声波检测技术低应变测桩法——反射波法讲义(段)

1、声 波 检 测 技 术,段永康 二0一0年四月一0日,第一章波动理论基础 第一节波动的基本知识 一、振动 1.振动的基本概念：若质点作偏离平衡位置，又再回到平衡 位置的往复运动就是质点作振动。 若一个物体整体作往复运动，称物体作振动，物体振动是物 体整体参与的运动，运动中反应的性质就是物体的整体性质， 而不是局部性质。 2.周期：物体振动重现一次所经历的时间称为物体振动的周 期，用T表示。 3.循环：在一个周期内完成的运动看作一个循环。 4.频率：单位时内振动的循环数称为振动的频率。用f表示。 根据周期和频率的定义，可知周期和频率互为倒数。,5.自振频率，未受外力的弹性系统，如在其内力作用下运

2、 动，此时的振动频率称为系统的自振频率。 6.强迫振动在外力激振下发生的振动。强迫振动的频率与 激振力的频率一致，而与统的自振频率无关。 振幅：振动物体偏离平衡位置的最大距离。 二、波动的基本知识 1.波动：在连续介质中局部质点振动向四周的传波，形成 波动。即波动就是振动的传播。鉴于此波动也就有周期频率和 振幅。 2.波动的位移，速度和加速度概念： （1）位移：波动中质点偏离平衡位置的距离就是位移U （2）速度：质点运动的快慢的量度V， （3）加速度：质点速度的变化率W，,3.波的分类： （1）按介质振动性质划分 a:纵波P波：由于介质的胀缩所引起的波，其质点的 运动方向与波的传播方向一致的运

3、动。 波速： b:横波S波：由于介质的切变（畸变）所产生的波。 质点的运动方向垂直于波的传播方向的波动。 波速 式中，为拉梅常数，为密度。由此知VpVs，在连续介质 中可以有两种波传播，P波和S波。 c:S波按其质点运动的性质又可分为SV和SH波两种， 方向为传播方向，一种是质点运动方向在ZO平面内垂直于 方向叫SV波。另一种是质点运动方向垂直于入射面ZO平面， 叫SH波。,图 11 SV波和SH波 d:自由表面瑞利面波 在介质自由表面，在满足一定的条件时，P波和SV波可以 以同一速度传播，因而产生迭加，形成一种新的波，其能量集 中在自由表面附近，叫自由表面瑞利面波R波。 e:层状介质中的瑞利

4、面波，在层状介质中由P波和SV波 可迭加形成一种面波，叫层状介质中瑞利面波。 f:层状介质中的勒夫面波，由SH波在层状介质中传播， 满足某一些条件，可形成一种新的面波勒夫面波。,(2)按照波阵面的形态划分 在某一时刻波同相位点的集合形成的图形叫波阵面 a:平面波 波阵面为平面的波叫平面波. b:球面波 波阵面为球面的波叫球面波. c:柱面波 波阵面为柱面的波叫柱面波.桩基声波透射检测的声波就是由一个径向换能器产生的波,其波阵面就是柱面.此种波就是柱面波.,第二节波的传播,一、波的传播介质 波赖以传播的介质叫波的传播介质.波的传播介质可分为一维介质、二维介质、三维介质三类. 1、一维介质 若一种

5、介质在两个方向的尺寸远小于第三个方向的尺寸,即介质在一个方向可以任意延伸,其余两个方向有限,这种介质叫做一维介质.在实际工作中的杆、柱、梁、桩等都可以作为一维介质处理. 2、二维介质 若一种介质在一个方向的尺寸远小于另外方向的尺寸,即介质在两个方向可以任意延伸,一个方向有限,这种介质叫做二维介质.在实际工作中的板材可以作为二维介质处理. 3、三维介质 若一种介质在三个方向的尺寸均可以无限延伸, 这种介质叫做三维介质.,二、波的传播的斯奈尔定律 波入射到两种介质的界面上会产生折射、反射,将产生同名反射波、异名反射波、同名折射波、异名折射波.这些波要满足斯奈尔定律 Vp1 ，Vs1 ，Vp2 ，V

6、s2 分别为介质1、2中的P波和SV波波速。 由定律可知,三、 图 12 波在界面上的反射和折射 即同名反射击波的反射角等于入射角。 P波或SV波入射到自由表面，为满足加界条件，就要迭加，产生同名反射波（P反）异名反射波（SV反 ）。,第三节 声波和超声波 一、声波 声波是频率在几佰赫兹到2万赫兹的波，人们的听觉可以感知。其介质质点的振动方向和传播方向是一致的,所以声波是纵波. 二、超声波 频率超过20000Hz的声波叫超声波。 从狭义上讲，超声波属声波类，因而应该是纵波。但现在工程检测中所应用的声波和超声波是广义上说的，即只是从频率上而言，因此声波或超声波就有纵波和横波，特别是SH波及面波。

