基桩超声波法检测技术

超声波法基桩检测的常用方法之一公路工程基桩检测的规定：

（JTJ/TF81-01-2004）

1、公路工程基桩应进行100％的完整性检测，各种方法的选定应具有代表性和满足工程检测的特定要求；

2、重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测的桩数不应少于50％；

3、高应变动测法的抽检率可由工程设计或监理单位酌情决定，但不宜少于相近条件下总桩数的5％且不少于５根。

超声波法：

是在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和折射，因而达到接收换能器时，根据声时、波幅及主频等特征参数的变化来判别桩身的完整性。鉴于目前公路桥梁工程大量使用大直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用在基桩的检测中。分四个部分讲解：声学理论检测技术测试方法工程实例第一部分声学理论声学基础声波在介质中的传播速度声波在介质界面上的反射与透射声波在传播过程中的衰减混凝土中的声波特性一、声学基础

1、波动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。声波:是弹性介质的机械波。人们所能听到声波频率范围是20～20KHz，即可闻声波。当声波频率超过20～20KHz时，人耳就听不到了，这种声波就叫超声波，其频率范围是20K～100MHz；当频率低于20Hz的叫

次声波，人耳也听不到。各种声波的频率范围见下表。各种声波的频率范围（Hz）

次声波可闻声波超声波特超声波0～2020～20K20K～100M＞100M

在混凝土中超声检测使用的频率一般在20KHz～200KHz范围内。2、谐振动物体在一定位置附近作来回重复运动称为振动，例如摆的运动、汽缸中活塞的运动、弹簧振子的运动等，这些是可以直接看到的振动。又例如一切发声体的运动、在高频电压激励下压电晶体的运动，这些是不易或不能直接看到的振动。

相互间由弹性力联系着的质点所组成的物质，称为弹性介质。需要进行超声检验的大量固体构件都是弹性介质。弹性介质是由相互间用小弹簧联系着的质点所组成。如图1-1所示。若这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则会产生使它恢复到平衡位置的力，这就是弹性力。图1-1弹性介质模型图1-2弹簧振子的振动

1-质点：2-小弹簧

进一步步来说说明谐谐振动动可以用用弹簧簧振子子来说说明谐谐振动动。如如图1-2所示，，弹簧簧左端端固定定，右右端系系一物物体。。为使使讨论论较为为简单单，设设弹簧簧振子子穿在在光滑滑的水水平玻玻璃棒棒上，，以避避免重重力对对运动动的影影响。。设物物体在在位置置0时，弹弹簧作作用在在物体体上的的力是是零。。这个个位置置就是是物体体的平衡位位置，若把把物体体向右右移动动到位位置B，这时弹簧被被拉长，相应应地有指向左左方即向平衡位置的的弹性力作用用在物体上，使物体返回回平衡位置。。当物体回到到平衡位置时时，弹簧的弹力等于零，但物体在返回时时获得了速度，由于惯性，它将继续向左移移动。当物体在平平衡位置左边时，，弹簧被压缩，物体所受弹性力力是指向右方，即平衡衡位置。这时弹性性力作用是阻碍物物体运动，直至物物体停止在位置C。在这以后，物体体在弹性力的作用用下向右移动，情情况和上述向左移移动相似。这样，，在弹簧的弹性力作作用下，物体在平平衡位置的左右作作重复运动，即振振动。取平衡位置0为X轴的原点，并设X轴的正向向右根据胡克定律，物体所受的弹性性力F与物体位移x（即弹簧的变形量量）的关系为：F=-kx(1.1)式中：k——弹簧的弹性系数；；-——力和位移的方向相相反。设物体的质量为m根据牛顿第二定律（），，它的速度为：(1.2)因为k和质量m都是常数，所以它它们的比值可以用用一恒量F表示,即：(1.3)式中：ω——角频率或圆频率。。代入上式，得：a=-ω2x(1.4)从上式看出，上述述振动的特征是：：物体的加速度和位位移成正比且方向向相反，这种振动动称为谐振动。物体在弹性力作用用下发生的运动是是谐振动。谐振动动是最简单最基本本的振动。任何复复杂振动都是由许多不同频率的谐谐振动所合成的。因为=,又得：+ω2x=0(1.5)根据微分方程理论论，上式的解为：：x=Acos(ωωt+)(1.6)式中A,——两个恒量；A——振幅，它是质点离离开平衡位置的最最大位移；t+——振动的相位。这是谐振动中位移移x和时间t的关系式，称为谐谐振动的运动方程程式，简称谐振动方程式。3、波的产生与传播播在弹性介质中，任任何一个质点机械械振动时，因为这这个质点与其邻近近的质点间有相互互作用的弹性力联联系着，所以它的的振动将传递给与与之相邻近的质点点，使邻近的质点点也同样地发生振振动，然后振动又又传给下一个质点点，依次类推。这这样，振动就由近近及远向各个方向向以一定速度传播播出去，从而形成成了机械波。从上上述可知，机械波的产生，首首先要有做机械振振动的波（声）源源，其次要有传播播这种机械振动的的介质。