（土木工程专业论文）声波透射法基桩检测新技术的应用研究.pdf

河海大学丁程硕士学位论文 摘要 通过大量的原型试验和模型桩试验，利用现有的超声波法检测混凝土质量的基 本理论和技术方法，系统地总结了声测管的设计和施工质量控制要点，提出了现场检测 初参数的设置和调整方法，分析了检测开始时间对检测结果的影响；以声测管最大倾斜 距离为定量分析指标，建立了“管斜判据”模式，来判定声测管倾斜程度，从而确定声 测管倾斜对检测结果的影响程度；同时提出了声测管倾斜情况下的数据修正方法。最后， 阐述基桩检测“方法链”的概念、形成的客观原因和原则以及“方法链”形成的一般过 程，以提高包括声波透射法在内的整个基桩检测方法的可靠程度。 关键词声波透射法检测基桩完整性声测管倾斜方法链 a b s t r a c t w i t ht h em a s sm o d e l p i l ei n s p e c t i o na n ds i t e i n s p e c t i o n ，a n dt h e b a s i ct h e o r ya n dt e c h n o l o g yw h i c ha r ei nu s ef o rc o n o r e t q u a l i t y i n s p e c t i o n b yt h em e a n so fs u p e r s o n i cw a v e ，w eg e tt h ep o i n to fc o n t r o lo fd e s i g n sa n d c o n s t r u c t i o na b o u tt h ei n s p e c t i o n t u b e ，s e t t i n g sa n d a d j u s t i n g so fp r e l i m i n a r y p a r a m e t e rw h i c ha r ei nu s ef o rs i t e i n s p e c t i o n w ea n a l y s et h ei n f l u e n c et h a t b e g i n n i n gt i m eo fi n s p e c t i o nt o t h ec o n c l u s i o no f i n s p e c t i o n a n dw eg e tt h e p a t t e r n sw h i c ha r ee x p r e s s e dt h ei n c l i n ee x t e n d o fi n s p e c t i o n t u b e f i n a l l y ，w e p u tf o r w a r dt h en e wc o n c e p ti o n ，“t h ec h a i n so fm e t h o d s ”，a n dt h ec a u s e sa n d p r i n c i p l ea n dc o u r s eo ft h en e wc o n c e p t i o n k e yw o r d s 】s u p e r s o n i cw a v ei n s p e c t i o np i l ei n t e g r i t yi n s p e c t i o n t u b ec h a i n so fm e t h o d s 河海大学丁程硕士学位论文 刖看 为了开拓新的检测市场，2 0 0 2 年我所在单位镇江市建筑科学研究所引进了声波透射 法( 文中时称声波法) 基桩检测整套仪器和技术，在吸收、消化该技术后很快投入生产 应用，为工程提供基桩检测服务。毋容置疑，声波法测桩具有低应变反射波法不具备的 特征，一是检测能“深入”到桩体内，二是检测数据可扩充。因而这些技术整体上可靠 性较高，检测提供的评价指标也多于反射波法。 在这项新技术的应用中，我和我的同事们也发现其实际应用效果有时并不令人满 意，检测的可靠性有时并不高，这项技术还存在一些值得入们关注的问题。这些问题不 加以解决，不仅影响检测的可靠性，也不利于新技术的推广应用。 2 0 0 2 年4 月，在有关单位和部门的支持下，作者所在单位对这项技术应用进行了立 项研究，作者为课题的第负责人，2 0 0 3 年底对立项课题进行了市级鉴定，鉴定委员会 一致同意通过“声波透射法基桩检测新技术的应用研究”的技术鉴定，认为该成果已达 到国内先进水平，具有一定的适用价值。本论文的完成建立在课题研究的基础上。 归纳起来声波法基桩检测技术应用中存在的主要问题有： 1 ) 与检测质量有直接关系的声测管的设计和施工问题。 如声测管的数量偏少、平面布置不规则、长度偏短。还有声测管的埋设质量不过 关，以及声测管的保护问题。 2 ) 现场原始数据采集存在的问题。 如初参数设置、调整不合理，检测开始时间太早。 3 ) 非规范条件下的检测问题。 在我国，声波法测桩已纳入多个规范，如建筑桩基检测技术规范( j g j l 0 6 - 2 0 0 3 ) 、 超声法检测混凝土缺陷技术规程( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) 。这些规范对声测管( 声波法基桩 检测发射、接收信号的通道) 的设计、施工都提出了不同程度的要求。如声测管应相互 平行。