7、 三、声波的声学参数和性质 声波是一种波，它就具有波的一切物理力学参数和一切性质，如：波速也叫声速，振幅也叫波幅，频率，相位等。在界面上会产生反射折射，而且附合波动在界面上的反射折射规律，即遵守波的各种运动规律。,四、声波或超声波在各种工程检测中的概况 声波或超声波在工程检测中的应用，目前在三个方面。 第一个方面是混凝土强度和变形特性的检测； 第二方面是混凝土表面产生裂缝深度的检测； 第三方面则是对建物和构筑物内部缺陷的检测，诸如检 测空洞，蜂窝、裂隙、离析和损伤或碳化混凝土厚度的检 测。 基桩的声波透射法检测，就是用声波检测桩身内部是否 存在缺陷的。,第二章 超声波检测混凝土强度 超声波检测

8、强度实际是以超声波通过混凝土的速度V的 测定为基础的。同时也考虑混凝土的其他特性的测定，如超 声波的振幅、衰减、首半波的周期等。 该方法是基于混凝土强度R和超声波在其内的传播速度V 之间有较好的相关性。一般说来，强度越高，则其声速越 快，其理由可以解释为，混凝土强度与弹性模量有相关关 系，弹性模量高的混凝土强度也高，而弹性模量与波速间是 有定量关系。因此混凝土强度与声速之间也应该有相关性。 也可解释为混凝土的密实性、孔隙率与声速相关，而且与强 度相关。因此强度和声速亦应相关。,第一节 强度声速曲线RV曲线 混凝土强度和声速曲线RV曲线是超声测强的基础，要做测 强工作，首先必须率定RV曲线。 混

9、凝土是多种材料的集合体，随要求不同，其组成成份变化 很大。同时各种材料又有不同产地，以及其制作中的条件差异， 使得混凝土的性能相差很大。所以虽然混凝土强度和声速之间有 良好的相关关系，但具体到RV之间的关系则随混凝土不同而不 同，也就是说没有统一的RV关系曲线。虽然没有普适的RV 曲线，但在曲线的形态以及影响RV曲线的主要因素等方面，也 有许多共同之处。,图 2-1 强度波速曲线,一、影响RV曲线的因素 研究表明，混凝土的原材料，配合比、制作条件、养护条 件、含水率、龄期等六项技术条件都对RV曲线有不同程度的 影响，但这些因素影响程度是不一样的，在实用中有些可以忽 略，影响RV曲线的主要因素有

10、： 1.石子的产地品种、粒径、用量影响 石子在混凝土中比例最大，所以石子状况对RV曲线影响 很大，不同产生的石子曲线 不一样，在同样的强度下，速度可 以相关20%左右。不同粒径的石子RV曲线也不一样，在同样 R下，波速也可能差20%左右，石子用量大，强度速度也不 一样。 2.含水率的影响 由于混凝土是多孔体，孔中充水或充气或二者皆有。试验 表明，含水率越高，声速也越高，含水率变化1%，则波速也 变化1%左右。 3.养护条件的影响 不同的养护方式RV曲线有明显的差别。,二、RV曲线的线型 1.变化范围 混凝土是由水泥、砂和石子组成，水泥浆硬化体的波速 较低，一般在4000m/s以下，而砂和石子的

11、声速在5000m/s 以上。所以普通的混凝土声速一般在4000-5000m/s之间， 而低标号、早龄期或受浸蚀冻融的混凝土声速在4000m/s以 下。个别高标号含坚硬石子较多的声速也有超过5000m/s 的。相应于波速V在3000-5000m/s变化，其强度变化范围大 概为15-50Mpa，这就是说波速变化不太大变化范围，而相 应的强度则变化较大范围。因此为保证测量强度有足够精 度，就要求波速测量有更高的精度，通常要求控制在2%以 内。,2RV曲线的线型 从整个RV曲线看，应属指数曲线形状，即强度较低段， 曲线较平缓，随强度增高，曲线也逐渐陡峭。也就是说在强度 较低时，波速变化灵敏，在强度较高

