培训班超声波检测1

中南大学,雪飞胜,目录,WWW.WHRSM.COM,1,超声波的基本知识,2,3,5,4,6,工程应用实例,检测数据分析及判断,常见特殊情况的判定和处理,超声波检测技术,超声波检测系统,超声波的基本知识,1.1超声波的基本知识1.2超声波基本参数,WWW.WHRSM.COM,1,1.1超声波的基本知识简谐振动-振动-波-超声波振动：质点运动的往复机械运动，周期性，持续性，内源性。（震动：非周期性，瞬时性，外源性）波动：不同质点间机械运动（能量）状态的传播过程,1.波动的物理实质是（能量）状态的一种传递形式。2.超声波是弹性介质中的一种机械（应力）波。3.波动是振动的传播过程，振动是波动的根源。,1.1超声波的基本知识,波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如；水波、声波、超声波等；另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。,1.1超声波的基本知识,简谐振动的概念如果物体或者质点做周期性的直线振动，且它离开平衡位置的距离与时间的关系可以用正弦函数或余弦函数来表示，这就称为简谐振动。,1.1超声波的基本知识,波的产生与传播在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着，所以它的振动将传递给与之相邻近的质点，使邻近的质点也同样地发生振动，然后振动又传给下一个质点，依次类推。这样，振动就由近及远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成了机械波和波的传播。从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。例如，把石子投入平静的水中，在水面上可以看到一圈圈向外扩展的水波。,1.1超声波的基本知识,根据在介质中质点振动方向与波的传播方向的差别主要分为三种类型的波。纵波（P波）：质点运动方向平行与波的传播方向传播机制：质点间的压力与拉力横波（S波）：质点运动方向垂直与波的传播方向传播机制：质点间的剪切力表面波（R波）：介质表层质点作椭圆运动传播机制：质点间的表面张力与剪切力,WWW.WHRSM.COM,1.1超声波的基本知识,1.纵波：质点运动方向平行与波的传播方向。P,WWW.WHRSM.COM,1.1超声波的基本知识,质点运动方向,目前超声脉冲技术中广泛应用的是纵波，如：综合法测强、测缺（不密实区、裂缝深度、结合面质量、匀质性、损伤层厚度等）、基桩完整性检测，岩土工程单孔或跨孔纵波波速测试。,2.横波：质点运动方向垂直于波的传播方向。S,WWW.WHRSM.COM,1.1超声波的基本知识,目前超声脉冲技术中在岩土工程及需要测试介质结构、声学参数中应用横波。,3.表面波：固体介质表面受到交替变化的表面张力作用，介质表面质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质点做这两种振动的合成运动，即绕其平衡位置作椭圆运动，该质点的运动又波及相邻质点，而在介质表面传播，这种波称为表面波，又称R波。,WWW.WHRSM.COM,1.1超声波的基本知识,4、传播介质的不同,纵波：固体，液体，气体横波：固体表面波：固体表面,WWW.WHRSM.COM,横波的传播是依靠使介质产生剪切变形（局部形状变化）引起的剪应力变化而传播的，它和介质的剪切弹性相关。因液体、气体形状发生变化时，不能产生抗拒形变的剪应力，故只有固体才能传播横波。,1.1超声波的基本知识,1.1超声波的基本知识,声波是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同，声波可分为次声波、可闻声波、超声波、特超声波。如下表所示。人们所能听到声波频率范围是20Hz20KHz，即可闻声波。超声波是一种人耳听不见频率在（20KHz100MHz）范围内的机械振动波。,用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为21042.5105Hz.在超声波检测中，50kHz频率的探头可获得相对最佳分辨率,超声波在介质中传播可检测到的参数：1、声速超声波传播的速度2、声幅超声波的波幅3、声频超声波的频率,WWW.WHRSM.COM,1.2超声波基本参数,1.2超声波基本参数,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，因此，声波在固体介质中的传播速度主要受下列三方面因素的影响：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。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。这是影响波速的内在因素，介质的弹性特征愈强（E或G愈大），则波速愈高。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。,1、声速：混凝土检测中最常用的参数,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的现象为衰减。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。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。