例如，把石子投入入平静的水中，在在水面上可以看到一圈圈向外扩展展的水波。再举二个实例弹性横波：手握绳子一端上上下振动，可以以看到如图1-3的波向前传播的的过程，这就是是弹性横波波。弹性纵波：用手迅速而有节节奏地推拉弹簧簧的一端，可可以看到如图1-4弹簧上有部分密密集，部分分稀疏，，部份疏密相间间，且这种疏密密相间的的状态沿着着弹簧向前传播播，这就是弹性性纵波波。图3.1-3绳子上的横波图图3.1-4弹簧上的纵波4、波的种类波的种类是根据据介质质点的振振动方向和波的的传播方向的关关系来区分的。。它主要分为纵波、横波、表表面波等。(1)纵波：：介质质质点的的振动动方向向与波波的传传播方方向一一致，，这种种波称称为纵波，例如如空气气、水水中传传播的的声波波就是是纵波波，如如图1-5所示。。纵波波又常常称“P”波。纵波的的传播播是依依靠介介质时时疏时时密（（即时时而拉拉伸，，时而而压缩缩）使使介质质的容积发发生变变形引引起压压强的的变化化而传播播的，，因此此和介介质的的容变弹弹性有关。。任何何弹性性介质质（固固体、、液体体、气气体））在容容积变变化时时都能能产生生弹性性力，，所以以纵波波可以以在任何何固体体、液液体、、气体体中传传播。图1-5纵波(2)横波：介质质点点的振动动方向与与波的传传播方向向垂直，，这种种波波称为横波，例如绷绷紧的绳绳子上传传播的波波就是横横波，如如图1-6所示。横横波又常常称“S”波。横横波波的传播播是使介质产生生剪切变变形时引引起的剪剪切应力力变化而传播的的，因此此和介质质的切变弹性性有关。由由于液体体、气体体无一定定形状，，当它们们的形状状发生变变化时，，不产生生切变应力力，所以液液体、气气体不能能传播横横波，只只有固体才能传播播横波。。在气体体、液体体中只有有纵波存存在。图1-6横波（3）表面波波：固体介质质表面受受到交替替变化的的表面张张力，使使介质表表面的质质点发生生相应的的纵向振振动和横横向振动动，结果果使质点作这这两种振振动的合合成振动动，即绕其平衡衡位置作作椭圆振振动。椭圆振振动又作作用于相相邻的质质点而在在介质表表面传播播，这种种波称表面波，常以“R”表示。图1-7为表面波波传播示示意图。。图中示示出了瞬瞬时的质质点位移移状态。。右侧的的椭圆表表示质点点振动的的轨迹。。由图可可知，质质点只在在xy平面内作作椭圆振振动而波波在体表表面（xz平面）沿沿x方向传播播。振动动的长轴轴垂直于于波的传传播方向向，短轴轴平行于于波的传传播方向向。表面面波传播播时，质质点振动动的振幅幅随深度度的增加加而迅速速减小。。当深度度等于2倍的波长长时，振振幅已经经很小了了，因此此，表面面波多用用于探测测构件表面面的情况。。图1-7表面波表面波只只能在固体中传播。。5、波的形形式波的形式式是根据据波阵面面的形状状来划分分的。如如图1-8所示，声声源在无无限大且且各向同同性的介介质中振振动时，，振动向向各方面面传播。。传播的的方向称称为波线；在某一时刻刻振动所传到到各点的轨迹迹称为波前；介质中振动动相应相同的的所有质点的的轨迹称为波阵面。在任一确定定的时刻，波波前的位置总总是确定的，，只有一个波波前，而波阵阵面的数目则则是任意多的的。图1-8波线、波前、、波阵面（a）平面波；（（b）球面波；（（c）柱面波1-波线；2-波前；3-波阵面按波阵面的形形状可以把波波分成平面波、球面面波和柱面波波。（1）平面波：波阵面为平面面的波称为平平面波，其振振源是一个作作谐振动的无无限大的平面面。另外，从从无穷远的点点状声源（点点源）传来的的波，其波阵阵面可视为平平面，也可称称为平面波。。（2）球面波：波振面为球面面的波称为球球面波，其振振源是一个点点状声源。（3）柱面波：波阵面为同轴轴圆柱面的波波称为柱面波波，其振源是是一无限长的的直柱形。6、波动方程用数学方程式式来描述一个个前进中的波波动，即描述述介质中某质点点相对于平衡衡位置的位移移随时间的变变化，该数学学方程式为波波动方程。由于谐振动是是最简单的振振动，所以由由它产生的余余弦波是最简简单、最基本本的波。因此此，先讨论余余弦振动在均均匀介质中传传播过程所形形成的余弦波波动动方程。如1-9所示，设一一平面余弦弦波在无吸吸收的无限限均匀介质质中沿x轴的正向传传播，波速速为υ0、设0为波线上任任意一点，，并取其为为坐标原点点y轴为振动位位移，若0点处质点作作谐振动，，从（1.6）式可知，，其振动方方程为：(1.7)式中：A—振幅；—角频率；y0—质点在时间间t时离开平衡衡位置的位位移。图1-9波动方程推推导若是横波，，则位移方方向与X轴垂直；如如是纵波，，则位移方方向沿着X轴。设B为波线上另另一任意点点，离开原原0的距离为x。因为振动动从0点传播到B点需要的时间为为x/ν，所以B点处质点在时间间t的位置等于0点处质点在时间间(t-x／ν)的位移，即（1.8）(1．8)式表示，在波线线上任意一点（（距原点距离为为x）处的质点在任任一瞬时的位移移，即沿x轴方向前进的平平面余弦的波动动方程。波在一个周期T内（或者说质点点完成一次振动动）所传播的路路程为波长，用用表示。