12、时，波速变化迟钝。 3RV曲线的函数形式 目前国内外常采用的函数表达式有： 平方抛物线： 指数函数： 幂函数： 式中a ，b ，c 待定常数。,第二节 率定及计算RV曲线方法 一、试件制作 1.数量：3件一组，每条曲线不得少于10组。 2.试件尺寸：一般为150150150mm3的立方体，当 骨料最大粒径超过40mm时，试件尺寸不得小于 200200200mm3，其边长为最大骨料粒径的3倍以上。 二、试件测试 1.超声测试：在垂直于浇注方向面上，用相同的藕合 剂，在相同压力条件测试，每个试件测5个点的走时。 2.尺寸测量：要求小于1mm的精度进行测量。 3.波速计算： 4.强度测量，在垂直于浇

13、注方向和垂直于波速测试方向 进行抗压试验。,三、结果整理 进行回归分析得出RV曲线。 计算均方根差和相关系数，判定拟合效果。 图 2-2 波速强度测试方向,第三节 现场测试混凝土强度的方法 一、在相对的两侧面均划出相互对称的网格，网格点即为 测点，距离测量误差小于1%，计算出该点波速： 二、几项应进行修正的情况 1.若含水率与研究的RV曲线的试件含水率相差较大，则 应按含水率差值对波速进行修正。 2.若测距L与试件尺寸相差较大，则必须进行尺寸修正。 3.若测点值受钢筋影响，应使测点避开钢筋一定距离或对测值进行修正。 4.对石子的产地不同进行修正。 三、一般而言可以用各个影响因素的影响系数的方法

14、求得 总的影响系数Ct。 Ct= Cc Cd Ca C Cg Cm Cu Cp 式中Cc 为水泥品种影响系数，在0.85-1.14之间,Cd 为水泥用量影响系数，在0.46-1.38之间 Ca 骨料性质影响系数，在0.8-6.0之间 C为最大骨料影响系数，在0.94-1.7之间 Cg 为细骨料（01mm）所占比例影响系数，在0.96-1.28 之间 Cm 混凝土龄期影响系数，在0.73-1.36之间 Cu 为混凝土湿变形系数，在0.8-1.04之间 Cp为混凝土掺合料影响系数，在1-1.4之间 对标准混凝土的Ct =1 对于非标准的强度Ref 可用标准的强度乘以影响系数而进行 修正。 Ref=

15、 Ct Rc 四、确定混凝土强度的公式 在Ct =1的情况下，可得出RV的相关公式Rc =0.24e1.1v 对于非标准混凝土抗压强度Ref= Ct Rc,第三章 混凝土内部缺陷的超声检测 1.这里介绍结构混凝土内局部的不密实（如蜂窝，软弱物 质）和空洞的检测方法，这里的空洞是指充填空气或水的区 域，不包含充填软弱物质的区域。 2.本方法只适用于具有一对或两对相互平行的临空面，且 测区范围大于怀疑区域。 第一节 超声波通过内部有缺陷的结构物混凝土后性质变化 超声波在混凝土中传播遇到缺陷时，由于缺陷的存在，使 超声波正常传播发生变化，改变了某些声学参数，根据这些声 学参数的变化和变化大小可以判断

16、缺陷的存在和估计出其所在 位置及大致尺寸。,一、超声波通过裂缝或缺陷后物理特性有以下变化 1.瑞利导出的超声波垂直入射到裂缝时的能量反射系数。 图3-1 超声波通过裂缝 式中Z1，Z2为混凝土及裂缝中充填物的特征阻抗，D为裂缝宽 度。为超声波波长。 由瑞利公式显见，超声能量反射系数不仅和介质特征阻 抗有关，而且和缝的宽度有关。还和超声波的频率有关。鉴于 公式可见，超声波通过裂缝后发生频率降低，同时走时增加， 振幅减小，出现裂缝尖灭点的绕射波。,2.超声波通过有缺陷混凝土走时（声时）增加。如图所示 图 4-1超声波检测内部缺陷 若超声波直接通过缺陷，则由于缺陷区域波速低，走时增 加，若是由缺陷边

17、绕过，则路程增加，走时也必然增加。 3.超声波通过缺陷混凝土后振幅（波幅）减小，由于波通过 缺陷区其密实度低，对波的衰减比正常区大得多，并且存在两 个界面，在其界面上要发生反射，穿过能量减少，因此振幅必 然比不通过缺陷的波要小得多，且其比走时要敏感得多，但要 求测量时藕合要完全一致。若不穿过，而是绕过，则由于散射 的原因，能量也损失，波幅也减小。,4.超声波通过有缺陷的混凝土频率降低 由第三章中的瑞利公式见，在公式分母中有一项，若频率 高，波长就短，相角就大，余弦值就小，分母小公式结果就 大，反射能量大，通过缺陷的能量就小，相对而言高频小了， 整个通过的波的频率就降低了。 5.超声波通过缺陷后