,WWW.WHRSM.COM,1.2超声波基本参数,2、声幅：反映材料衰减特性的参数,引起衰减的分为以下三种类型,材料的粘滞性质（吸收衰减）材料的结构特性（散射衰减）材料的几何特性（扩散衰减）,WWW.WHRSM.COM,1.2超声波基本参数,超声波的衰减：吸收衰减,声波在固体中传播时，部分声能会转化为热能等。一般认为吸收衰减系数a。与声波频率的一次方、频率的二次方成正比。吸收衰减的概念。声波在介质中传播时，部分机械能被介质转换成其他形式的能量（如热能）而丧失，这种衰减现象称为吸收衰减。,1.2超声波基本参数,超声波的衰减：散射衰减,当介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源，向四周发射声波，使声波能量的扩散到达最大。散射衰减的概念。声波在一种介质中传播时，因碰到另一种介质组成的障碍物而向不同方向发生散射，从而导致声波衰减（即声波的定向性减弱）的现象称为散射衰减。,1.2超声波基本参数,超声波的衰减：扩散衰减,通常这类衰减主要源于声波传播过程中，因波阵面的面积扩大，导致波阵面上的能流密度减弱。扩散衰减的大小主要取决于声源辐射器的扩散性能及波的几何形状，而与传播介质的性质无关。,1.2超声波基本参数,3、频率：反映超声波强度正负交变快慢的参数,反映材料的吸收特性反映材料的频散特性影响材料的尺寸效应,WWW.WHRSM.COM,1.2超声波基本参数,超声波检测系统,2.1超声波仪2.2换能器2.3系统声时校正2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,2,WWW.WHRSM.COM,2.1超声波仪,超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号送至超声仪，仪器绘制并记录下波形。,建筑规范(JGJ1062014)对超声波仪的技术要求,具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测量或频谱分析的功能。最小采样时间间隔小于或等于0.5s，声波幅值测量相对误差小于5%，系统频带宽度为1200kHz，系统最大动态范围不小于100dB。声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为2001000V。具有首波实时显示功能。具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。,WWW.WHRSM.COM,2.1超声波仪,建筑规范(JGJ1062014)对传感器的技术要求,圆柱状径向振动，沿径向无指向性外径小于声测管内径，有效工作段长度不大于150mm谐振频率为3060kHz水密性满足1MPa水压不渗水,WWW.WHRSM.COM,2.2超声波换能器,2.3系统零时校正,零时校正的由来,发射机的延迟发射换能器的延迟接收换能器的延迟,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,电延迟时间:发出触发电脉冲并开始计时的瞬间到电脉冲开始作用到压电体的时刻,电路的触发、转换。电声转换时间：电脉冲加到压电体瞬间到产生振动发出声波瞬间有电声转换的延迟。声延迟：声波要通过换能器壳体或辐射体。,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,零时校正的方法,发射接收换能器直接对测时距法测定空气中的声速径向换能器水中测定声速,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,时距法测定空气中声速,轴线重合对测间距误差小于0.5%测点不少于10个,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,时距法测定空气中声速(数据处理),WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,径向换能器测定水中声速与校零值,换能器收轴线平行置于清水中同一水平高度数据处理类似于空气中的测试,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,径向换能器空气中测定校零值,换能器中部十字交叉叠放在一起仪器上增益设置较大，如200读取出首波时间此种方法注意有时应用于考试和能力验证时,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,例题、将收发声波换能器置于清水中，在换能器内侧净距离d1=600mm、d2=300mm时，仪器测得声时读数分别为t1=420us、t2=210us。请计算出仪器的系统延时t0解：计算水的声速则,WWW.WHRSM.COM,2.3系统声时校正,2.4声测管,1、声测管的埋设数量要求2、声测管的材质要求3、声测管的尺寸要求4、声测管的连接与埋设,WWW.WHRSM.COM,1、声测管的埋设数量要求声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其埋设数量决定了检测剖面的个数(检测剖面数为（n为声测管数)，同时也决定了检测精度：声测管埋设数量多，则两两组合形成的检测剖面越多，声波对桩身混凝土的有效检测范围更大、更细致，但需消耗更多的人力、物力，增加成本；减小声测管数量虽然可以缩减成本，但同时也减小了声波对桩身混凝土的有效检测范围，降低了检测精度和可靠性。