超聲波樁基檢測(cè)培訓(xùn)課件

公路工程基樁檢測(cè)的規(guī)定：

（JTJ/TF81-01-2004）

1、公路工程基樁應(yīng)進(jìn)行100％的完整性檢測(cè)，各種方法的選定應(yīng)具有代表性和滿足工程檢測(cè)的特定要求；

2、重要工程的鉆孔灌注樁應(yīng)埋設(shè)聲測(cè)管，檢測(cè)的樁數(shù)不應(yīng)少于50％；

3、高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的抽檢率可由工程設(shè)計(jì)或監(jiān)理單位酌情決定，但不宜少于相近條件下總樁數(shù)的5％且不少于５根。

9/20/20241超聲波樁基檢測(cè)超聲波法：

是在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管，通過(guò)水的耦合，超聲波從一根聲測(cè)管中發(fā)射，在另一根聲測(cè)管中接收，或單孔中發(fā)射，可以測(cè)出被測(cè)混凝土介質(zhì)的參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時(shí)會(huì)波產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而達(dá)到接收換能器時(shí)，根據(jù)聲時(shí)、波幅及主頻等特征參數(shù)的變化來(lái)判別樁身的完整性。鑒于目前公路橋梁工程大量使用大直徑樁和超長(zhǎng)樁，該方法將越來(lái)越多的使用在基樁的檢測(cè)中。9/20/20242超聲波樁基檢測(cè)分四個(gè)部分講解：聲學(xué)理論檢測(cè)技術(shù)測(cè)試方法工程實(shí)例9/20/20243超聲波樁基檢測(cè)第一部分聲學(xué)理論聲學(xué)基礎(chǔ)聲波在介質(zhì)中的傳播速度聲波在介質(zhì)界面上的反射與透射聲波在傳播過(guò)程中的衰減混凝土中的聲波特性9/20/20244超聲波樁基檢測(cè)一、聲學(xué)基礎(chǔ)

1、波動(dòng)波動(dòng)是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，波動(dòng)可分為兩大類：一類是機(jī)械波，它由于機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中引起的波動(dòng)過(guò)程，例如；水波、聲波、超聲波等；另一類是電磁波，它是由于電磁振蕩所產(chǎn)生的變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)在空間的轉(zhuǎn)播過(guò)程，例如無(wú)線電波、紅外線、紫外線、可見(jiàn)光、雷達(dá)波等。9/20/20245超聲波樁基檢測(cè)聲波:是彈性介質(zhì)的機(jī)械波。人們所能聽(tīng)到聲波頻率范圍是20～20KHz，即可聞聲波。當(dāng)聲波頻率超過(guò)20～20KHz時(shí)，人耳就聽(tīng)不到了，這種聲波就叫超聲波，其頻率范圍是20K～100MHz；當(dāng)頻率低于20Hz的叫

次聲波，人耳也聽(tīng)不到。各種聲波的頻率范圍見(jiàn)下表。9/20/20246超聲波樁基檢測(cè)各種聲波的頻率范圍（Hz）

次聲波可聞聲波超聲波特超聲波0～2020～20K20K～100M＞100M

在混凝土中超聲檢測(cè)使用的頻率一般在20KHz～200KHz范圍內(nèi)。9/20/20247超聲波樁基檢測(cè)2、諧振動(dòng)物體在一定位置附近作來(lái)回重復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)，例如擺的運(yùn)動(dòng)、汽缸中活塞的運(yùn)動(dòng)、彈簧振子的運(yùn)動(dòng)等，這些是可以直接看到的振動(dòng)。又例如一切發(fā)聲體的運(yùn)動(dòng)、在高頻電壓激勵(lì)下壓電晶體的運(yùn)動(dòng)，這些是不易或不能直接看到的振動(dòng)。

相互間由彈性力聯(lián)系著的質(zhì)點(diǎn)所組成的物質(zhì)，稱為彈性介質(zhì)。需要進(jìn)行超聲檢驗(yàn)的大量固體構(gòu)件都是彈性介質(zhì)。彈性介質(zhì)是由相互間用小彈簧聯(lián)系著的質(zhì)點(diǎn)所組成。如圖1-1所示。若這種介質(zhì)中任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)了平衡位置，則會(huì)產(chǎn)生使它恢復(fù)到平衡位置的力，這就是彈性力。9/20/20248超聲波樁基檢測(cè)圖1-1彈性介質(zhì)模型圖1-2彈簧振子的振動(dòng)

1-質(zhì)點(diǎn)：2-小彈簧

9/20/20249超聲波樁基檢測(cè)進(jìn)一步來(lái)說(shuō)明諧振動(dòng)

可以用彈簧振子來(lái)說(shuō)明諧振動(dòng)。如圖1-2所示，彈簧左端固定，右端系一物體。為使討論較為簡(jiǎn)單，設(shè)彈簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。設(shè)物體在位置0時(shí)，彈簧作用在物體上的力是零。這個(gè)位置就是物體的平衡位置，若把物體向右移動(dòng)到位置B，這時(shí)彈簧被拉長(zhǎng)，相應(yīng)地有指向左方即向平衡位置的彈性力作用在物體上，使物體返回平衡位置。當(dāng)物體回到平衡位置時(shí)，彈簧的彈力等于零，但物體在返回時(shí)獲得了速度，由于慣性，它將繼續(xù)向左移動(dòng)。當(dāng)物體在平衡位置左邊時(shí)，彈簧被壓縮，物體所受彈性力是指向右方，即平衡位置。這時(shí)彈性力作用是阻礙物體運(yùn)動(dòng)，直至物體停止在位置C。在這以后，物體在彈性力的作用下向右移動(dòng)，情況和上述向左移動(dòng)相似。這樣，在彈簧的彈性力作用下，物體在平衡位置的左右作重復(fù)運(yùn)動(dòng)，即振動(dòng)。