根据周期和波速速的定义，三者者关系为：=νT(1.9)因为周期T与频率f互为倒数，所以以(4.1.9)式也可写为：(1.10)这是波速、波长长、频率间的基基本关系。二、声波在介质质中的传播速度度不同类型的波在在传播过程中速速度各不相同，，且其声速还取取决于固体介质质的性质（密度度、弹性模量、、泊松比），所所以声速是表征征介质声学特性性的一个参数。。另外，声通的的大小还与固体体介质的边界条条件有关。1、纵波声速在无限大固体介介质中传播的纵纵波声速：(1.11)式中：E——杨氏弹性模量；；γ——泊松比；ρ——密度。在有限固体介质质中传播时，则则形成制导波，，其速度变小。。2、横波声速在无限大固体介介质中传播的横横波声速：(1.12)式中：G——切变弹性模量。。3、材料的弹性参参数与声速值下表列出了部分分材料的弹性参数与声速值。部分材料的弹性性参数、声速和和特性阻抗表3.1-2通过对固体介质质声速的讨论可可以看出：通过对固体介质质声速的讨论可可以看出：（1）介质的弹性性性能愈强即E或G愈大，密度ρ愈小，则声速愈高高。（2）把（1.11）、（1.12）两式相除，得得到纵、横波速度之比：(1.13)对于一般固体介介质λ大约在0.33左右，故νp／νs≈2。混凝土的泊松松比介于0.20、0.30之间，因此νp／νs介于1.63～1.87之间，即在混凝土中，纵纵波速度为横波速度的的1.63～1.87倍。声波在无限大介介质中传播只是是在理论上成立立。实际上任何何介质总有一个个边界。当声波波在传播中从一一种介质到达另另一种介质时，，在两种介质的的分界面上，一一部分声波被反反射，仍然回到到原来介质中，，称为反射波；另一部分声波波则透过界面进进入另一种介质质中继续传播，，称为折射波（透射波）。声声波透过界面时时，其方向、强强度、波型均产产生变化。这种种变化取决于两两种介质的特性阻抗和入射波的方向。现分垂直入射和倾斜入射两种情况来讨论论。三、声波在介质质界面的反射与与透射1、垂直入射（1）单一的平面界界面当平面波垂直入入射到一个光滑滑平面界面时，，将产生一个与入射波方向相相反的反射波和一个与入射波方向相相同的透射波（图1-10）。这是波入射射到界面上时最最简单的情况。。先讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。在界面上，用反反射波声压pr与入射波声压p0的比值表示声压反射率R，即：(1.14)用透射波声压Pd与入射波声压p0的比值表示声压压透射率D即：(1.15)界面两侧两种介介质的特性阻抗抗分别为Z1和Z2。（2）异质薄层的反反射与透射当声波在一种介介质中传播时，，有时会遇到第第二层介质的薄薄层，如混凝土土裂缝就是这种种情况。这种情情况下将产生多多次反射与透射射，情况要更复复杂一些。2、倾斜入射当声波在一种介介质中倾斜入射射到另一介质界界面时，将产生生方向、角度及波形的变化。和光的的传播类似，声声波在界面上方方向和角度的变变化服从反射定律律和折射定律律，如图1-11。反射定律律：入射角（（i）的正弦弦与反射射角（β）的的正正弦之比比等于入入射波与与反射波波速度之之比。由由于于入入射波与与反射波波在同一一介质中中，其速速度相等等，所所以以入射角角等于反反射角（（i=β）。折射定律律：入射角（（i）的正弦弦与折射射角（θ）的的正弦弦之比等等于入射射波与折折射波速速度之比比，即：：(1.16）图1-11流体界面面上声波波的反射射与折射射图图1-12固体界面面上声波波的反射射与折射射以上情情况可可以在在流体体（气气体、、液体体）的的分界界面看看到。。在这这种情情况下下，介介质中中只有有单一一的波波-纵波出出现。。在固体体介质质分界界面的的情况况则复复杂一一些。。当一一种波波（例例如纵纵波））入射射到固固体分分界面面时，，不仅仅波方方向发发生变变化且且波型型也发发生变变化，，分离离为反射纵纵波、、反射射横波波，折折射纵纵波和折射横横波。各类波波的传传播方方向（（即反射角角与折射角角）各不不相同同，如如图1-12所示。。各种类类型波波的传传播方方向的的变化化亦符符合几几何光光学中中的反射定定律和折射定定律。其数数学表表达式式如下下：(1.17)ν1p,ν2p——纵波在在第一一、二二介质质中的的传播播速度度；ip,βp，θp——纵波入入射角角、反反射角角、折折射角角；βS，θS——横波反反射角角、折折射角角。增大入入射波波的入射角，则折射波波的折射角亦随之增大大。如果入入射波是纵纵波，且ν1p<ν2p则由（1.15）式可知，，θp>ip,即折射角大大于入射角角。当ip增大，θp也增大，当当θp＝90°时，此时的的入射角叫叫第一临界角角，用符号i1；表示。显显然，当入入射角大于于第一临界界角时，第第二种介质质中只有折折射横波存存在，如图图1-13。这是一种种获得横波波的方法。。第一临界角角(1.18)当θ=90°时，此时的的入射角叫叫第二临界角角，用符号i2表示，如图图1-14。第二临界角角(1.19)图1-13第一临界角角图图1-14第二临界角角声波在介质质中传播过过程中其振幅将随传播距离的增大而逐逐渐减小的的现象为衰减。声波衰减减的大小及及其变化不不仅取决于于所使用的的超声频率及及传播距离离，也取决于于被检测材材料的内部结构及性能。