,WWW.WHRSM.COM,2.4声测管,沿直径布置呈三角形布置呈四方形布置桩径D800mm时，埋设两根声测管800mm桩径D1600mm时，埋设三根声测管桩径D1600mm时，埋设四根声测管,建筑JGJ106-2014规范要求,WWW.WHRSM.COM,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,2、声测管的材质要求,有足够的强度和刚度，保证在混凝土灌注过程中不会变形、破损，声测管材料的温度系数应与混凝土接近，声测管外壁与混凝土粘结良好，不产生剥离缝，影响测试结果。有较大的透声率：一方面保证发射换能器的声波能量尽可能多地进入被测混凝土中，另一方面，又可使经混凝土传播后的声波能量尽可能多地被接收换能器接收，提高测试精度。,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,3、声测管的尺寸要求,声测管内径大，换能器移动顺畅，但管材消耗大，且换能器居中情况差；内径小，则换能器移动时可能会遇到障碍，但管材消耗小，换能器居中情况好。因此，声测管内径通常比径向换能器的直径大1020mm即可。现在的增压式换能器直径为20mm左右，因此，一般选用40号钢管（外径48mm，内径42mm）。选配直径较小的径向换能器可减小声测管的直径，节约检测成本。声测管的壁厚对透声率的影响较小，一般不作限制，但从节约成本的角度出发，管壁在保证一定刚度（承受新浇混凝土的侧压力）的前提下，尽可能薄一点。,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,4、声测管的连接与埋设,用作声测管的管材一般都不长（钢管为6m长一根）当受检桩较长时，需把管材一段一段地联结，接口必须满足下列要求：有足够的强度和刚度，保证声测管不致因受力而弯折、脱开；有足够的水密性，在较高的静水压力下，不漏浆；接口内壁保持平整通畅，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍接头的上、下移动。通常有两种联结方式：螺纹联结和套筒联结,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,4、声测管的连接与埋设,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,4、声测管的连接与埋设,声测管一般用焊接或绑扎的方式固定在钢筋笼内侧，在成孔后，灌注混凝土之前随钢筋笼一起放置于桩孔中，声测管应一直埋到桩底，声测管底部应密封，如果受检桩不是通长配筋，则在无钢筋笼处的声测管间应设加强箍，以保证声测管的平行度。安装完毕后，声测管的上端应用螺纹盖或木塞封口，以免落入异物，阻塞管道。声测管的连接和埋设质量是保证现场检测工作顺利进行的关键，也是决定检测数据的可靠性以及试验成败的关键环节，应引起高度重视。,2.4声测管,WWW.WHRSM.COM,4、声测管的连接与埋设,2.4声测管,超声波检测技术,3.1检测原理和方法3.2现场检测3.3检测参数与混凝土质量关系,WWW.WHRSM.COM,3,基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数,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，评定桩身完整性等级。,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,1、检测原理,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,1、检测原理,基桩声波透射法完整性检测的基本原理用人工的方法在混凝土介质中激发一定频率的弹性波，该弹性波在介质中传播时，遇到混凝土介质缺陷会产生反射、透射、绕射、散射、衰减，从而造成穿过该介质的接收波波幅衰减、波形畸变、波速降低等。由接收换能器接收的波形，对波的到时、波幅、频率及波形特征进行分析，判断混凝土桩的完整性及缺陷的性质、位置、范围及缺陷的程度。,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,1、检测原理,什么叫反射波？什么叫透射波当声波在传播过程中从一种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分声波被反射，仍然回到原来的介质中，称为反射波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折射波（透射波）。,例：当平面波从混凝土入射到混凝土与水的交接面时，Z1（混凝土）=100*104g/（cm2*s），Z2（水）=14.0*104g/（cm2*s），计算声压反射率、透射率。解：可以得到：Rr=-0.754Rd=0.246即反射声压为入射波声压76.4%负号表示反射波与入射波反相，透射声压为入射波24.6%。,WWW.WHRSM.COM,1.2超声波基本参数,3.1检测原理和方法,2、检测方法,按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式，超声波透射法基桩检测有三种方法：（1）桩内单孔透射法,2发射换能器3接收换能器4声波检测仪,3.1检测原理和方法,（1）桩内单孔透射法在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如在钻孔取芯后，我们需进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可采用单孔检测法，此时，换能器放置于一个孔中，换能器间用隔声材料隔离（或采用专用的一发双收换能器）。