但在实际检测中，人们时常遇到声测管倾斜的现象( 据统计，在某些工程中声测 管埋设质量不符合规范的比例高达3 0 ) ，对此规范没有作出规定。 4 ) 与其它检测方法的协调和搭配问题。 当出现上述3 ) 的问题后，检测结果不能完全反映整个桩身的质量，或者说检测的 可靠性受到了影响，势必应采取其它措施来弥补声波法检测结果的不足。在检测工作中， 这类问题也没有得到很好的解决。 河海大学工程硕士学位论文 以上四个问题的解决构成了声波法测桩技术应用的四个关键子技术，它们是本文 研究的重点。通过对这四个问题的研究，我们试图达到以下目的： 1 ) 总结声测管的设计和施工要领，为设计部门和施工单位提供可借鉴的依据。 大量工程实例表明，对声波法测桩可靠性产生的影响多半是来自检测本身以外的 方面，如检测规范对声测管设计规定过于简单，设计未遵循检测规范已有的要求，声测 管的施工没有设计依据，或者不按图纸精心施工。 2 ) 对检测初参数的设置和调整作出分析，为现场检测提供帮助。 声波法现场测桩需要输入大量的初始参数，特别是在详测阶段，还要对这些参数 进行调整，以获得最佳检测效果。 3 ) 对声测管倾斜作出系统分析，以解决非规范条件下的检测问题。 声测管倾斜是最为常见的问题，它不仅影响检测数据的分析、处理，还使部分混 凝土处于漏检区域，直接影响了检测的可靠性。 4 ) 对方法之间的协调、组合作出分析，以提高基桩检测的整体可靠性。 基桩检测的最终目的是对桩的质量作出完整的、准确的评价，当某一种方法检测 的可靠性、准确性得不到保证时，应充分发挥每一种检测方法的优势，把各种方法有机 组合起来。 大而言之，通过研究以期声波法测桩技术更加严密、成熟、完善，更好地适用工程 需要，解决工程实际问题，提高单一检测方法的可靠性和基桩检测的整体可靠性；人们 都知道，当无损检测方法的可靠性很低时，常常需要采用静载荷试验或高应变试验来进 一步验证桩身质量，因此本文的研究也具有十分可观的经济价值和社会意义。 作为创新点之一，本文对声测管的倾斜作出了系统的分析，首次提出了以声测管 最大倾斜距离为判据，来划分声测管倾斜程度的模式，本文谓之“管斜判据”。这种模 式填补了声波法测桩技术的空白。这一研究成果表明，对于声测管倾斜，检测人员既不 能忽视倾斜对检测造成的影响，也不能忽视倾斜情况下检测数据的价值。 作为创新点之二，本文从声波法测桩技术应用分析入手，并推而广之到其它检测 方法，首次提出了基桩检测“方法链”理论，以解决各种基桩检测方法之间如何协调、 搭配的问题，完善了基桩检测技术体系，对实际检测工作具有很好的指导意义。 作为论文的编排，第1 章为绪论；第2 章为声波透射法基桩检测的基本理论和基本 方法；第3 章为声波透射法基桩检测几个关键子技术的研究；第4 章为基桩检测“方法 河海大学工程硕士学位论文 链”理论的架构：第5 章为总结。 限于本人水平，文中定会存在不妥之处，敬请指正。 河海大学t 程硕十学位论文 声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。如不实，本 人负全部责任。 签引司谚喜二咖年三肥十日 河海大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 基于：人e l 不断增长与可用土地越来越少之间的矛盾，高层建筑越来越多、 越来越高：建设工程要面临更复杂、更恶劣的地质条件：在建设的同时，人类 要治理形形色色的地质灾害。因而，桩基础的应用越来越广泛、普遍，已成为建筑 物( 构筑物) 最常用的基础形式和加固方式。具体表现在桩基础的类型越来越多， 桩基础使用的绝对数量与日俱增，我国每年的用桩量已达到3 0 0 万根；桩基础应 用的范围越来越广。在所有类型的桩基形式中，混凝灌注桩占有很大的比例。特 别是大直径桩基几乎全部采用混凝土灌注桩。可以毫不夸张说，桩基础支撑着高楼、 桥梁、港口码头、核电站，在某种意义上也支撑着整个社会经济这座大厦。 桩基础工程的质量直接关系到整个建筑物( 构筑物) 的安危，也影响到人民的 生命、财产安全。桩基通常位于地下或水下，属隐蔽工程，施工程序繁、技术要求 高、施工难度大。1 。对于混凝士灌注桩，易出现各种各样的质量问题，如断裂、空 洞、缩径、离析、沉渣过厚、混凝土强度偏低等。这些问题的存在降低了基桩设计 的可靠性，影响了工程的可靠性和安全性。 因此基桩质量检测显得尤为重要。其根本目的在于检验工程桩是否达到“设计 桩”的要求。所谓“设计桩”，是一个假想的概念，就是满足相应设计要求的位于 设计图纸上的桩。桩的设计参数主要包括桩的承载力和桩身完整性( 桩的材料质 量) 。而基桩承载力按其作用可分为竖向承载力、水平承载力、抗拔承载力或其组 合口1 。确定桩基承载力的基本方法是静载荷试验，但其成本大、周期长、现场要求 高。显然静载荷试验不可能适厢所有工程，且适用时检测的数日也很有限。 当桩起结构性作用时，承载力是其最重要的质量控制指标“1 。当桩起非结构作用时， 桩身质量是其最重要的质量控制指标。我们知道，桩身韵完整性与桩的承载力之间具有 相关性，即桩身的完整性是桩的承载力得以保证的必要条件之一。因此，无论对结构性 基桩，还是非结构性基桩，桩身的完整程度都具有重要的作用。因而基桩完整住检测在 工程检测中具有重要的意义。在工程实践中，几乎所有的基桩都进行桩身完整性检测。 