18、波形改变 不过缺陷的波形特征服 通过缺陷的波的波形特征 （1）初至波陡峭，振幅大 （1）初至波平缓，振幅小 （2）第一周期的后半周期即 （2）第一周期后半周甚至到达到较高振幅 第二周期，振幅增加得仍不多 （3）第一周期的波无畸变 （3）在第一、二周期后有时还 会出现畸变 （4）接收波的波头包络线部分 （4）接收波包络线呈喇叭形 呈半圆形 综上四方面，超声波的走时、振幅、频率和波形变化都可以 反映混凝土内部缺陷的存在。,图 4-2 深度走时曲线，深度振幅曲线，深度频率曲线 上图所示是一个大块体内部埋一模拟缺陷多孔块体的模 型，不同高度得到的走时，振幅、频率曲线，从图可以看出走 时、振幅、频率均能

19、反映缺陷的存在和位置。,第二节测试方法 一、测点的布置 1.结构具有两对相互平等的临空面的情况 以两对相互平行的临空面作为测试面，在测区的两对平行 的测试面上，分别以间距100-300mm画网格，对格点逐个编 号，格点就是测点位置。如下图所示： 图 4-3 测缺陷的平面图和立面图,2.结构只具有一对平行的临空面情况 对于只有一对平行的临空面时网格可以按1中所述处理，测 试可采用平测和斜测相结合。 3.结构物较大，测距较大的情况 对于两测试面距离较大的情况，可以在两面的中部适当位置 钻孔，孔径40-50mm，深度视测试需要而定。采用也中和两个 测试面进行测试。 图 4-4-a 平面图 图 4-4

20、-b立面图,二、测试方法 1.检查各测点表面的平整，若不平整则加工平整，若实在 无法加工平整的，则可作稍许移动避开不平整位置。 2.测量各相对测点间距离，要精确到1%。 3.在测点涂上藕合剂，逐点测量声时、波幅和频率。若发 现异常点，复测确实无误后，再按统计方法对该点作出判断， 若确定该测点内部有缺陷，则在该点周围加密测点，以确定缺 陷范围。 4.当对测、斜测完成后或两对平行面对测都完成后，绘制 所测结构的侧面图，把结果标在上面，并用斜影线勾画出缺陷 位置和范围。若已探明缺陷的纵深位置，还应绘制缺陷部位横 截面图，标出缺陷纵深位置。,第三节 数据处理和测试结果分析 一、求出测区内的混凝土的波速

21、（或走时）、波幅、频 率，测量值的平均值（mx）和标准差（Sx） 4-1 4-2 式中Xi为第i个测点的波速、波幅、频率的测量值，n测区内 参与统计的测点数。,（2）若X0tn，则判定tn，tn+1等所有数据均为异常值。 （3）若X0 tn 则将tn 后紧接它的数据tn+1加入前面所有数 据重新进行统计计算和判别。 2.波幅、频率或（由声时得出的波速值判别） （1）将波幅、频率或波速值按由大到小顺序排列，即 X1X2X3XnXn+1。将排在后面明显小的数据 视为可疑，将这些数视为可疑数据中最大的一个（假定为Xn） 和前面所有数据一起进行统计计算得出mx 和Sx值，并由下式计 算异常情况判断值（

22、X0）。 式中i的意义和取值如前述。 （2）将X0和可疑数据中最大的一个Xn比较，若XnX0， Xn及其后的所有数据均为异常。若XnX0，则将Xn+1和其前面 的几个数据一起重新统计计算和判别。,4-4,第四节 声速、振幅、频率测值综合判断缺陷的方法 一、走时，波幅两参数综合判断方法综合指标法 1.质量指数kg的定义 式中Ai为某测点信号初至波幅，单位为mm（或衰减器读数 单位），ti相应测点的声时，单位为s。m为常数，单位与ti相 同。 2.引入m的意义：引入m使走时减去m后扩大了剩余部分走 时的相对变化幅度，在式中增加了走时的影响作用。 3.m值的选取原则 m值按下述公式选取,(4-6),