超声波从发射换能器出发经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水分别到达两个接收换能器上，从而测出超声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。需要注意的是，当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能用此法。,3.1检测原理和方法,（2）桩外单孔透射法,1声测管2发射换能器3接收换能器4声波检测仪,3.1检测原理和方法,（2）桩外单孔透射法当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道，检测时在桩顶面放置一发射功率较大的平面换能器，接收换能器从桩外孔中自上而下慢慢放下，超声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与孔之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射超声波的声学参数，根据信号的变化情况大致判定桩身质量。由于超声波在土中衰减很快，这种方法的可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩颈等。另外灌注桩桩身剖面几何形状往往不规则，给测试和分析带来困难。该方法在规范中均没有提及，不推荐使用。,3.1检测原理和方法,（3）桩内跨孔透射法此法是一种成熟可靠的方法，是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式，其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管，在管中注满清水，把发射、接收换能器分别置于两管道中。检测时超声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。根据不同的情况，采用一种或多种测试方法，采集声学参数，根据波形的变化，来判定桩身混凝土强度，判断桩身混凝土质量，跨孔法检测根据两换能器相对高程的变化，又可分为平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方式，在检测时视实际需要灵活运用。,平测法,1声测管2发射换能器3接收换能器4声波检测仪,以相同的标高同步升降，完成整桩长度,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,斜测法,将发射换能器和接受换能器置于不同高度上同步提升，分析两次测试的声学参数异常的测线，来进一步更精确的确定缺陷范围。,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,一只换能器固定在某高程不动，另一只换能器逐点移动，测线呈扇形分布。要注意的是，扇形测量中各测点测距是各不相同的，虽然波速可以换算，相互比较，但振幅测值却没有相互可比性（波幅除与测距有关，还与方位角有关，且不是线性变化），只能根据相邻测点测值的突变来发现测线是否遇到缺陷。,扇测法,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,桩内跨孔透射法三种方法的运用：现场的检测过程一般首先是采用平测法对全桩各个检测剖面进行普查，找出声学参数异常的测点。然后，对声学参数异常的测点采用加密平测测试、斜测或扇形扫测等细测方法进一步检测，这样一方面可以验证普查结果，另一方面可以进一步确定异常部位的范围，为桩身完整性类别的判定提供可靠依据。,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,声波透射法有哪几种检测方法？简述不同方法的特点、用途。检测方法：平测、斜测、扇形扫测。平测法：各测点测距相等，发、收换能器以相同高程同步提升，测线平行。用于对桩各剖面的普查，找出声学参数异常点。斜测法：各测点测距相等，发、收换能器以不同高程相同步长同步提升，测线平行。用于核实可凝点的异常情况，并确定异常部位的纵向范围。扇形扫测法：一换能器固定在某高程不动，另一换能器逐点移动，各测点的测距不相同，测线呈扇形分布，波幅不具可比性。用于在桩顶或桩底斜测范围受限时，或为减少换能器升降次数，核实可凝点的异常情况，并确定异常部位的纵向范围。,WWW.WHRSM.COM,3.1检测原理和方法,3.2现场检测,1、检测前的准备2、仪器参数的设置3、现场采集,WWW.WHRSM.COM,3.2现场检测,检测准备工作,(1)了解有关技术资料及施工资料；主要了解桩的编号、设计强度、桩长、灌注日期等。现场实测时，往往存在堵管或管深不一致的问题，了解桩长是很有必要的，而了解强度及灌注日期，能对波速的情况有一个大概的了解,根据检测的目的，制定相应的检测方案：包括：工程概况，目的与任务，方法与技术，仪器设备，检测场地要求，检测人员和时间安排，检测报告等。,检测准备工作,检测的时间应满足混凝土强度龄期的要求。为保证检测结果的可靠性，同时考虑到混凝土在龄期14天后的超声波波速等特性参数变化已经趋于平缓，一般要求超声波检测混凝土灌注桩的龄期应大于14天。,检测准备工作,检测前的准备工作(2)计算声测管及耦合水层声时修正值。声波从探头里发射直到另一个管里的探头接收，实际上不仅是在桩中间传播有一段时间其实是在管内的水里和管里传播，为了准确的获得桩的波速，应该扣除掉这部分时间。,检测准备工作,检测前的准备工作(2)计算声测管及耦合水层声时修正值。