近几十年来，工程技术人员已研究出多种基桩完整性检测方法，如低应变反射波法、 声波透射法、水电效应法、机械阻抗法、动力参数法、高应变动力法等等嘲7 瑚其中 有一些是从国外引进并吸收了我国自己的研究成果，大多数都是我国工程技术人员研制 第1 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 而成。这反映了我国在基桩完整性检测方面具有较高技术水平和综合能力。除了以上几 种检铡方法，还常采用钻芯法、开挖法等手段对桩身质量作补充检测或验证检测。 目前，我国基桩完整性检测通常使用低应变反射波法和声波透射法两种方法。前者 以经济、快速、简便为主要特征，大多应用于小直径桩的完整性检测；后者以可靠性高、 检测评价指标多( 如缺艏判别、桩长验证、沉渣厚度检测、混凝土均匀性判定) 为主要 特征。关于两种方法的比较在本文第2 章详细加以分析。 在这里，需对声波透射法和低应变反射波法两种方法的名称加以说明。对于声波透 射法，为区别于超声连续波，严格来，使用超声脉冲法的名称比较合理、准确，国外的 文献大多也是如此，因此当超声波用于混凝土质量检测时，均指脉冲式超声波，一般不 加以说明。 另外，根据现场条件的不同，声波透射法测桩有预埋管、桩心钻孔、桩外钻孔三种 测试方式。不加说明，一般指预埋管式声波透射法。 对于低应变反射波法，这是一个统称。从小类来看，它包括反射波法( 瞬态时域分 析法) 、瞬态机械阻抗法、稳态机械阻抗法。后两类方法采用频域分析判断桩身质量。 无论是时域分析法法还是频域分析法，只是从波动理论或振动理论两个不同角度去分 析，数学上忽略截断和泄漏误差时，时域信号和频域信号可通过傅立叶变换建立对应关 系。故可将上各小类方法合并统称为低应变( 动测) 法。 1 2 发展回顾 超声脉冲技术应用于结构混凝土检测历史并不长。早在1 8 8 0 年人们就已发现压电 效应。1 9 1 8 年，法国人首先制成了一套利用压电效应的水声装置；1 9 2 8 年，制造了第 一台连续超声波材料探伤仪；1 9 3 4 年超声波技术开始用于金属材料内部缺陷的探伤。第 二次世界大战后，雷达技术发展很快，促进了超声脉冲技术的发展。战后，人们将这一 技术实用化，1 9 4 9 年加拿大的莱斯利( l e s l i d e ) 、切斯曼( c h e e s m a n ) 和英国的琼斯 ( j o n e s ) 、加特费尔德( c a t f i e l d ) 首先把超声脉冲检测技术应用于结构混凝土的检测， 取得了令人鼓舞的效果，引起了人们的极大兴趣。在随后的几十年里。这方面的研究不 断深入、完善，仪器设备不断改进，技术应用越来越成熟、越来越普遍。至今，超声脉 冲技术仍是工程结构物质量检测的最重要手段之一。 我国在这方面的研究始于上个世纪5 0 年代。在仪器研制方面，1 9 5 8 年诞生了我国 第一代超声检测仪，6 0 年代可生产多种类型的检测仪。八十年代进入改革开放之后，随 着我国电子工业的发展，超声检测仪进入了第二代发展时期。近年来，超声检测仪已向 第2 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 小型化、自动化、智能化方向发展，标志着我国超声检测仪进入了第三代发展时期。我 国在此领域的发展已达到国际先进水平。与此同时，检测的附属设备、相关软件也得到 了一定的发展。这些都为超声波检测技术的发展提供了很大的帮助。 超声波基桩检测技术是传统的超声检测技术的具体应用。这项技术的研究开始于上 一个世纪八十年代末。经过众多学者、工程技术人员的辛勤耕耘，超声波测桩的检测方 法、仪器设备、判定方法、计算机分析软件已达到一定的水平。湖南大学吴慧敏教授提 出的p s d 数值判据法，改变了国外仅作波形图像判断的方法，为桩身完整性智能化创造 了条件”。 目前，超声波测桩技术已列入我国多个检测规范和规程中，建筑基桩检测技术规 范( j 6 j 1 0 6 2 0 0 3 ) 、超声波检测混凝土缺陷技术规程( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) 等。这标志 着我国在此领域具有相当的技术水平和应用能力。 近年来，学者、工程技术人员积极利用现代科技成果，对超声波测桩技术开展了许 多有益的基础性研究和应用研究。”“”“2 “”1 。这必将促进我国这项技术的更大发展。 1 3 研究范围 声波透射法基桩检测系统包括若干个相互联系、相互作用的子系统，如检测仪器设 备( 子) 系统、检测技术方法( 子) 系统、机构组织( 子) 系统等。这些子系统共同作 用，以完成声波法测桩预定的功能，如果其中某一个子系统出现问题都会影响整个系统 发挥正常的功能。本文研究的范围是其中的检测技术方法( 子) 系统。 声波法基桩检测技术方法系统大致包括两部分内容，一是技术的基础理论，二是技 术的实现( 即技术的应用) 。本文对声波法测桩技术的基础理论仅作一般介绍，详细内 容可参考有关书籍、文献。对于声波透射法技术应用而言，其包括若干个关键子技术， 如声测管埋设技术、现场采样技术、非规范条件下检测技术等。它们是本文研究的重点。 1 4 应用中存在问题 声波法测桩技术诞生至今只有十几年时间，加上过去该技术主要应用于市政、桥梁 工程，相对说来积累的经验少，在应用研究上投入相对也不多。通过一段时间的应用， 我们感受到了这项技术的优势，也发现这项技术克服了低应变反射波法的种种缺陷。