因此研究究声波在介介质中的衰衰减情况将将有助于探探测介质的的内部结构构及性能。。四、声波在在传播过程程中的衰减减固体材料中中声波衰减主要有以下下几个方面面的原因：：（1）吸收衰减减：声波在固体体介质中传传播时，由于介质的的粘滞性而而造成质点点之间的内摩擦，从而使一一部分声能转变为为热能。（2）散射衰减减：当介质中存存在颗粒状结构构（如固体介介质中的颗颗粒、缺陷陷、掺杂物物等）而导导致声波能能量的衰减减。如在混混凝土中一一方面其中中的粗骨料料构成许多多声学界面面，使声波波在这些界界面上产生生多次反射射、折射和和波型转换换；另一方方面微小颗颗粒在超声声波的作用用下产生新新的震源，，向四周发发射声波，，使声波能能量的扩散散到达最大大。（3）扩散衰减减：声波发射器器发出的超超声波束都都有一定的的扩散角。波束的扩扩散，导致致能量的逐逐渐分散，，从而使单单位面积的的能量随传传播距离的的增加而减减弱。致密、强度度高的混凝土声声衰减系数数小，相对对接收波幅幅大；强度低或存在缺陷混凝土衰减减系数大，，相对接收收波幅小。。当混凝土土质量差或存在缺陷时接收到的的声信号中中高频已损失，频率变低低。五、混凝土土中的声波波特性声学原理中中所讨论的的声波指的的都是连续续的余弦波，而实际上上超声仪发发射换能器器所发射的的超声波却却是脉冲超声波波。脉冲超声波波有以下特点点：（1）重复间断断发射。发射换能器器发出的超超声波不是是连续不断断的，而是是以一定重重复频率（（100Hz或50Hz）间断地发发射出一组组组超声脉脉冲波，如如图1-15所示。这就就是所谓超声脉冲波波。虽虽然脉脉冲波与连连续波不一一样，但是是前面所推推导的单一一界面的反反射率和透透射率公式式仍然能适适用。至于于异质薄层层的反射率率和透射率率的公式只只有在异质质薄层相对对于脉冲宽宽度很窄时时（例如裂裂缝），脉脉冲波相当当于连续波波时，该式式才适用。。（2）脉冲超声声波不具有有单一频率率而是所谓谓复频波。。也就是说，，这一组超超声波由许许多不同频频率的余弦弦波组成。。当然，它它也有其固固有的主频频率，这就就是换能器器上的标称称频率。这种复频超声波波在有频散现现象的介质质中传播时时，各种频频率成分的的波将以不不同速度传传播，这就就使得脉冲冲波形将随随传播距离离的增大而而发生畸弯，变成如图图1-16所示，脉冲冲开始部分分的频率比比后面部分分要高，后后面愈来愈愈平坦变宽宽。图1-15超声脉冲波波图图1-16脉冲传播过过程中的畸畸变由于声波的的衰减与频频率有关，，频率越高高衰减越大大，因此在在脉冲超声声波传播时时由于衰减减将引起主主频率向低低步侧的漂漂移，即所所谓频漂。第二部分检检测技技术超声波检测测混凝土缺缺陷的基本本原理超声波检测测混凝土灌灌注桩完整整性方法的的适用范围围超声波检测测仪器与设设备采用超声脉脉冲检测混混凝土缺陷陷的基本依依据是，利利用脉冲波波在技术条条件相同（（指混凝土土的原材料料、配合比比、龄期和和测试距离离一致）的的混凝土中中传播的时间（或速度）、接收波波的振幅和频率等声学参数数的相对变变化来判定定混凝土的缺缺陷。一、超声波波法检测混混凝土缺陷陷的基本原原理超声脉冲波波在混凝土土中传播速速度的快慢慢，与混凝凝土的密实度有直接关系系，对于原原材料、配配合比、龄龄期及测试试距离一定定的混凝土土来说，声速高则混混凝土密实实，相反则混混凝土不密密实。当有有空洞或裂缝缝存在时，便便破坏了混混凝土的整整体性，超超声脉冲波波只能绕过空洞或裂缝缝传播到接接收换能器器，因此传传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由由于空气的的声阻抗率率远小于混混凝土的声声阻抗率，，脉冲波在在混凝土中中传播时，，遇到蜂窝、空洞洞或裂缝等缺陷，便便在缺陷界界面发生反射和散射，声能被衰衰减，其中中频率较高高的成分衰衰减更快，，因此接收收信号的波幅明显降低，，频率明显减小或或频率谱中中高频成分分明显减少少。再者经经过缺陷反反射或绕过过缺陷传播播的脉冲波波信号与直直达波信号号之间存在在声程和相相位差，叠叠加后互相相干扰，致致使接收信信号的波形形发生畸变。根据上述原原理，可以以利用混凝凝土声学参数测测量值和相对变化综合分析，，判别其缺缺陷的位置和范围，或估算缺缺陷的尺寸。二、超声波波检测混凝凝土灌注桩桩完整性方法法的适用范范围基桩声波透透射法是一种检测测混凝土灌注桩完整整性的有效手段段，它是利利用声波的透射射原理对桩身混凝凝土介质状况进行检测，，因此仅适适用于在灌灌注成型过过程中已经经埋了两根或两根根以上声测测管的基桩。在桩身预预埋一定定数量的的声测管，通过水的耦合合，超声波波从一根根声测管管中发射，在另一一根声测测管中接收，或单孔孔中发射射并接收收，可以以测出被被测混凝凝土介质质的声学参数数。由于超超声波在在混凝土土中遇到到缺陷时时会产生生绕射、反反射和折射，因而到到达接收收换能器器的声时、波波幅及主频发生改变变。超声声波法就就是利用用这些声声波特征征参数来来判别桩身的完完整性。。对跨孔透射射法，当桩径径较小时时，声测测管间距距也较小小，其测试误差差相对较大大，同时时预埋声声测管可可能引起起附加的的灌注桩桩施工质量量问题。