例、声波换能器直径D=30mm，钢质声测管外直径、内直径分别为d1=56mm，d2=50mm，已知水的声速V水=1480m/s，钢的声速V钢=5940m/s，请计算声波透射法检测时的声时修正值解：,检测准备工作,检测前的准备工作,t声时修正值D声测管外径d声测管内径d换能器外径Vt声测管声速Vw水的声速,检测准备工作,检测前的准备工作（3）在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。由于已经在上一步工作中进行了修正，所以在测量跨距时，应该以两管内边距为准。,检测准备工作,（4）将各声测管内注满清水，检查声测管畅通情况；换能器应能在全程范围内正常升降。声波透射法检测时要求换能器达到良好耦合的目的是什么？为何一般采用清水做耦合剂？良好耦合的目的是使尽可能多的声波能进入被测介质，并经介质传播后尽可能多的被接收。如果声测管中含泥浆、砂等悬浮固体颗粒，会使声波产生较强的散射和衰减，影响测量结果。用清水做耦合剂是水具有不可压缩性、均匀性，更好的传递能量。,现场检测步骤,下面来看两个例子,良好,不好,现场检测步骤,下面来看几个例子,良好,不好,不好,现场检测步骤,有时也会发生，无论怎么调整增益和延迟，总是不能得到很好的显示效果。此时有可能是由于桩底有沉渣或别的缺陷，可将探头同步向上提升一定的深度，观察采集效果，如效果变好，就可以以此设置为准进行检测。注意：验证完设置后，将探头重新放回桩底。,现场检测步骤,现场检测步骤应符合下列规定:在桩身质量可疑的测点周围，可采用加密测点，或采用斜测、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。,3、现场采集,当出现堵管时，可以让发射与接受换能器不在同一高度上，但水平夹角不能太大。如某一个管堵管较长，其它面的信号需要采集帮助判断的时候，可以将堵管的探头的深度在编码器端保持跟其它管一致，多余的电缆可暂时放置在地面。当堵管长度太长时，可以采用其他方法（如钻芯法）对桩的完整性进行检测。,WWW.WHRSM.COM,3.2检测流程,4、现场采集,（5）当平测发现桩身中有缺陷时，应采用加密测、斜测或扇测进一步确定。（A）局部缺陷：如图所示，在平测中发现某测线测值异常（图中用实线表示），进行斜测，在多条斜测线中，如果仅有一条测线（实线）测值异常，其余皆正常，则可以判断这只是一个局部的缺陷，位置就在两条实线的交点处。,WWW.WHRSM.COM,3.2检测流程,4、现场采集,（B）缩颈或声测管附着泥团：如图所示，在平测中发现某（些）测线测值异常（实线），进行斜测。如果斜测线中、通过异常平测点发收处的测线测值异常，而穿过两声测管连线中间部位的测线测值正常，则可判断桩中心部位是正常混凝土，缺陷应出现在桩的边缘，声测管附近，有可能是缩颈或声测管附着泥团。当某根声测管陷入包围时，由它构成的两个测试面在该高程处都会出现异常测值。,WWW.WHRSM.COM,3.2检测流程,4、现场采集,（C）层状缺陷（断桩）：如图所示，在平测中发现某（些）测线值异常（实线），进行斜测。如果斜测线中除通过异常平测点发收处的测线测值异常外，所有穿过两声测管连线中间部位的测线测值均异常，则可判定该声测管间缺陷连成一片。如果三个测试面均在此高程处出现这样情况，如果不是在桩的底部，测值又低下严重，则可判定是整个断面的缺陷，如夹泥层或疏松层，既断桩。,WWW.WHRSM.COM,3.2检测流程,4、现场采集,（D）扇形扫测：在桩顶或桩底斜测范围受限制时，或者为减少换能器升降次数，作为一种辅助手段，也可扇形扫查测量，如图所示。,WWW.WHRSM.COM,3.2检测流程,3.3检测参数与混凝土质量关系1、混凝土灌注桩的特点2、声波透射法的特点3、声波波速与混凝土强度的关系4、声波波速与混凝土缺陷的关系5、声幅与混凝土质量的关系6、声频与混凝土质量的关系7、波形与混凝土质量的关系,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,1、混凝土灌注桩的特点施工难度大工艺复杂隐蔽性强硬化环境及混凝土成型条件复杂更易产生空洞、裂缝、夹杂局部疏松、缩径等各种桩身缺陷，对建筑物的安全和耐久性构成严重威胁。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,2、声波透射法的特点是检测混凝土灌注桩桩身缺陷、评价其完整性的一种有效方法，当声波经混凝土传播后，它将携带有关混凝土材料性质、内部结构与组成的信息，准确测定声波经混凝土传播后各种声学参数的量值及变化，就可以推断混凝土的性能、内部结构与组成情况。混凝土质量检测中常用的声学参数为声速、波幅、频率以及波形。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,3、声波波速与混凝土强度的关系声波波速反映了混凝土的弹性性质，混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此混凝土声速与强度之间存在相关性。另一方面，对组成材料相同的构件（混凝土），其内部越致密，孔隙率越低，则声波波速越高，强度也越高。,但是用波速来推算混凝土强度是不可取的，规范也不要求推定强度。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,4、声波波速与混凝土缺陷的关系,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,5、声幅与混凝土质量的关系声幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度声幅强弱与混凝土的粘塑性有关混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，声幅明显下降。