2013声波透射法讲义-蔡洪美.ppt

1 基桩声波透射法 蔡洪美高级工程师单位 福建省建设工程物探试验检测中心总工程师 2 主要依据 建筑基桩检测技术规范 JGJ106 2003适用范围 适用于已预埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测 判定桩身缺陷的程度并确定其位置 抽样原则 对端承型大直径灌注桩 应在上述两款规定的抽检桩数范围内 选用钻芯法或声波透射法对部分受检桩进行桩身完整性检测 抽检数量不应少于总桩数的10 3 原理 由发射换能器 探头 在砼内激发高频波 并用接收换能器记录波在砼内传播过程中的波动特征 当砼内存在不连续或破损界面时如松散 蜂窝 孔洞 夹层时 将使波产生散射 反射 透射及绕射 根据波的初至到达时间和波的能量衰减特征 频率变化及波形畸变程度等特性 经过处理分析就能判别测区内砼的参考强度和内部存在缺陷的性质 大小及空间位置 4 超声波频率 次声波的频率小于20HZ 人耳能听到的正常声波为20HZ 20000HZ 超声波的频率大于20kHz 5 仪器设备 主要包手三个部分 发射换能器 接收换能及主机 6 传播路径 7 仪器轻便 抗干扰能力强 观测准确度高 结果直观可靠 不受桩长限制 可以在桩身中上下移动测试 无盲区 包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度 详细查明桩内部缺陷与性质 深度位置 范围大小 严重程度 可估算混凝土强度等 主要优点 8 存在缺点 要预埋声测管 在实际施工过程中有的工地将声测管绑在钢筋笼上而钢筋笼又没有完全放到底部 这样就导致桩底混凝土情况无法探测到 由于声测管不可能埋入岩层中 故桩底嵌岩情况不能测量到 对于超长桩 由于安装声测管存在各方面的不可预料的因素 常常会导致堵管而无法测试 9 D 800mm 2根管 800mm D 2000mm 不少于3根管 D 2000mm 不少于4根管 式中D 受检桩设计桩径 声测管埋设数量基本规定 10 与低应变区别 传播方向 低应变沿桩身纵截面传播 超声波沿横截面传播 波长 低应变的波长为米级的 0 5 2 0m 超声波的波长为厘米级的 4 8cm 频率 低应变的频率从几百到几千Hz 超声波一般为30 50kHz 11 低应变与超声波的互校 如果某根桩动测定为 类 请问超声波一定能测出 或 吗 答 不一定 因为二者的测试方向不同 超声波只能测出有一定宽度的缺陷 12 波速比较 检测中用到的三种方法 高应变 低应变及声波透射法 它们波速之间的关系基本上是 高应变波速 低应变波速 超声波波速 13 波束扩散角 声波在平面上假定是可以全方位扩散 但是竖直方向上 它的扩散受到波长及换能器长度的制约 计算公式如下 14 波长计算 假设超声波频率为40kHz 波速为4500m s 请问波长多少 假设动测波的频率为3kHz 波速为3600m s 请问波长多少 根据公式 15 分贝dB与放大倍数的关系 总放大量 20 lg k1 k2 k3 dB 放大倍数计算 16 常见介质波速 通过了解常见介质的波速 有助于对砼缺陷的判断 当砼内有空洞 则波速会大幅度下降 当测得声速很大 如大于6000m s 则一定是管斜了 当声测位于5000 6000之间时 有可能上粗骨料集中或管斜了 17 波幅分析 波幅的高低受到仪器 传感器灵敏度及发射能量的影响 不能说90db的桩质量一定比100db的桩身质量好 不同厂家的换能器具有不同的分贝初始值 不同的换能器 不同的桩径它们之间的波幅值是没有可比性的 波幅的衰减性受到桩材不均匀性 声波传播路径 点源距离影响 所以 同一根桩 不同的管距 其波幅是不一样的 18 波幅算例 波幅本质上反映的是声压大小 规范规定 当波幅小于平均值6db时 可定为异常点 若平均波幅Am 90db 当A 84db时 测点声压比值为多少 据 19 管距计算 受到各方因素的影响 声测管在桩头经常会歪掉 使桩顶管距与实际偏离较大 作为一个检测人员 应该知道各种直径桩的标准管距 例如 