因因此，超超声波检检测方法法适用于于检测直径不小小于800mm的混凝土土灌注桩桩的完整整性，它它包括跨孔透射射法和单孔折射射法。单孔折折射波法法是根据据上部结结构对基基桩的质质量要求求，检测测钻芯孔孔孔壁周围围的混凝土土质量。。用超声波波法检测测钻孔灌灌注桩完完整性的的优点在在于结果准确确可靠，，不受桩桩长、桩桩径限制制，无盲盲区（声测管管范围内内都可检检测），，可测桩顶顶低强区区和桩底沉渣渣厚度，，桩顶不不露出地地面即可检测测，方便便施工，，也可粗略估测测混凝土土强度。。1、超声波波仪超声波仪仪是混凝凝土灌注注桩缺陷陷检测的的基本装装置。它它的作用用是产生重复复的电脉脉冲并激激励发射射换能器器。发射换换能器发发射的超超声波经经耦合进进入混凝凝土，在在混凝土土中传播播后被接接收换能能器接收收并转换换为电信信号，电电信号送送至超声声仪，经经放大后后显示在在示波屏屏上。自自60年代开始始生产第第一代电电子管超超声仪至至今已发发展为第第四代智智能数字字式超声声仪，见见下表：：三、超声声波检测测仪器与与设备超声波仪仪的发展展概况超声波仪仪的发展展概况表3.2-1超声波仪仪的发展展概况表3.2-1超声检测测系统应应包括三三大部分分：即接收信号号放大器器，数据据采集及及处理存存储器和径向振动动换能器器等。为了了提高现现场检测测及室内内数据处处理的工工作效率率，保证证检测结结果的准准确性和和科学性性，声波波测试仪仪器必须须具有实时显示示波形、、分析功功能及一发双收收等功能能。声波发发射应采采用高压压阶跃脉脉冲或矩矩形脉冲冲，其电电压最大大值不应应小于1000V，且分档档可调。。数字式式超声波波仪的基基本工作作原理框框图见图图2-1所示。图2-1数字式超超声仪的的基本原原理超声波仪除了产生、接收、显示示超声波外，还必须须量测超声波的有有关参数，如声传播时间、接收收波振幅、频率等。其接收放大器器与数据采集器的的主要技术指标要要求如下：(1)仪器接收放大器频频率响应范围（频频带）应有足够宽度，一般为5～200kHz，其下限不宜降低低，否则不利于滤滤去因换能器绝缘缘性能降低而产生生的低频信号，造造成自动判读时丢丢波和错判现象。。增益不应小于100dB，放大器的噪声有有效值不大于2μs，波幅测量范围不不小于80dB，测量误差小于1dB。(2)为满足最大测距的的要求，仪器的计计时显示范围应大大于2000μs，保证有足够的扫扫描延迟时间及声声时显示位数，并并应具有良好的稳稳定性，声时显示示调节在20～30μs范围内，2小时内声时显示的的漂移应不大于±0.2μs，且不允许发生间间隔跳动。(3)仪器应有较好的接接收灵敏度（即对对微弱信号的接收收分辨能力）。一一般要求接收灵敏敏度≤50μν，该参数取决于仪仪器的放大能力和和信噪比水平，提提高灵敏度可以加加大穿透距离，提提高对微弱信号的的识别能力。为满满足混凝土试件声声速测量精度的要要求，测时最小分分辨度为0.5μν，计时误差不大于于2％。(4)采集器模数转换精精度不应低于8bit，采样频率不应小小于10MHz，最大采样长度不不应小于32kB。(5)仪器宜具有示波屏屏显示波形和游标标测读功能，以便便较准确的测读声声时、振幅及频率率等参数。若采用整形形自动测读时，检检测混凝土测距不不宜超过lm（以软件判别方法法自动测读的智能能超声仪除外）。。(6)为了提高现场测试试效率，仪器应有有自动测读、信号号采集、存储和处处理系统，适于一一般现场测试情况况下的温度、电源源变化条件。2、径向振动换能器器常用换能器按波型型不同分为纵波换能器与横波换能器，分别用于纵波与与横波的测量。目目前，一般检测中中所用的多是纵波换能器。以发射和接收纵纵波为目的的换能能器，又分为平面换能器、径向向换能器以及一发多收技能器，见图2-2。图2-2换能器的分类换能器的种类需需根据被测结构构物的测试要求求和测试条件确确定。测桩所用用的换能器应是是柱状径向换能能器，其主频宜宜为25～50kHZ，长度宜为20cm。收、发换能器器的导线均应有有长度标注，其其标注允许偏差差不应大于10mm。为提高接收换换能器的灵敏度度，可在换能器器中安装前置放大器。前置放大器的的频带宽度宜为为5～50kHz。由于换能器在在深水中工作，，其水密性应满满足在1MPa水压下不漏水。换能器频率的选选择需综合考虑虑测距、声波的衰衰减程度、测试试精度等。测距越大，，衰减越大，选选用换能器的频率越低；混凝土质量越越差，强度越低低，龄期越短，，对声波的衰减减越大，使用频率越低；在满足首波幅幅度测测读精精度的条件件下，，宜选选用较较高频频率换换能器器。对对于一一般的的正常常混凝凝土，，换能能器频频率选选择可可参见见表2-2。表2-2换能器器的分分类单孔检检测采采用一发双双收一一体型型换能能器，其发射射换能器器至接收收换能器器的最近近距离不不应小于于300mm，两接收收换能器器的间距距宜为200mm。3、声测管管声测管是是进行超超声脉冲冲法检测测时换能能器进入入桩体的的通道。。它是灌灌注桩超超声脉冲冲检测系系统的重重要组成成部分。。它在桩桩内的预预埋方式式及其在在桩的横横截面上上的布置置形式，，将直接接影响检检测结果果。