但 同时，也发现其中存在一些问题，归纳起来有以下几个主要问题： 1 ) 在声测管的设计和施工方面存在的问题。 声测管的设计为其掩工提供了依据，施工质量又直接影响检测的可行性和可靠性。 第3 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 在检测中，人们发现声测管方面的问题比较多，某些工程项目声测管存在问题的比例竞 高达3 0 。这些问题有些来自设计方面，有些来自施工方面。设计方面的问韪表现为， 声测管的数量偏少，长度偏短，缺乏详细的施工说明；施工方面的问题主要表现在声测 管的固定、联结、封底、封口、管口保护四个方面。 2 ) 在现场原始数据采集存在的问题。 现场采样是基桩检测最重要的环节。在检测中，这方面也存在一些不太明确的地 方。如初参数如何设定，在详测阶段对某些初参数如何进行调整。在检测中，这些初参 数有：检测间距、发射电压、频率、采样周期、声测管间距等。另外，现场检测开始时 间的确定以及对检测是否存在影响，也是现场检测中时常遇到的一个问题。 3 ) 非规范条件下的检测问题。 在我国，声波法测桩已纳入多个规范，如建筑桩基检测技术规范( j g j l 0 6 2 0 0 3 ) 、 超声法检测混凝土缺陷技术规程( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) 。这些规范对声测管( 声波法基桩 检测发射、接收信号的通道) 的设计、施工都提出了一定的要求。但在实际检测中，检 测人员时常遇到声测管倾斜、偏位、偏短等现象，特别是声测管的倾斜现象较多见。在 这些非规范条件下，如何进行数据分析和结果评价，一直困扰着检测人员。 4 ) 与其它检测方法的协调和搭配问题。 当出现上述3 ) 的问题后，检测数据出现畸变，数据的处理、分析变得困难，检测 结果的可靠性也受到影响。对于其它检测方法，也存在类似的问题。故检测方法之间如 何协调、搭配，就成为包括声波透射法在内的整个基桩检测所面临的一个问题。 1 5 研究的目的和意义 通过研究，本文试图达到以下目的： 1 ) 总结声测管的设计和施工要领，为设计部门和施工单位提供可借鉴的成果。 大量工程实例表明，对声波法测桩可靠性产生影响的因素，多半是来自检铡本身 以外的方面，如检测规范对声测管设计规定过于简单，设计未遵循检测规范已有的要求， 声测管的施工没有设计依据，或者不按图纸精心施工。 2 ) 对检测初参数的设置和调整作出分析，以提高现场检测的可靠性。 声波法现场测桩需要输入大量的初始参数，特别是在详测阶段，对这些参数进行 应调整，以获得最佳检测效果。 第4 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 3 ) 对声测管倾斜作出系统分析，以解决非规范条件下的检测问题。 声测管倾斜是最为常见的问题，它不仅影响检测数据的分析、处理，还使部分混 凝土处于漏检区域，直接影响了检测的可靠性。 4 ) 对方法之间的协调、组合作出分析，以提高基桩检测的整体可靠性。 基桩检测的最终目的是对桩的质量作出完整的、准确的评价，当某一种方法检测 的可靠性、准确性得不到保证时，应充分发挥其它检测方法的优势，把各种方法有机组 合起来。 大而言之，通过研究以期声波法测桩技术更加严密、成熟、完善，更好地适用工程 需要，解决工程实际问题，提高检测方法的可靠性，这是本次研究的意义之一。当完整 性检测方法的可靠性得到提高，可以减少大量的验证性的静载荷试验或高应变试验。从 而为国家、企业节省投资，因此本文的研究也具有十分可观的经济价值和社会意义，这 是本次研究的意义之二。 1 6 研究的技术路线 2 0 0 2 年初，作者所在单位引进了声波透射法基桩检测技术全套检测仪器和分析软 件。我们对新技术加以学习、消化、吸收，并很快将之投入生产实践。通过生产实践我 们积累了大量的第一手资料，对这些资料进行分析、总结、提炼，运用物理的、数学的 方法加以研究，得到了许多有益的成果。同时，对现有检测方法进行分析、归纳、综合， 借助于系统的观念，提出了“方法链”这一新概念，以指导包括声波透射法在内的所有 基桩检测方法的应用。 2 0 0 2 年9 月，作者所在单位设置了模型桩，用来研究不同材料的声测管对检测结果 的影响，以及检测开始不同对检测结果带来的影响。 同时，生产实践又为研究提供了“试验田”。将部分研究成果应用于生产实践，验 证了成果的价值和积极意义。 近两年，运用声波法本单位为以下工程提供了检测服务：1 ) 镇江市新河大桥工程 ( 2 0 0 2 年) ；2 ) 镇江市塔影湖桥( 2 0 0 2 年) ；3 ) 镇江市经十二路古运河桥( 2 0 0 3 年) ： 4 ) 镇江市南门高架桥( 2 0 0 3 年) ；5 ) 镇江市跑马山大桥( 2 0 0 3 年) ：6 ) 镇江市跑马 山公跨铁工程( 2 0 0 3 年) 。研究成果在其中部分工程上也得到了应用和验证，在后面的 章节有具体的实例。 第5 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 1 。7 取得的成果 通过研究，取得了以下成果： 1 ) 总结、完善声测管的设计和施工要领。 为声测管的设计和施工提供可直接借鉴的成果，如声测管数量确定，平面布置，声 测管的长度确定，声测管与箍筋的固定方式，声测管与声测管的联结方式等。 2 ) 提供现场检测初参数的设定和调整方法。 