对于1000mm径的管桩 当三个管距的管距为800mm 700mm及830mm时 则明显是错误的 20 管距算例 桩直径为1000mm 钢筋笼内径900mm 声测管直径为50mm 因为三根管夹角均为120度 AB均表示声测管园心位置 经计算可得 OB 425mm AB 2 cos30 425 736mm 再减掉管直径50mm 得到管距为686mm 21 系统延迟时间计算 将发射 接收换能器平行悬于清水中 测得不同点源距离时的声时分别为 L1 20cm时 t1 132 s L2 30cm时 t2 196 s 仪器系统延迟时间t0 L1 t1 t0 L2 t2 t0 得t0 4 s 22 声测线排水体积 规范规定 管口应高出桩头10mm以上 这个规定只是个最小值 实际操作中是不够的 例如 对于一根60m的长桩 声测管内径50mm 声测线直径6 5mm 换能器的长度为250mm 换能器直径30mm 若管口与桩顶平 计算桩顶以下多少长度水会被排出 导致测不到桩顶砼 23 声测线排水体积 续 24 大直径桩检测 大直径桩 如大于180cm 检测时 宜采用高电压1000V 先保证发射能量足 另外 应采用低频率 因为高频率的波 穿透能力弱 距离短 不利于大直径桩检测 最后 波形分析时 因为大直径桩的能量衰减大 波形较凌乱 波幅离散性大 应从宽判定桩身完整性类别 25 声速 波幅与缺陷关系 当声速较高 波幅下降 一般是因为砼离析 粗骨料集中引起的 因为石头的声速高 且使声波绕射 能量损失大 当声速较低 波幅较高时 一般是因为砼离析 细骨料集中引起的 因为砂子声速低 且声波穿过时能量损失小 当声速较低 粗骨料少 波幅较低 有空洞蜂窝 该桩质量问题严重 26 龄期未到检测 测得声速普谝较低 如正常波速为4500m s 有可能只测到3600m s 另外 波速虽然低 但离散性较小 即n个测点的标准差很小 因为强度不够 波幅也相应较低 且离散性偏大 27 声速 频率与波幅与砼质量关系 声速 若混凝土均匀 各断面所测得声时值基本相同 桩身有缺陷 缺陷部位对应的声时加大 声速降低 频率 超声波脉冲穿过混凝土时 各频率成份声波衰减程度不同 高频部分衰减大 因而接收信号的主要频率向低频端漂移 桩身有缺陷 接收的频率明显降低 波幅 桩身有缺陷 接收的波幅降低离散性大 没有缺陷时 波幅均匀 28 未采到波形原因分析 检测声测管内有没有水 无水时声波接收不到 肯定没信号 换能器工作不正常 如果发射端坏掉 则听不到嗒嗒的发射声 桩声砼严重离析 声波能量很弱使得接收端接收不到信号 接头损坏 29 经典波形 30 影响砼波速原因 龄期 规范规定 强度应达到设计值的70 且不小于15MPa 粗细骨料属性 如果粗骨料的含量多且其波速高 则砼的波速也较高 砼强度等级 31 PSD计算 PSD是判定桩类别的一个重要指标 它表示声时变化的平方与距离之比 PSD是一个非常敏感的指标 任何缺陷的变化 都会使PSD发生大的变化 使用PSD时可以克服由于管斜而造成声速无法使用的情况 因为PSD对应的距离为测点间距 管斜不会累加 但是 对PSD变化多少 它相应的情况是怎样 32 桩身夹层PSD计算 假设在夹层中的波速为3500m s 正常波速为3800m s 测点距为20cm 管距为0 8m 该处的PSD 33 桩身夹层PSD计算 续 34 桩身空洞PSD计算 空洞半径15cm 测点间距20cm 管距0 8m 正常砼波速3800m s 空洞处声波绕形 按图计算PSD 35 桩身空洞PSD计算 续 36 桩身蜂窝PSD计算 蜂窝直径15cm 管距0 8m 测距20cm 正常波速3800m s 在蜂窝中波速为2500m s 假设波穿过蜂窝 计算PSD 37 桩身蜂窝PSD计算 续 38 波速临界值确定 将所测得的声速vi按从大到小依次排列 对从0开始遂一去掉vi序列中最小值后的数据进行统计 当去掉最小数值后的数据个数为k时 对余下v1 vn k按公式进行统计 将vn k与异常判断值v0进行比较 当vn kv0Vo即为异常值 39 波速临界值算例 40 41 