因此此，需检检测的桩桩应在设设计时将将声测管管的布置置和埋置置方式标标入图纸纸，在施施工时应严格控控制埋置置的质量量，以确保保检测工工作顺利利进行。。（1）声测管管的选择择，以透声率较较大、便便于安装装及费用用较低为原则。。考虑到到公路基基桩大多多数是大大桩、长长桩，加加上混凝凝土的水水化热作作用及钢钢筋笼安安放和混混凝土浇注过过程中存存在较大大的作用用力，容容易造成成检测管变形、断断裂，从而影影响检测测工作的的顺利进进行。因因此，声声测管应应采用强度较高高的金属属管。（2）声测管管常用的的内径规规格是50～60mm。为了便便于换能能器在管管中上下下移动，，声测管管的内径径通常比比径向换换能器的的外径大10mm；当对换换能器加加设定位位器时，，声测管管内径应应比换能能器外径径大20mm。（3）在声波波透射法法检测中中，超声波特特征值仅与收、、发检测测管间连连线两边边窄带区区域（（声测剖剖面）的的混凝土质质量密切相关关。当灌灌注桩的的直径增增大时，，每组声声测管间间超声波波的混凝凝土检测范围围占桩截截面积比比例减小小，不能反反映桩身身截面混混凝土的的整体质质量状况况，因此此，声测测管的数数量及布布置方法法决定了了桩身混混凝土实实际的检测测面积和和检测范范围，对对直径大的桩必必须增加加声测管管的数量量。一般般桩径小小于800mm时，沿直直径布置置两根声声测管，，构成一个声测测剖面；桩径为为800～1500mm时，应按按等边三三角形均均匀布置置三根声声测管，，构成三个声测剖面；桩径大于1500mm时，应按正方形形均匀布置四根根声测管，构成成六个声测剖面，如图2-3图中的阴影区为为检测的控制面面积。图2-3声测管布置方式式（4）由于声测管间间距随深度的变变化难以确定，，各深度处的声声速只能采用桩桩顶二根声测管管的距离来计算算，因此，为减减少偏差必须将将声测管牢固焊焊接或绑扎在钢钢筋笼的内侧，，并在相邻声测测管之间焊接等长水平撑杆，保持管与管之之前互相平行且且定位准确。为为避免产生漏浆浆、漏水和因焊焊渣造成管内堵堵塞问题，声测测管不应采用对对焊方法连接，，而应采用螺纹连接，声测管埋设至至桩底并封闭，管口高出桩顶顶面300mm以上并加盖。（5）根据公路工程程的特点和便于于了解桩身缺陷陷存在的方位，，声测管埋设时时宜将其中一根根对准线路前行方方向。以路线前进方方向的顶点为起起始点，按顺时针旋转方方向进行编号和和分组，每二根根编为一组。第三部分测测试方法测试方法检测数据分析与与评定桩身混凝土质量量评价检测报告1、检测前的准备备（1）在检测前应进进行现场调查，，多方面收集基基桩的技术资料料，如工程地质资料、基桩桩设计图纸和施工记录、监理理日志等，了解施工工艺及施工过程中出出现的异常情况，这对判定异常常信号产生的真真实原因十分有有益。同时还应应根据调查结果果和检测的目的的，制定相应的的检测方案。检测方案包括括：工程概况，目的的与任务，方法法与技术，仪器器设备，检测场场地要求，检测测人员和时间安安排，检测报告告等。一、测试方法（2）检测的时间应应满足混凝土强度龄期期的要求。为保证证检测结果的可可靠性，同时考考虑到混凝土在在龄期14天后的超声波波波速等特性参数数变化已经趋于于平缓，一般要要求超声波检测测混凝土灌注桩的的龄期应大于14天。（3）检测前应冲洗洗声测管，以保保证换能器在全全程范围内升降顺畅。声测管内灌满清水做为偶合剂，因因声测管中的浑浑浊水将明显甚甚至严重加大声声波衰减和延长长传播时间，给给声波检测结果果带来误差。对对利用取芯孔进进行单孔超声波波混凝土质量检检测，在检测前前也应进行孔内清洗，取芯孔的垂直直度误差不应大于0.5％。（4）标定超声波检测仪从从发射至接收仪仪器系统产生的的系统延迟时间t0。将发、收换能能器平行置于清清水中的同一高高度，其中心间间距从400mm左右开始逐次加加大两换能器之之间的距离，同同时定幅测量与与之相应的声时时，再分别以纵纵、横轴表示间间距和声时作图图，在声时横轴上的的截距即为t0。为保证测试精精度，两换能器器间距的测量误误差不应大于0.5％，测量点不应应少于5个点。（5）用直径明显大大于换能器的圆圆钢疏通声测管管，并记录深度度，准确量测声测管的内、外外径和两相邻声声测管外壁间的距离，量测精精度为±1mm。2、测试装置形式式灌注桩的测试装装置形式主要有有：1）水平同步平测，一对换能器分分别置于两个对对应声测管中，，位于同一高度进行测试；2）等差同步斜测，一对换能器分分别置于两个对对应声测管中，，但不在同一高高度，保持一定高程差差进行测试；3）扇形扫测，一对换能器分分别置于两个对对应声测管中，，保持一个换能能器高度位置固定，另一个换能器器以一定的高程差上上下移动进行测试，如图图3-1。图3-1测试装置示意3、检测方法（1）径向换能器在水水平方向具有一一定的指向性，，为了保证测点点间声场对桩身身混凝土的覆盖盖面，防止缺陷陷的漏检，上、下相邻两测测点的间距宜为为250mm。测试时，发射与与接收换能器以以相同标高同步升降，测试中，对收收、发换能器所所在的深度随时时校准，其累计计相对高程误差控控制在20mm以内，避免由于过大大的相对高程误误差而产生较大大的测试误差。。