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,6、声频与混凝土质量的关系声波脉冲是复频波，具有多种频率成分。各频率成分穿过混凝土后的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收波主频率明显降低。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,7、波形与混凝土质量的关系,正常波形特征：1.首波陡峭，振幅大2.第一周期波的后半周即达到较高振幅，接收波的包络线呈半圆形3.第一个周期的波形无畸变,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,7、波形与混凝土质量的关系,缺陷波形特征：1、首波平缓，振幅小2、后续周期幅度增加得仍不够.3、波形有畸变4、缺陷严重时，无法接收声波,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,几种声学参数的比较1、声速的测试值较为稳定，结果的重复性较好，受非缺陷因素影响小。2、声幅（首波幅值）对混凝土缺陷很敏感，它是判定混凝土质量的另一个重要参数。3、声频的变化能反映声波在混凝土中的衰减状况，从而间接反映混凝土质量的好坏。4、波形也是反映混凝土质量的一个重要方面，它对混凝土内部的缺陷也较敏感，在现场检测时，还应注意观察整个接收波形形态的变化，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要的参考。,WWW.WHRSM.COM,3.3检测参数与混凝土质量关系,常见特殊情况的判定和处理,WWW.WHRSM.COM,4,检测数据分析,1.管斜：在检测过程中，难免会碰到声测管弯管的情况，管斜对我们的检测结果有较大的影响，容易造成对缺陷的错判或漏判，下面我们来看看管斜如何处理。,4.1检测数据异常,检测数据分析,如下图所示：直接从波形上观察，感觉该剖面在42米以下存在大范围缺陷。,检测数据分析,但通过观察PSD的变化及声速声幅曲线的变化，我们发现，PSD并无强烈变化，且声速声幅呈趋势性渐变，应为声测管偏斜，需进行管斜修正。,检测数据分析,在管斜起始位置按住鼠标右键，沿管斜趋势方向拖动，到结束出松开鼠标，在声速曲线附近会标示出一条黑线。,检测数据分析,点击顶部菜单的工具栏，点击确认管斜修正。,检测数据分析,此时观察右边的深度声速曲线，可以发现已根据刚才的操作进行了管斜修正处理，该剖面42米以下并未存在缺陷。,检测数据分析,2.同一根桩，各剖面相差很大：在检测过程中，有时会出现这种情况，举个例子，三管的桩，测完发现，2-3面与1-21-3面的声速声幅差距很大。,4.1检测数据异常,检测数据分析,4.1检测数据异常,1-3,2-3,1-2,检测数据分析,从一般情况来看，一根桩浇注不太可能出现整桩某个面或某几个面比其它面在波速和波幅上都差别很大的情况，出现此种情况，还是应该检查是否检测中传感器在同一深度，从上图上可以推测，1号管探头与2号3号管不在同一深度。,4.1检测数据异常,检测数据分析,3.桩身波速较均匀，但波速偏低，波幅不均匀：在检测过程中，有时会出现这种情况，举个例子，一根桩的波速比较均匀，但是都比正常值偏低。声幅存在一定的不均匀离散。如下图：,4.1检测数据异常,检测数据分析,4.1检测数据异常,检测数据分析,后经过几番询问，才最终了解，此桩检测龄期只有4天，且为水下灌注桩。由此可见，一定要按照规范要求的时间去进行检测，龄期不够或太短的检测数据，容易造成误判或者漏判。,4.1检测数据异常,检测数据分析及判断,5.1计算透射法检测数据5.2透射法检测数据判据5.3桩身完整性综合判定,WWW.WHRSM.COM,5,5.1计算透射法检测数据,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,1、声速计算2、声幅计算3、频率计算4、PSD计算,1、声速计算,声时测量分辨力超声波仪器声时测量分辨力(采样间隔)，精密测量时仪器的声时测量采样间隔应优于或等于0.5s。若仪器的采样间隔设定大于1.0s时，声时测读精度下降；大于2.0s时，将严重影响对小缺陷的判定能力。,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,系统测量误差它包括仪器测量系统的延迟时间t0、声测管及耦合水层声时修正值t、两声测管的外壁净距测量引起的相对误差等。,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,测量干扰因素1：检测过程中换能器在声测管中水平方面位置的误差。由于水的声速只有混凝土的三分之一,当声测管直径较换能器直径明显大时,换能器在声测管中位置变化,会明显增加声时的测量误差。声波在声测管中因透射、折射、反射迭加过程引起的衰减效应,造成缺失首波现象,将引起更大的测量误差。,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,声时测读,声测管外径54mm声测管内径50mm传感器直径20mm,T=40.8usT=0.8us,5.1计算透射法检测数据,声时测读精度的影响因素,测量干扰因素2：检测过程中换能器在声测管中竖直方向位置的误差。由于发射、接收换能器不同步,造成透射距离变化引起的一种声时测量误差。