波速计算 若表格中将管距改成800mm 声时不变 计算各测点的声速值 从中可以得到管距变化对声速的影响 42 波幅临界值 计算平均值 Am 105 最小值Amin 98根据公式所以 2 点为异常点 43 PSD计算 44 典型工程一 福州闽江某大桥 基础采用冲钻灌注桩 持力层为微风化花岗岩 入岩5米 水下混凝土 砼强度C35 桩径2800mm 桩长63m 埋设4根声测管 检测6个剖面 经声波透射法检测 发现在50 2m 51 2m处AB BC BD剖面声速和波幅明显异常 局部有缺陷 57 2m 62 0m处6个剖面声速和波幅明显异常 声速只有2000m s多一点 PSD判据突变 应该存在严重缺陷 为 类桩 详见波形波列图 45 46 47 为验证声波透射法的结论并查明原因 决定对该桩进行钻孔验证 钻孔位置如下图所示 A孔距离桩中心点约80cm B孔 C孔离桩中心点约90cm 经钻芯法表明 A孔在0 62 7m芯样完整 连续 62 7m处芯样底部不平整 斜交于桩身 在62 7 63 0m处钻进突然加速 无法取出芯样 为流沙 B孔在0 57 4m芯样完整 连续 在57 4m处钻进突然加速 在钻杆的自重作用下 钻杆下去了5 3m 孔口涌出大量泥沙 该段没有芯样 C孔在0 51 3m芯样完整 连续 在51 3m处钻进突然加速 孔口涌出大量泥沙 钻进无法继续 后经查实 该桩在首灌时混凝土面上升异常 本来应该上升4m结果上升了6m 与检测基本相符 48 根据钻芯法和声波透射法两种检测方法的检测结果 可以大致模拟出该桩的大体情况 即在51 3 52 5处B管附近局部夹有泥沙 在57 3 63m处桩中央有半径为1m左右的圆柱形混凝土 1m以外1 4m以内的环状泥沙带 桩底与微风化花岗岩呈锥形接触 从钻芯法看 虽然该桩存在严重缺陷 但桩中央基本完整连续 而声波透射法表明 该桩在57 2 62 0m存在严重缺陷 甚至可以说是断桩 从以上事实表明 对于超大直径桩 虽然声波透射法检测的所有剖面都显示严重缺陷 但我们在文字描述上最好加上局部两个字 否则可能给我们检测单位带来不必要的麻烦 49 典型工程二 福州乌龙江某大桥H9 1桩 基础采用 冲 钻孔灌注桩 桩径 1200mm 桩长41 5米 桩端持力层为微 中 风化花岗岩 桩身材料采用C25砼 采用声波透射法检测却发现 在离桩顶3 4 4 0m处波形严重畸变 首波判断较为困难 声速 波幅明显偏低 PSD值突变 判断该处局部有明显缺陷 为 类桩 而采用低应变法检测 并且在两个不同位置分别试验 实测速度曲线附图 曲线显示 桩底反射较明显 在离桩顶3 4m附近有一轻微反射信号 依规范规定 宜判为 类桩 50 H9 1 桩声波透射法检测曲线 51 H9 1 桩低应变法实测速度曲线 在两个不同位置 52 为验证缺陷的严重程度 后经多方协商决定开挖验证 经开挖发现在3 5 4 0m附近混凝土松散 局部夹泥 经简单处理便可挖出一大洞 详见下图 由此可见其严重性 如果没有声波透射及时检测发现 会留下巨大的安全隐患 将来可能发生重大的质量事故 对于大直径灌注桩 由于浅部缺陷局部三维效应和表面波影响 利用低应变法检测往往会漏判 误判 对有怀疑的桩 宜采用声波透射法复核验证 以确保安全 53 典型工程三 莆田某大桥 基础采用冲钻孔灌注桩 桩身材料采用C30砼 桩径800 2500mm 桩长14 30m不等 总桩数96根 采用声波透射法检测 前三次共检测了36根 检测发现了6根存在较明显缺陷的桩 缺陷桩比例偏高 经开挖或钻芯法验证 基本验证了结论的准确性 由于及时检测发现了这批存在明显缺陷的桩 施工单位及时调整施工工艺并采用不同方式的补强方式 后面检测的桩基质量明显好转 为顺利完成大桥的施工提供了保证 54 55 56 57 58 59 几点经验 一是要坚信声波透射法的准确性 坚决反对利用低应变复核超声波的可笑做法 经过无数次的开挖和钻芯验证都已经证明其准确性 要善于把握现场第一手资料的可靠性 二是对于存在较明显缺陷的超大直径桩 宜在缺陷描述上加上局部两字 一般来说 超大直径桩出现