3 ) 提出声测管倾斜的系统分析方法。 首先提出了声测管倾斜的概念，然后提出如何判定声测管倾斜，以及声测管倾斜程 度的判断模式，最后提出声测管倾斜情况下数据的修正方法。 4 ) 建立新的基桩检测方法的选择模式。 对各种基桩检测方法进行分析，找出其技术局限性和现场条件的限制性，以便各 种方法能很好地协调、搭配。 本文在两个方面有所创新。创新之一，系统地分析声测管倾斜问题，首次提出声 测管倾斜程度判定模式。创新之二，本文从声波法测桩技术应用分析入手，并推而广之 到其它检测方法，首次提出了基桩检测“方法链”理论。 1 8 小结 总之，声波透射法已成为基桩完整性检测的主要方法之一，特别是为大直径桩的检 测提供了新的方法。但这种方法在应用中还存在一些问题，通过对工程检测中积累的大 量数据进行分析，利用已有的理论和方法，解决其中重要的几个问题，以发展和完善现 有的检测方法，提高检测的可靠性，这也具有巨大的经济效益和社会效益。 第1 5 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 第2 章声波透射法基桩检测的基本理论和基本方法 2 1 引言 声波法测桩技术是超声波混凝土检测技术在基桩上的应用，两者的理论基础、检测 方法基本一致。检测的基本理论主要是振动和波动理论。检测方法也基本相同。以平测 为基本检测方法，必要时结合斜测、交叉检测、扇形检测“1 ”。 声波法检测技术用于基桩检测，理论上和方法上是成熟的。但从整体上来看，声波 法用于基桩检测的效果不及用于上部结构混凝土，暂且不谈声测管可能对检测造成的种 种影响，最根本的原因在于基桩混凝土的均匀性不及上部混凝土，基桩混凝土缺陷多也 是一个原因。在某种意义上讲，超声波技术在基桩检测上能否取得成功或者检测的可靠 程度，与基桩混凝土的均匀性有直接的关系。 2 _ 2 声波透射法基桩检测的基本理论 2 2 1 振动和波 从微观角度来看，任何一个固体材料都可以看作是无数个质点的集合体。这些质点 之间通过一定的方式彼此联结，联结的模式可简化为弹性和弹塑性两种。集合体中的每 一个质点都受到周围质点的牵连，因此当其中某一个质点受到激励产生振动时，必然会 把振动能量传递给周围的质点，使周围的质点产生在自身原来位置周围的周期性趣边。 在完全弹性体中，在传递过程中能量衰减少，波的传播较远；而在弹粘塑性体中，能量 衰减得很快。 上述机械振动的传播过程即为担撼遮蓝直遗。由振动和波的理论可知，波动是振动 的必然结果。 根据质点振动和波动传播的方向的关系，可将机械波分为三类：纵波、横波、表面 波。纵波的质点振动和波动传播方向一致。横波的质点振动垂直于波动传播方向。表面 波的质点振动和波动传播的方向介于纵波和横波之间。 横波和纵波是两种最简单的、也是最基本的波。任何复杂的波型都可以看作是横波 和纵波的叠加。 2 2 2 超声波 波在物体中传播时，如果物体中各质点均作连续不断的振动，这种波称为连续波。 第7 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 如果物体中各个质点作间歇性的脉冲振动，这种波称为脉冲波。混凝土质量检测采用的 是脉冲波。 根据波动频率的不同，声波可分为：次声波、可闻声波、超声波和特超声波。一般 说来，用于材料无损检测的频率范围约在0 0 2 x1 0 6 2 0 1 0 6 h z 之间，而混凝土检测中， 常使用其中较低的一部分，即0 0 2 x1 0 6 0 5 1 0 6 h z 叫。 2 2 3 波动方程 波在物体中的传播的运动规律可用波动方程来描述。为使问题简化，以下只讨论声 波在无衰减的介质中传播的情形。 假定某一平面波在介质中沿x 方向传播，在与x 轴垂直的任何平面上，所有质点均 作相同的振动，在x = 0 的平面上，质点的振动方程为： f = a c o s ( ( ) 幻 ( 2 - 1 ) 式中：f 为振动位移：a 为最大振动位移，即振幅；为圆频率；t 为时间。假设声波 的传播速度为c ，则经过时间t 后，声波传播距离为x = cr 。如果介质无衰减，即振幅 保持不变，则在x 处振动方程为： x f = h c o s ( ) ( 卜) ( 2 2 ) o 上式描述的就是介质中沿x 方向任何一点在任何时刻t 的运动规律。 一个振动周期t 中，波所传播的路程称为波长x ，则 2 2 4 超声场口儿9 ” 九：c t ：呈：竺旦 ( 2 3 ) t 超声波充盈的空间称为超声场，其状态可用声压、声强、声阻抗等特征量来描述。 1 ) 声压和声阻抗率 超声场中某一点在某一瞬间因超声波所引起的压强( 单位面积的压力) ，称为岂匡， 用p 表示。根据动量定理，经过简单的推算可得到： 卢pc v ( 2 4 ) 可见，声场中某点声压的大小与介质密度p 、声速质点振动速度p 成正比。 在声学中，把= pc 称为介质的直阻抗奎，以z 表示。 第8 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 2 ) 声强 将垂直于声波传播方向上，在单位面积单位时间内通过的声能量， 表示，可用单位时间内声压力所做功的平均值来表示，即 i = 研 在无衰减平面行波中， 【i ；pc 譬6 ) 2 称为直堡，用i ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 由公式可见，声强与声阻抗率成正比，与质点振动位移的平方成正比，与圆频率 的平方成正比。 