丢必y ( 2 ( 2 5 ) 为了求弹性势能，先考察一段长为，、截面积为a 的弹性介质发生变形时 具有的弹性势能，这势能就是外力在迫使介质变形的过程中克服弹性力所做的 功，在伸长出的过程中，外力f 所做的功( 即势能) 为： 廓= f 肋= f 尉手出= 丁e at ( a t ) 2 = 芝1 幽了a i ) 2 ( 2 6 ) 其中，e 为弹性模量，a i i 为相对变形，对我们所考察的体积元来说，相对变 形即婴。故所考察体积元的势能为： 廓= 扣y ( 2 ( 2 7 ) 将简谐波运动方程甜= 4c o s c o ( t 一兰) 代入，可以求得： a e k = l p a v 0 2 彳；s i n 2c o ( t 一三) ( 2 8 ) 业p = 圭泓y 拳彳细n 2 邮一争 ( 2 9 ) 将v z ：墨代如( 2 0 9 ) 得： p 丝= 丝户i 1 肚肠2 彳；s i n 2o ( f 一詈) ( 2 1o ) a e = e k + 衄p = p a v c 0 2 彳：s i n v 2 缈( ，一三) ( 2 11 ) j 、， 以上两式表明，在波的传播过程中，介质中任一质元的动能和势能都随 时间变化，动能最大的时刻势能也最大，动能为零时势能也为零，动能与势能 的总和即机械能也随时间变化而变化。这与单个谐振子的情形不同，单个谐振 子的势能最大时动能最小，动能最大时势能最小，两者之和为常量，即机械能 守恒。在波的传播过程中，介质的任一质元与其邻近的质元之间在不断地进行 能量交换，机械能不守恒表明波的传播过程也是能量的传播过程。 2 3 3 波的能量密度 波的能量与所考察介质元的体积有关。通常用单位体积的介质所具有的能 量即介质的能量密度来表示波的能量在介质中的分布情况。动能密度和势能密 度为： 瓦= 等= 瓦= 等= 丢缈2 彳；s i n 2 加一争 c2 ，2 ) 波的能量密度为： 西= 等= 舢2 邪i n zo ( ，一 ( 2 1 3 ) 波的能量密度是随时间而变化的，通常取在一个周期内的平均值。 i r = ；2 抽2 加一= 华p 加一考渺= 扣国2 单位时间内通过介质中某面积的能量称为通过该面积的能流。在单位时间 内，通过垂直于波线的介质面积彳的能量等于体积a v 中的能量。这个能量是 周期性变化的，通常取其平均值，单位时间通过面a 的平均能流为i 1 脚。2 缈a v 。 以上对能量的讨论是针对纵波而论的，但其结论，包括( 2 1 0 ) 至( 2 13 ) 式，对于横波也成立。对于其他的波( 弦中的波、声波等) ，动能、势能的具 体形式不同，但动能与势能同相位的结论仍然成立。 2 3 4 声场 充满声波的空间叫声场，声压、声强与声阻抗率是描述声场特征的物理量， 即声场的特征量。 ( 1 ) 声压 声场中某一点在某一瞬时所具有的压强只与没有声场存在时同一点的静 态压强只之差称为声压p ，声波在介质中传播时，介质每一点的声压随时间、 距离而变化。 p = 一彳s i n 缈o 一二) = p 乞；= a o ) p w , , ( 2 1 5 ) 式中：一声阻抗率：屹一介质质点振动速度；p 。一声强幅值。 声压的绝对值与声速成正比，也与角频率c o ( c o = 2 x f ，f 为质点的振动 频率) 成f 比，所以声压的绝对值也与频率成正比，故超声波与可闻声波相比， 其声压更大。 ( 2 ) 声强 在垂直于声波传播方向上单位面积、单位时间内通过的声能量称为声强。 当声波传播到介质中的某处时，该处原来静止的质点开始振动，因而具有 动能；同时该处的介质也将产生变形，因而具有位能。 下面仅以纵波在均匀的各相同性的固体介质中传播为例，近似的表示声强 ) 。 - ，= 一1p v a2 缈2 ( 2 1 6 ) 2 声强与质点振动速度、声压和声强三者关系： j = l zpv v 。= 导告 声强与质点振动位移幅值( a ) 的平方成正比，与介质振动角频率( 缈) 平方成正比，与质点速度幅值( p a m ) 的平方成正比，与声压幅值( ) 的平 方成正比。 超声波的频率大于可闻声波，因此超声波的声强远大于可闻声波，这就 是超声波能用于检测、加工、清洗的原因。 ( 3 ) 声阻抗率 在声学中，把介质中某点的有效声压对质点振动速度的比值二称为声阻 易 抗率，以符号z 表示，z = p v ，它仅取决于介质的特性，又称为特性阻抗。声 波在介质界面上的反射、折射与其有关。亚2 引；。 2 4 波在弹性固体介质中的传播 2 4 1 弹性固体介质中声波的影响因素 固体介质中声波的波速取决于波动方程的形式和介质的弹性常数，而波动 方程的形式则取决于波的类型和介质的边界条件引，因此，声波在固体介质中 传播速度主要下列三方面因素的影响： ( 1 ) 波的类型：由于不同类型的波在固体介质中的传播机理不同，也就 导致了传播速度的差异。 ( 2 ) 固体介质的性质：对于弹性介质，主要取决于它的密度、弹性模量、 泊松比。这些是影响波速的内在因素，介质的弹性特征愈强( e 或g 愈大，p 愈小) ，则声速越高。 ( 3 ) 边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸( 垂直于波的传播方向 上的几何尺寸) 与波长的比值，比值越大，传播速度越快。 假设在垂直与波的传播方向上，介质的几何尺寸为a b ，声波的波长为力， 则： 1 ) e l , 五，b ”旯，介质可视为无限大，波速最高。 2 ) a 旯，介质可视为薄板，此时波速小于无限大介质的波速。 3 ) a 1 ，r 用于基桩声波透射法检测的换能器主频一般为2 5 5 0 k h z ，声速小于 5 o k m s ，则波长入在o 2 m 以内，远小于所测桩的垂直于测试方向的横向尺寸， 波在其中的传播可考虑成在无限大介质中的传播“州，其值可由2 1 8 式确定。 2 5 声波在介质面上的传播规律 声波在介质中传播，遇到与原有介质阻抗不同的障碍物( 另类介质) 时， 在两种介质的界面上声波的传播规律、能量的分配都将发生变化，产生反射、 折射、绕射、散射等现象。这种变化的规律依赖于声波波长和障碍物尺寸的比 率、两种介质的特性以及声波的入射角。 混凝土是一种多相复合体材料，其内部存在多种声学界面，声波在混凝土 内的传播是一个非常复杂的过程，研究声波在异质界面上的传播规律对于混凝 土质量的声波检测具有重要意义。 2 5 1 声波的反射 如果障碍物的尺寸远大于波长，则声波在两种介质界面处发生反射、折射 等现象。 ( 1 ) 反射定律 声波从一种介质( z l = a v l ) 传播到另一中介质( z 2 = 岛v 2 ) 时，在界面上 有一部分能量被反射，形成反射波，如图2 1 所示。 、 反射多 o t 心。 丫 ， ，z i - p , v i 、 、。j 、小j ”、j 。 p 二、入z 2 _ 咿： _ 、。 折射j 图2 1 声波在介质面上的反射与折射