（2）声波透射法检检测混凝土灌注注桩质量中，声时和波幅是两个重要指标标，其中波幅对对混凝土内部缺缺陷的反应往往往比声时更具敏感性。在实际检测中中，波幅是一个相对对量，而声时又是根根据波形的起跳点来确定的。因此，为了了使不同位置处处的检测数据具具有可比性和应应用价值，在同同一根桩的检测测过程中，声波波发射电压和放大器增增益等参数应保持不变，并进行等幅测试。（3）对声时值和波波幅值的可疑点应进行复复测。对于声时值和和波幅值出现异异常的部位，应应采用水平加密、等差差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析析确定桩身混凝土缺陷的位位置及其严重程程度。其中水平加密密细测是基本方方法，而等差同同步和扇形扫测测主要用于确定定缺陷位置和大大小，其发、收收换能器连线的的水平夹角一般般为30°～40°。（4）常规超声波测测试方法可以得得到灌注桩沿桩桩长方向的粗略略质量分布情况况。CT层析成像技术配有专门的分析析软件，适宜于于对局部可疑区区域或重要结构构进行重点加密密细测，并可对对桩身缺陷进行行定量分析，其方法测试流流程图见图3-2。（5）同一根桩中有有三根以上声测测管时，以每两两个管为一个测测试剖面分别测测试。并在测试试过程中保持测试系统状状态参数不变。图3-2混凝土灌注桩的的测试流程目前桩身混凝凝土缺陷判别别主要依据于于实测声速、波波幅及其随深度的的变化曲线并根据声速判据、波波幅判据和PSD判据综合分析桩身身质量及混凝凝土缺陷程度。二、检测数据据分析与评定定1、判断桩内缺缺陷的基本物物理量在钻孔灌注桩桩的检测中所所依据的基本本物理量有以以下四个：（1）声速：超声波在混凝凝土中传波的的速度。当超超声波在传播播过程中遇到到混凝土缺陷陷时将产生绕射，此时超声波波在混凝土中中传播的时间加长，计算出的声速也降低。一般来说声声速指标比较稳定，重重复性好，数据有可比比性，但对桩桩身缺陷反应应不够敏感。（2）波幅：超声波在缺陷陷界面产生反射、散射，，能量衰减，，波幅降低。采用波幅指指标进行缺陷陷判断时，要要求波幅值有有可比性。即仪器、换换能器、信号号线等测试系系统不变，发发射电压、采采样频率等测测试参数不变变，测距相同同，测试角度度相同，这样样的测试数值值才有可比性性。波幅变化化受表面耦合合状态的影响响较大，因此此应保持传感感器与混凝土土灌注桩之间间有良好的耦合状状态。波幅变化对对桩身缺陷的的反应就比较很敏感。（3）主频（或频频谱）：超声脉冲是复复频波，具有有多种频率成成分，当它穿穿过混凝土后后，各频率成成分在遇到缺缺陷时衰减程程度不同，高高频部分比低低频部分衰减减严重，因而而使接收信号号的主频率向向低频端漂移移（频移）。。（4）波形畸变：：由于超声脉冲冲在缺陷界面面反射和折射射，形成波线线不同的波束束，这些波束束由于传播路径不同，或由于于界面上产生生波型转换而形成横波等等原因，使得得到达接收换换能器的时间间不同，因而而使接收波成为为许多同相位位或不同相位位波束的叠加加波，导致波波形畸变。实践证明，，凡超声波在在传播过程中中遇到缺陷，，其接收波形形往往产生畸畸变，所以波形畸变可作作为判断缺陷陷的一个参考考依据。但是，波形形畸变的原因因很多，某些些非缺陷因素素也会导致波波形畸变，运运用时应慎重分析。关于波形畸畸变后采取怎怎样的分析技技术，还有待待进一步研究究。2、声时修正值的计计算当声波从某一声测测管传播至另一声声测管时，将通过过耦合的水和金属声测管，因此必须进行声时修正。其声时修正的计计算公式：(3.1)式中：t‘——声时修正值（μs）；D——声测管外径（mm）；d'——声测管内径（mm）；d'——换能器外径（mm）；νt——预埋声测管的声速速值（km/s）；νw——水的声速值（km／s）。对钢质声测管，波波速一般可取5800m／s；20°C时水的声速可取1480m/s。3、声时初读数的计计算超声波在预埋声测测管之间传播，所所测得的走时包括括：超声系统声时初读读数、超声波在声声测管的耦合水里里传播的声时、超超声波在声测管中中传播的声时、超超声波在混凝土中中传播的声时。为了准确计算灌灌注桩的混凝土波波速，应对实测声声时读数进行预处处理，一般采取实测声时减去声时时初读数的方法，获得超声声波在混凝土中传传播的实际声时。。该声时初读数的的计算公式是：(3.2)式中：t0——超声系统声时初读读数；t'——声时修正值（μs）。4、声时、声速和声声速平均值声时、声速和声速平均值应按下列公式计算算，并绘制声速-深度曲线、波幅-深度曲线。(3.3)(3.4)(3.5)式中:ti——超声波第i测点声时值（μs）；t0——声波检测系统延迟迟时间（μs）；νi——第i个测点声速值（km／s）；l——两根检测管外壁间间的距离（mm）；νm——混凝土声速平均值值（km／s）；n——测点数。鉴于目前所用的换换能器频带窄和用用频率判定桩身混混凝土缺陷的方法法还不成熟。因此此，未将声波频率-深度曲线作为桩身混凝土完完整性的主要判定定指标之一。5、单孔折射法为了测试单根声测测管或验证取芯孔孔周围的混凝土质质量，往往采用一发双收的一体化化径向还能器。