3 ) 圆板形声源的扩散角口和声压与距离的关系 在介质中，当某一点振动时，声波将从这一点向四周辐射，但当声源为一圆板桩时， 根据波的干涉和绕射原理，声波将形成一个波束，见图2 - i 。在声源轴线上声压最大，而 偏离轴线一角度时声压减小，随着偏离角度的增大，声压比( 偏离轴线某一角度0 时的 声压与轴线上的声压之比) 迅速减小，到某一偏离角口。肘，声压比为零。日一可由下式 求得： 0 为半扩散角， 为波长，d 为声源直径。 ( 2 - 7 ) 图2 - 1 波的扩散图 4 ) 声波在界面上的现象 混凝土为复合材料，在其内部有许多界面，因此在混凝土性能的超声检测中，超声 波在界面的行为是十分重要的。当超声波从一种介质传播到另一种介质时，超声波的传 第9 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 播方向、波型和能力都将发生变化，其规律为： ( 1 ) 反射定律 超声波从一种介质( 其声阻抗为z 产p 。c t ) 传播到另一种介质( 其声阻抗为z fp ：c ：) 时，在界面上有一部分能量产生反射，形成区盟遮。 入射波波线及反射波波线与界面法线的夹角分别为入射角和反射角，入射角口的正 弦与反射角a 。的正弦之比，等于波速之比，即 s l i l t 2 g 1 s 峨2c ( 2 8 ) ( 2 ) 折射定律 超声波从一种介质( 其声阻抗为z 产p 。c 。) 传播到另一种介质( 其声阻抗为z z = p 。c 。) 时，在界面上有一部分能量产生反射，同时，一部分能量将越过界面形成折射波，折射 波波线与界面法线的夹角为折射角。入射角口的正弦与折射角p 的正弦之比，等于入 射波在甲介质中的波速c 。与乙介质中波速c ：之比，即： s i n 口c s i n ? 一c 2 ( 3 ) 反射率 反射波声压p 与入射波声压p 2 _ e ，称为豆牡室7 ，即 芦等 y 的大小与入射波的角度、介质声阻抗率及乙介质的厚度有关。 ( 4 ) 反射系数 反射声强t 与入射声强之比，称为匡魁丞堑幺即 名孚 ( 5 ) 透过率 透过声压p ：与入射声压p 。之比，称为透过奎主，即 尸2 仁p 1 ( 6 ) 透过系数 透过声强磊与入射声强之比，称为透过丞数t ，即 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 第1 0 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 ， 仁专( 2 - 1 3 ) 垂直入射时： 黔1 一y 2 ( 2 - 1 4 ) 由于超声波在界面上具有这些性质，当它在前进道路上遇到与原有介质声阻抗不同 的障碍物时，如果障碍物的尺寸远大于波长，则发生反射和折射等现象：如果其尺寸与 波长为相近的数量级时，就会发生显著的绕射现象；当障碍物的尺寸比波长还小时，一 般说来声波可以绕过这些障碍物继续前进，但同时总有一部分声能向这些障碍物四周散 射。 5 ) 超声波在混凝土中的传播机理分析 ( 1 ) 基桩混凝土的特殊性 均匀性差 严格说来混凝土是一种集结型复合材料，为多相复合体系，其内部存在广泛的复杂 界面，如砂浆和骨料的界面、各种缺陷所形成的界面。因此，超声波在混凝土中的传播 状态比在均匀介质( 如金属) 中要复杂的多。 灌注桩为地下施工，最深的可达地下l o o m 左右，加上多为水下施工，成孔质量很 难得到保证，混凝土的压实依靠自身重力，故混凝土均匀性、密实性较难控制。这是基 桩混凝土与上部结构混凝土最大的区别。 混凝土易出现各种缺陷 上部结构混凝土依靠模板支撑，基桩混凝土的边界是土，基桩成孔后，由于土的应 力释放，地下水的流动、冲蚀，以及下放钢筋笼对孔壁可能造成的影响，桩基常常会出 现各种各样的缺陷，如夹泥、缩径、离析、沉渣过厚、桩顶强度偏低等。它们大多只在 桩基中才会出现。 强度与气候条件有关 基桩混凝土依靠自然条件养护。因此混凝土强度增长与季节有关，与气候条件有关。 ( 2 ) 超声波在混凝土中的传播特点 超声波在混凝土中衰减较大 首先，混凝土中存在广泛的界面，因此，其散射损失十分明显。如果把混凝土中骨 料视为分散在砂浆中的球状障碍物，散射功率的大小与频率的平方成正比。这种衰减称 为趑蕴塞越。为此，为了减少能量的损失，增大超声波的传播距离，混凝土超声检测常 采用比金属材料探伤低得多的频率“。 其次，是由于材料的粘塑性引起能量的吸收，这时候就会有部分超声波在材料中被 第1 1 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 转换成其它形式的能量而损失，这种能量衰减称为哩蝗塞越。 再其次，因波束扩散，单位面积上的声能随传播距离的增加而减少，这种衰减称为 芷熬塞缝。在混凝土无损检测中，由于所采用的超声频率较低，声波扩散角很大，有时 甚至完全以球面波的形式充满整个试样，因此扩散衰减是很大的。 综上所述，超声波在混凝土中总的衰减主要有三部分组成，即 d = 盯。+ 口。+ 盯，( 2 1 4 ) 其中，a 为超声波在混凝土中的总的衰减。盯。反映材料的粘塑性吸收，n 。反映材 料的颗粒结构及各种缺陷的散射，亦即反映材料结构的非均质性，a ，则是与材料本身 性能无关的一个衰减因素，当测试距离一定时，它为一个固定值。 