23、(4-7),式中A为各测点波幅值的统计标准差 A为波幅平均值 （ti-m）为各测点的（ti-m）值的统计标准差 （ti-m）平均为各测点的（ti-m）平均值 二、走时tI，波幅AI，频率fI三参数综合法 1.质量指数定义 2.引入m，n的原则,(4-8),第四章 桩基声波透射检测方法 声波透射检测方法用来对已预埋了声测管的混凝土灌注桩 桩身完整性检测。 1.预埋声测管的要求： （1）测管的内径宜为50-60mm。 （2）一根桩预埋的声测管数为： 桩径D800mm的埋2根管 桩径为800mmD2000mm的埋3根管 桩径D2000mm的埋4根管 （3）声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置。 （4）

24、声测管下端封闭，上端加盖。,2.声波透射检测的仪器 （1）仪器可实时显示和记录接收信号的时程曲线。 （2）仪器具有频率测量或频率域分析功能 （3）仪器时间精度优于和等于0.5s。 （4）幅值测量相对误差小于5。 （5）系统频带宽度为1-20KHz （6）系统最大动态范围不小于100db （7）声波发射控制电压矩形脉冲，脉宽可调，电压幅值 为200-1000V。 （8）换能器谐振频率为20-50KHz，水密性满足1Mpa水压不 漏水。,第一节 现场检测 一、现场检测前的准备工作 1.对仪器进行标定，确定仪器的延迟时间误差。 2.计算几何因素引起的声时修正值。 3.在桩顶测量相应声测管外壁间净距离

25、。 4.将各声测管内注灌水，检查声测管畅通情况。 5.收集声测管埋置情况。 二、现场检测 1.将发射与接收换能器通过测绳深度标志分别置于灌满水 的两声测管中的测点处。 2.发射与接收换能器应以相同标高或保持固定高差同步升 降，测点间距应该不大于250mm。 3.实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时首波峰值 和周期。最后能同时显示频率曲线及主频值。,4.将所预埋声测管两根为一个检测剖面进行全组合，若预 埋两根声测管，则只有一个检测剖面，若预埋3根声测管则有3 个检测剖面，若预埋4根声测管则有6个检测剖面，分别对所有 检测剖面完成检测。 图7.1a 现场测试剖面示意图 图7.1b测试截面发射

26、与接收示意图,5.在桩身质量可凝测定周围可采用加密测定，斜测、扇形扫测或CT方法进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。 图7.2 平测(a)、斜测(b)和扇形扫测(c)示意图 6.在同一检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应为恒定。,第二节 检测数据分析与判定 一、声时、声速、波幅和主频的计算 根据现场检测数据计算各测点声时tc，声速v，波幅Ap及主频f，并绘制声速-曲线，主频-深度曲线，波幅-深度曲线。 1.声时、声速、波幅、主频的计算 式中，tci-第i测点声时（s） ti-第i测点声时测量值（s） t0-仪器系统延迟时间（s） t-几何因素声时修正值（s） L-每个检测剖

27、面相应声测管的外壁内净距离（ms） Vi-第i测点声速（km/s） APi-第i测点波幅值（dB）,ai-第i测点信号首波峰值（V） ao-零分量信号幅值（V） fi-第i测点信号主频值（KHz） Ti-第i测点首波周期（s） 2.声速-深度、主频-深度和波幅-深度曲线的制 二、声速，主频和波幅临界值的计算方法 1.声速，主频临界值的计算 （1）将同一检测剖面n个测 点的声速（或主频）值由大到小 依次排序即： x1x2x3xn-kxn-1xn 式中xi-第i个数据的声速（或主频）测量值,n-检测剖面测点总数 k-去掉小数值数据个数 （2）去掉xi中最小数据，让其余数据参加统计计算 式中x0-异

28、常判断值 x-(n-k)个数据的平均值 sx-(n-k)个数据的标准差 -由表3.2.1查得的与（n-k）相对应的系数 （3）参加统计的数组的最小数据xn-k与异常，判断值x0进行比较，当xn-kx0时，则去掉最小数据xn-k以下各数据，重复上述统计，直到：xn-k x0成立，则x0为异常判断临界值 4）声速（主频）的异常值判定 当xI x0时，则声速（主频）判为超临界值异常 表3.2.1统计个数对应个数（n-k）与对应的值,2.波幅临界值的计算 （1）波幅平均值的计算 （2）波幅超临界值异常的判定 ApiA-6 式中A-波幅平均值（db） n-检测剖面测点数 三、声测管平行度差时的分析方法 若所检测的检测面声测管平行度差，不能应用上述分析方法时，可结合PSD方法进行综合分析。 1，定义：PSD=Kt