,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,声速计算,2.声时、声速按下式计算,t声时修正值t。系统延迟,排除声时读取的误差后，对声速的测量影响最大的就是跨距的测量了.,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,2、声幅计算,波幅按下式计算,Ai第i个测点的相对波幅值（dB）ai第i个测点首波峰值（V）a0基准幅值，也就是0dB对应的幅值（V）,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,3、频率计算,频率通常由人工计算（或FFT）,fi第i测点信号的主频值（kHz）Ti第i测点信号的周期（s）,直接取测试信号的前一、两个周期，用周期与频率的倒数关系进行计算,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,4、PSD计算,PSD按下式计算,ti第个测点声时ti-1第个测点声时zi第个测点深度zi-1第个测点深度,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,4、PSD的作用：当声时值有明显变化或突变时，PSD与时间差的平方成正比。因而PSD将大幅变化。因此PSD判据对缺陷十分敏感。同时又可排除声测管不平行或混凝土不均匀引起声时变化等非缺陷因素的影响。凡是在判据值较大的地方，均作为疑问区，作进一步的细测。,WWW.WHRSM.COM,5.1计算透射法检测数据,5.2透射法检测数据判据,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,1、声速判据2、声幅判据3、PSD判据,当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据。,vivL,Vi第i个测点声速值（km/s）VL声速低限值（km/s）,声速低限值应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,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,（1）低限值法,1、声速判据,1、声速判据,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,（2）概率法,当实测混凝土声速值低于声速临界值时应将其作为可疑缺陷区,Vi第i个测点声速值（km/s）VD声速的异常判断临界值（km/s）,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,第j检测剖面的声速异常判断的概率统计值应按下列方法确定：（1）将第j检测剖面各声测线的声速值由大到小依次排序，即：式中第j检测剖面第i声测线声速，i为1n；n第j检测剖面的声测线总数；k拟去掉的低声速值的数据个数，k=0,1,2,；l拟去掉的高声速值的数据个数,l=0,1,2,。,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,（2）对去掉中k个最小数值和l个最大数值后的其余数进行统计计算：式中第j剖面的声速异常小值判断值；第j剖面的声速异常大值判断值；(nkl)个数据的平均值；(nkl)个数据的标准差；与(nkl)相对应的系数。,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,（3）按k=0、l=0、k=1、l=1、k=2、l=2的顺序，将参加统计的数列的最小数据异常判断值进行比较，当时，则去掉最小数据；将最大数据与进行比较，当时去掉最大数据，然后对剩余数据构成的数列重复上述的计算步骤，直到下列两式成立：此时，为第j检测剖面的声速异常判断概率统计值。,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,（4）双边剔除法的优点(A)采用双边剔除法得到的桩身各检测剖面声速临界值数值更接近，符合工程实际状况。(B)采用双边剔除法可避免单边剔除法在桩身混凝土质量不均匀时导致的声速临界值过小的不合理情况。(C)从统计理论分析，概率法统计是假定单剖面混凝土声速的测试值服从正态分布（对称），如果一组正态分布的数据只剔除异常低值，不剔除异常高值，那剩余的数据是不对称的，肯定不服从正态分布，其结果必然会导致标准差过大、临界值偏低、临界值离散大等不合理情况出现。当声测管局部倾斜或桩身局部粗骨料中导致某一剖面（或某桩）声速明显过高时，此时用概率法得到的声速临界值明显过高（有的检测机构的报告中声速临界值甚至高达6000m/s），这显然是不合理的。,2、声幅判据,用声幅平均值减6dB最为声幅临界值，当实测声幅低于声幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区,AD声幅临界值（dB）Am声幅平均值（dB）Ai第i个测点的相对声幅值（dB）n测点数,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,3、PSD判据,采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区,ti第i个测点声时值（s）ti-1第i-1个测点声时值（s）Zi第i个测点深度（m）Zi-1第i-1个测点深度（m）,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,规范对声速和声幅做出了明确的规定，并提供了很具体的判据算法，声时参数是用PSD变换表示的，但未提出具体的量化判断标准。