超声波在混凝土的传播指向性差 这是由于：超声波检测采用的频率较低，即波长较长，因此扩散角目一般较大；由 于众多的界面导致出现许多反射波和折射波，虽然这些波的声强比入射波低，但由于数 量多，而且彼此相互干涉和叠加，因而造成较大的漫射声能。 曲线传播 波线往往因界面反射和折射而曲折，因此，当超声波在混凝土中遇到较大缺陷时并 非直线传播。 二次声波 混凝土中，在声场所及的空间的任何一点，都存在着一次声波( 即入射波) 及二次 声波( 即反射波、折射波和波型转换后的横波) 。探头所接受的信号是一次声波和二次 声波的叠。因直线穿越的一次声波所走的距离最短，故其首先达到，但由于衰减作用往 往较微弱。二次声波经多次反射，所走距离较长，其中部分横波波速较慢，其达到的时 间要比加一次波滞后。同时由于它的叠加，使接受信号变大，也会使波型发生畸变。 2 3 声波透射法基桩检测的基本方法 2 3 1 桩心钻孔式检测 壁：坠钻孔式捡测是指在桩中心钻一个直径不小于4 c m 的垂直孔，并在孔内灌满水， 作为测试通道，用专用的一发两收的探头置入通道内( 即把一个发射压电体和两个接收 压电体装在一个探头内，中间以隔声体隔离) ，不断变换探头的位置，采集信号，以判 断桩身质量。此法多用于桩成型后的桩身质量检测。应注意的是，当孔道中有钢质套管 时，由于钢管影响超声波的传播，故不能用此法。 第1 2 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 2 3 2 桩外钻孔式检测 擅盐笪孔式捡逊是指在紧靠桩的土层中钻一孔作为检测通道。桩顶上放置一发射功 率较强的低频平探头，发射的超声脉冲波沿桩身向下传播，接收探头从桩外孔中慢慢下 放( 孔内应有水) ，接收声波信号。根据信号的变化情况大致判定桩身质量。由于声波 在混凝土中衰减较快，此法一般只能检测4 8 m 桩长内的夹层、断桩、缩径等缺陷。 2 3 3 预埋管式检测 亟埋筻基捡捌是在桩内按一定的要求预先埋设两根以上的纵向声测管，在管内注满 清水，测试时声测管两两组合形成测试剖面，将发射和接收换能器分别置于不同的声测 管中，根据不同的情况，采用一种或多种测试方法，采集声时、波幅、频率，观察波形 变化，来判定桩身混凝土强度，判断检身混凝土质量。 1 ) 测试手段 根据两探头相对高程的变化，声波法测桩可分为平测、斜测、扇形扫测、交叉检测 等四种测试手段，见图2 2 。 ( 1 ) 平测 11；r- ( a ) 平测( b ) 斜测( c ) 扇形检测( d ) 交叉检测 闰2 - 2 声波法测桩的四种方法 壬趔是指接收换能器和发射换能器处于一条水平线作同步移动的检测方法。这是所 有测试方式中最简单的方式，也是最基本的检测方式，见图2 - 2 ( a ) 。 平测法具有以下特点： 声波传播的距离最短。因此，对于相同的检测条件下，平测时接收声波信号最强， 这对检测是有利的； 一次发射声波穿透的混凝土的纵向区域最小。所以在平测时，应选择合适的检 测间距，当检测间距太大时，有可能引起缺陷的漏判： 第1 3 页共5 2 页 n h 口 河海大学工程硕士学位论文 声波主要在水平方向上传播。因此，平测法不易对水平向裂缝、裂纹作出判断： 适合于桩身任何部位的检测； 对混凝土缺陷作定量分析时，需与其它检测方式配合起来使用； 当初步检测发现异常时，可采用加密平测法，即不断减小检测间距进行检测。 ( 2 ) 斜测 盟麴是指接收换能器和发射换能器成一定的倾角作同步移动的检测方法，见图2 2 ( b ) 。 斜测法的特点是： 声波斜穿混凝土体。因此，这对桩体内水平向的裂缝、裂纹缺陷检测非常有效： 声波传播距离较平测时长。接收的声波较平测时弱，故斜测的倾角不宜太大； 在桩头和桩底部位，不宜使用斜测法。 ( 3 ) 扇形检测 扇理捡塑9 是指固定一个换能器的位置，改变另一个换能器的位置，通过对声时、波 幅和频率以及波形的变化，对缺陷的大小、位置作出定量判断。见图2 2 ( c ) 。扇形法 检测的应用有以下几个特点： 一般在平测法或斜测法的基础上，对可疑点采用此法： 固定不动的换能器应尽量位于缺陷所在水平面上： 移动端换能器每次提升或下降的步距宜相等。在接近缺陷边界时，应调整步距 的大小。 ( 4 ) 交叉检测 童墨捡型实质就是斜测或扇形检测在两个方向的交替重复应用，其目的在于对缺陷 作更进一步的定量判断，见图2 2 ( d ) 。 2 ) 分析判断方法 缺陷判定的总体思路是：声波法测桩桩身缺陷判别采用综合判定法，主要通过对声 速、波幅值的分析，必要时借助于频率值和波形的分析。 ( 1 ) 概率法 将同一检测剖面各测点声速值v 。由大到小依此排序，设k 为最小的k 个声参量。对 去掉最小的k 个数值后剩下的n - k 个数值进行统计计算，并查建筑基桩检测技术规范 j g j l 0 6 2 0 0 3 表1 0 4 2 ，可求出声速的异常判断临界值。声速小于临界值的点为缺陷可 疑点。具体的判断方式可参阅有关规范。 ( 2 ) 斜率法( p s d 法) 第1 4 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 定义；k ，= s 。( t 。一t 。- 1 ) ：等为第i 点的判据值，简称p s 。判据。 实测证明，p s i ) 对缺陷十分敏感，而对因测管倾斜或混凝土不均匀等非缺陷原因所 引起的声时变化，基本上不予反映。