测试时，其声时时、声速值应按下下列公式计算：(3.6)(3.7)式中：νi——第i测点的声速值（km/s）Δt——两个接受换能器间间的声时差(μs);t１——近道接收换能器声声时(μs);t2——远道接收换能器声声时(μs);h——两个接收换能器间间的距离（mm）。三、桩身混凝土质质量评价1、强度评价混凝土强度的评价价是建立在波速与与混凝土物理力学学指标之间相关性性的基础上。声速速可通过混凝土弹性模量与其力学强度的内在联系，与混混凝土抗压强度建建立相关关系，并并推定混凝土的强强度。表3-1表示混凝土强度与声速速之间的相关关系系。当声速小于3500m／s时，说明混凝土质质量较差。混凝土强度与声速速关系参考表表表3-1在恒定泊松比情况下，混凝土弹性模量与压缩波波速度的经验关系如图3-3所示，混凝土的抗压强度与弹性模模量的关系如图3-4所示。在已知混凝凝土构件的弹性波波速度层析图后，，根据图3-3可换算出混凝土的的弹性模量，再根据图3-4可换算出混凝土的抗抗压强度并评定混凝土的质量量。图3-3混凝土弹性模量与与波速关系图3-4弹性模量量与抗压压强度关关系目前，在在国内一一般采用用统计方方法建立立专用曲线线或数学表表达式，，如两两种非非线性的的数学表表达式，，其中e为动弹性性模量，，v为波速，，为为立方体体抗压强强度，A、B、C为经验系系数。2、桩身混混凝土缺缺陷声速速判据声速临界界值的确定基基于概率率法，即即无缺陷陷的混凝凝土声速速测值虽虽因其本本身的不不均匀性性造成一一定的离离散性，，但符合正态态分布；由缺陷陷造成的的低声速速值-异常值不符合正正态分布布。因此，，确定临临界值时时必须采采用正常混凝凝土的声声速平均均值及标标准差，否则，，求得的的声速平平均值将将偏小，，易造成成漏判。。同时还还应分析析考虑声声测管间间不平行行产生的的误差影影响。声速是材材料的基基本物理理量之一一，它与与混凝土土强度相相关，实测声速速应大于于或等于于声速低低限值。声速低低限值由由同条件件混凝土土试件做做强度和和速度对对比试验验，结合合地区经经验确定定。声速速低限值值相对应应的混凝凝土强度度不宜低于于0.9R（R为混凝土土设计强强度），，若试件件为钻孔孔芯样，，则不宜低于于0.85R。当实测混混凝土声速值低低于声速速临界值值时应将其其作为可疑缺陷陷区。(3.8)式中：νi——第i个测点声声速值（（km/s）;νD——声速临界界值(km/s);声速临界界值采用用正常混凝凝土声速速平均值值与2倍声速标标准差之差，即即：(3.9)(3.10)(3.11)式中：νD——声速临界界值（km/s）;——正常混凝凝土声速速平均值值(km/s);σν——正常混凝凝土声速速标准差差；νi——第i个测点声声速值(km/s)n——测点数。。当检测剖剖面n个测点的的声速值值普遍偏偏低且离离散性很很小时，，宜采用声速速低限值值判据。即实测混凝凝土声速速值低于于声速低低限值时时，可直直接判定定为异常常。(3.12)式中：νi——第i个测点声声速值(km/s);νL——声速低限限值(km/s)。声速低低限值值应由由预留同同条件件混凝凝土试试件的的抗压压强度度与声声速对对比试试验结果，结合合本地区实际经验确定。3、桩身混凝凝土缺陷波波幅判据波幅是相对测试试，也曾有有人试图用用概率统计计理论来确确定临界值，但由于桩桩身混凝土土内部结构构的变异性性很大而难难以找出较较强的波幅幅统计规律律性，因而而实际中多多是根据实实测经验将波幅值的的一半定为为临界值。。用波幅平均值值减6dB作为波幅临临界值，当当实测波幅低低于波幅临临界值时，应将其其作为可疑缺陷区区。(3.13)(3.14)式中：AＤ——波幅临界值值（dB）；Am——波幅平均值（dB）；Ai——第i个测点相对波幅幅值（dB）。3、桩身混凝土缺缺陷波幅判据PSD法是基于缺陷处处声时的变化引引起声时深度曲线的的斜率明显增大大，而声时差的大大小又与缺陷程程度密切相关，，因此两者之积对缺陷陷的反映更加明明显，即(3.15)采用斜率法作为为辅助异常判据据，当PSD值在某测点附近近变化明显时，应将其作为为可疑缺陷区。。(3.16)式中：ti——第i个测点声时值（（μs）;ti-1——第i－１个测点声时时值(μs);zi——第i个测点深度(m);zi-1——第i－l个测点深度（m）。5、混凝土声速、、波幅和PSD值出现异常对于混凝土声速和波幅值出现异常并判判为可疑缺陷区区的部位，应采采用水平加密、等差差同步或扇形扫测等方法进行细测测，结合波形分分析确定桩身混混凝土缺陷的位位置及其严重程程度。对声速、波幅和PSD值超越临界值异常常或突变时，应应对缺陷处进行行细测。同时结合波形、施工工艺艺和施工记录等有关资料进行行综合分析，以以确定桩身混凝凝土缺陷的位置置和程度。当声声速普遍低于低限值时，应通过钻孔取芯法检验基桩的混凝凝土强度。6、支承桩或嵌岩岩板对支承桩或嵌岩桩，宜同时采用低应变反射波法法检测桩端的支承情况。由于超声波只能能检测桩身部分分的混凝土质量量，对于支承桩桩或嵌岩桩，宜宜同时采用低应应变反射波法检检测桩端的支承承情况，确保基基桩承载力满足足设计要求。7、桩身完整性类类别判定Ⅰ类桩：各声测剖面每个个测点的声速、、波幅均大于临界值，波形形正常。Ⅱ类桩：某一