而主频和波形两个参数也未做明确的量化规定。,WWW.WHRSM.COM,5.2透射法检测数据判据,5.3桩身完整性综合判定,WWW.WHRSM.COM,1、桩身完整性类别判定2、综合判定的方法3、常见缺陷性质与声学参数的关系,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,综合判定的方法,（1）采用平测法对桩的个检测剖面进行全面普查。（2）对各检测剖面的测试结果进行综合分析确定异常点a、采用概率法确定各检测剖面的声速临界值。b、声速离散性不大，但临界值明显偏低时，参考低限值c、低于临界值或PSD判据中的可疑点，如波幅也偏低，可确定为异常点。（3）对各剖面的异常测点进行细测采用加密平测和交叉斜测等方法验证平测普查对异常点的判断并确定缺陷的范围和投影边界。,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,综合判定的方法（续）,（4）综合各个检测剖面细测的结果推断桩身缺陷的范围和程度。a、是否存在同一高程的缺陷。b、确定分布范围、投影尺寸。c、缺陷程度的推断实测声速与正常混凝土声速的偏离程度实测声幅与正常混凝土声幅的偏离程度实测声形与正常混凝土处的波形相比的畸变程度缺陷处PSD判据的突变程度,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,综合判定的方法（续）,声波透射法桩身完整性类别分类特征是根据以下几个因素来划分的：（1）缺陷空间几何尺寸的相对大小；（2）声学参数异常的相对程度；（3）接收波形畸变的相对程度；（4）声速与低限值比较。这几个因素中除声速可与低限值作定量对比外，如、类桩混凝土声速不低于低限值，、类桩局部混凝土声速低于低限值，其他参数均是以相对大小或异常程度来作定性的比较。,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,综合判定的方法（续）,声波接收波形畸变程度（a）（b）（c）（d）接收波形畸变程度示意（a）正常的接收波形；（b）轻微畸变波形；（c）明显畸变波形；（d）严重畸变波形,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,综合判定的方法,声波透射法桩身完整性检测中综合判定的必要性用于判定桩身混凝土缺陷的多个声学参数指标声速、波幅、PSD、主频、实测波形，它们各有特点。声速与混凝土弹性性质相关，波幅与混凝土的粘塑性相关，PSD对波速的变化敏感、主频的漂移反映了对高频成分的衰减情况，采用声速、波幅判据为主，结合PSD、主频以及实测曲线的综合判定法对全面反映混凝土这种粘弹性材料的质量是合理的，科学的方法。,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,1、类桩波形,WWW.WHRSM.COM,1、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,1、类桩波列,WWW.WHRSM.COM,2、类桩缺陷点波形,WWW.WHRSM.COM,2、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,2、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,2、类桩波列,WWW.WHRSM.COM,2、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,3、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,4、类桩声学参数-深度曲线,WWW.WHRSM.COM,3-1号桩测试1-3剖面5米处和24米处有缺陷,WWW.WHRSM.COM,3-1号桩测试2-3剖面5米处和24米处有缺陷,WWW.WHRSM.COM,常见缺陷性质与声学参数的关系,（1）沉渣,沉渣是松散介质，其本身声速很低，对声波的衰减也相当剧烈，所以凡遇到沉渣，必然是声速和声副均剧烈下降。,（2）泥砂与水泥浆的混合物,这类缺陷多由浇注导管提升不当造成，若在桩身就是断桩；若在桩顶就是桩标高不够。其特点是声速和声副均明显下降。只不过出现在桩身时往往是突变，在桩顶是缓变。,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,常见缺陷性质与声学参数的关系,（3）孔壁坍塌或泥团,声速和波幅均下降，下降多少视缺陷而定局部泥团，未包裹声测管，则下降程度不很大包裹声测管时，下降程度较大，特别是波幅。,（4）气泡密集的混凝土,在灌注桩上部桩身有时因为混凝土浇注管提升过快有大量空气在混凝土内。虽不一定造成空洞，但可能形成大量气泡分布在混凝土内，使混凝土质量有所降低。这种缺陷不会使声速下降，但却使声波能量明显衰减。,WWW.WHRSM.COM,5.3桩身完整性综合判定,常见缺陷性质与声学参数的关系,（5）混凝土离析：,灌注桩容易发生混凝土离析，造成桩身某处粗骨料大量堆积，而相邻部位浆多骨料少的情况。粗骨料多的地方，由于粗骨料多，而粗骨料本身波速高，往往造成这些部位声速值不低，有时反有所提高。但由于粗骨料少而砂浆多的地方则正好相反：由于该处砂浆多，粗骨料少，测得的波速下降，但振幅测值不但不下降，有时还会高于附近测值。应采用波速和声副两个参数进行综合的分析判断。,WWW.WH