这是因为非缺陷因素所引起的声时变化都是渐变过 程，虽然总的声时变化很大，但相邻两测点间的声时差值却很小，因而k ，很小。 ( 3 ) 波幅参数判断 振幅值在缺陷判断中是一个重要的参数。振幅测值对缺陷比波速更敏感。试验和工 程实践都表明，当桩内部存在缺陷时，振幅值都有明显的反映，反映的程度远远超过声 速。 ( 4 ) 波形观察法 当桩身混凝土质量存在缺陷时，一般波形会发生畸变，但畸变的规律一时还无法搞 清楚。目前，波形观察法仅作为一种辅助的方法，一般不能单独使用。 ( 5 ) 声场阴影区重叠法 从不同的方向测出缺陷背面所形成的声阴影区，这些声阴影区即为缺陷所在位置。 实际检测工作中，一般先采用数值判据法进行初步检测，对缺陷作定性的分析，然后采 用声场阴影区重叠法进行详测，以判断缺陷的位置、大小、性质。 2 4 与低应变反射波测桩法的比较 在第1 章，对低应变反射波作了简单的介绍。在上一节的基础上，可把低应变反射 波与声波透射法作一简单的比较，以对声波透射法有更深的了解。 2 4 1 低应变反射波测桩法简介 1 ) 低应变反射波法的原理 在这里作者把反射波法视为“点测法”( 也可称为“面测法”) ，这种方法是在桩顶 旋加打击，在桩顶采集来自桩底的反射波，以此来判断桩身质量。 这种方法原理简单，测试简便，判断直观，费用低廉。长期以来，已成为我国基桩 完整性检测的主流方法，为基桩质量的控制起了很大的作用。 综观反射波法的原理，从采集信息这个角度来看，该法具有以下特点： ( 1 ) 采集的信息量单一： ( 2 ) 作为输入的信息，在桩顶施加的打击力无法定量控制； 第1 5 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 信息分析手段缺乏定量指标。 因此，反射波测桩的可靠性很难得到提高，特别是对于大直径桩、嵌岩桩、墩桩。 对于以下问题反射波法也不能很好解决： ( 1 ) 桩身中的多层缺陷； ( 2 ) 渐变型缺陷的判断； ( 3 ) 混凝土强度的评定： ( 4 ) 对桩长的明确判定等等。 2 4 2 声波法测桩法的特征 前面已对声波法测桩的技术原理和方法作了介绍，这里不再赘叙。与反射波相比较， 声波法主要有以下几个特征： 1 ) 是一种“体测法” 声波法是深入至桩体内部进行检测，采集的数据几乎覆盖整个桩体。该法能对桩体 各个部位进行检测，包括桩底沉渣厚度、桩头浮浆区。故在本文中，把这种方法视为“体 测法”。 2 ) 采集的信息参量多、信息量大 声波法测桩采集的声参量有：声时、波幅、频率以及波形曲线。 3 ) 采集的信息可扩充 对于声波法，当初测后发现数据异常，可进一步对基桩进行细测、详测，获取更多 的信息，以提高判断的可靠性。这就是信息的可扩充性。 因此，声波法除能准确判别桩身混凝土缺陷的位置、性质外，还能解决以下问题： 1 ) 评价桩身混凝土的均匀性； 2 ) 可估算桩身混凝土强度； 3 ) 验证桩长： 4 ) 桩底沉渣厚度； 5 ) 判别桩底部桩径的偏差等。 表2 - 1 为两种检测方法在检测原理、采集数据的信息特征、缺陷判断模式、主要优 势、局限性等方面的比较“”。 2 5 小结 通过本章的分析，了解到声波透射法测桩的主要理论为振动理论和波动理论；超声 波在混凝土中的传播机理人们只是总体上加以了解，还没有完全弄清楚。主要原因是因 第1 6 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 为混凝土并不是严格意义上的均质体，且差异性很大：声波法测桩的方法主要为平测， 必要时可用斜测法、交叉法，作进一步检测；通过与低应变反射波的比较，可以看出声 波法的优势在于可靠性高，检测提供的成果较多。 两种完整性检测方法的比较表2 - i 方 采集亩息的特性 判断主要 法 原理 可扩种1 舌 模式优势 主要的局限性 充性类息量 反射点不可单 单判断方便、简 1 、无法检测多重、渐变缺 小陷； 渡法测法扩充 定渺m 昕洁、经济 2 、可靠性低。 体可 多大 综台笋4 断可靠 i 、费用高； 2 、检测时间长： 波法测法扩充定蹦性高 3 、现场协调难。 第1 7 页共5 2 页 河海大学工程硕士学位论文 第3 章声波透射法基桩检测几个关键子技术的研究 3 1 引言 前面的分析已经知道，声波法测桩系统包括若干个相互联系、相互作用的子系统， 如检测仪器设备( 子) 系统、检测技术( 子) 系统、机构组织( 子) 系统。检测技术系 统又包括技术的基础理论和技术应用两部分。对于声波法的技术应用而言，又包括若干 个关键子技术，如声测管埋设技术、现场采样技术、数据的处理分析技术、非规范条件 下检测技术等。由于数据的处理分析技术已基本依赖计算机，从应用角度讲一般没有太 多的问题，本文不作研究。 声波法测桩技术应用中还包括验证检测问题。如当声测管埋设质量影响检测的效果 时，检测结果可靠性会受到不同程度的影响，对检测结果应作出评价，适当时应采用其 它检测方法对已有检测结果作验证，或重新采用新方法进行检测。本文也将其纳入技术 应用的关键技术，加以研究。 声测管是声波法测桩发射和接收声波的通道，声测管的埋设质量直接决定检测是否 可性以及检测的可靠性。大量的工程实践表明，由于声测管的埋设质量达不到要求，常 给声波法测桩带来种种不利影响。据统计，某些工程的声测管埋设不合格率高达3 0 。 声测管的埋设质量不仅与设计有关，也与施工有关。 声波法测桩的一个特征是检测