9/20/202410超聲波樁基檢測(cè)取平衡位置0為X軸的原點(diǎn)，并設(shè)X軸的正向向右根據(jù)胡克定律，物體所受的彈性力F與物體位移x（即彈簧的變形量）的關(guān)系為：

F=-kx(1.1)式中：k——彈簧的彈性系數(shù)；-——力和位移的方向相反。設(shè)物體的質(zhì)量為m根據(jù)牛頓第二定律（），它的速度為：

(1.2)9/20/202411超聲波樁基檢測(cè)因?yàn)閗和質(zhì)量m都是常數(shù)，所以它們的比值可以用一恒量F表示,即：

(1.3)式中：ω——角頻率或圓頻率。代入上式，得：

a=-ω2x

(1.4)從上式看出，上述振動(dòng)的特征是：物體的加速度和位移成正比且方向相反，這種振動(dòng)稱為諧振動(dòng)。物體在彈性力作用下發(fā)生的運(yùn)動(dòng)是諧振動(dòng)。諧振動(dòng)是最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)。任何復(fù)雜振動(dòng)都是由許多不同頻率的諧振動(dòng)所合成的。9/20/202412超聲波樁基檢測(cè)因?yàn)?,又得：+ω2x=0(1.5)根據(jù)微分方程理論，上式的解為：

x=Acos(ωt+

)(1.6)式中

A,

——兩個(gè)恒量；

A——振幅，它是質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的最大位移；

t+

——振動(dòng)的相位。這是諧振動(dòng)中位移x和時(shí)間t的關(guān)系式，稱為諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式，簡(jiǎn)稱諧振動(dòng)方程式。

9/20/202413超聲波樁基檢測(cè)3、波的產(chǎn)生與傳播在彈性介質(zhì)中，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)機(jī)械振動(dòng)時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)點(diǎn)與其鄰近的質(zhì)點(diǎn)間有相互作用的彈性力聯(lián)系著，所以它的振動(dòng)將傳遞給與之相鄰近的質(zhì)點(diǎn)，使鄰近的質(zhì)點(diǎn)也同樣地發(fā)生振動(dòng)，然后振動(dòng)又傳給下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，依次類推。這樣，振動(dòng)就由近及遠(yuǎn)向各個(gè)方向以一定速度傳播出去，從而形成了機(jī)械波。從上述可知，機(jī)械波的產(chǎn)生，首先要有做機(jī)械振動(dòng)的波（聲）源，其次要有傳播這種機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)。例如，把石子投入平靜的水中，在水面上可以看到一圈圈向外擴(kuò)展的水波。9/20/202414超聲波樁基檢測(cè)再舉二個(gè)實(shí)例

彈性橫波：手握繩子一端上下振動(dòng)，可以看到如圖

1-3的波向前傳播的過(guò)程，這就是彈性橫

波。

彈性縱波：用手迅速而有節(jié)奏地推拉彈簧的一端，

可以看到如圖1-4彈簧上有部分密集，部

分稀疏，部份疏密相間，且這種疏密相間

的狀態(tài)沿著彈簧向前傳播，這就是彈性縱

波。9/20/202415超聲波樁基檢測(cè)圖3.1-3繩子上的橫波圖3.1-4彈簧上的縱波9/20/202416超聲波樁基檢測(cè)4、波的種類波的種類是根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向的關(guān)系來(lái)區(qū)分的。它主要分為縱波、橫波、表面波等。(1)縱波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，例如空氣、水中傳播的聲波就是縱波，如圖1-5所示?？v波又常稱“P”波?？v波的傳播是依靠介質(zhì)時(shí)疏時(shí)密（即時(shí)而拉伸，時(shí)而壓縮）使介質(zhì)的容積發(fā)生變形引起壓強(qiáng)的變化而傳播的，因此和介質(zhì)的容變彈性有關(guān)。任何彈性介質(zhì)（固體、液體、氣體）在容積變化時(shí)都能產(chǎn)生彈性力，所以縱波可以在任何固體、液體、氣體中傳播。9/20/202417超聲波樁基檢測(cè)

圖1-5縱波

9/20/202418超聲波樁基檢測(cè)

(2)橫波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，這

種波稱為橫波，例如繃緊的繩子上傳播的波就是橫波，

如圖1-6所示。橫波又常稱“S”波。

橫波的傳播是使介質(zhì)產(chǎn)生剪切變形時(shí)引起的剪切應(yīng)

力變化而傳播的，因此和介質(zhì)的切變彈性有關(guān)。由于液

體、氣體無(wú)一定形狀，當(dāng)它們的形狀發(fā)生變化時(shí)，不產(chǎn)

生切變應(yīng)力，所以液體、氣體不能傳播橫波，只有固體

才能傳播橫波。在氣體、液體中只有縱波存在。

9/20/202419超聲波樁基檢測(cè)圖1-6橫波

9/20/202420超聲波樁基檢測(cè)

（3）表面波：固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力，使介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，結(jié)果使質(zhì)點(diǎn)作這兩種振動(dòng)的合成振動(dòng)，即繞其平衡位置作橢圓振動(dòng)。橢圓振動(dòng)又作用于相鄰的質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，這種波稱表面波，常以“R”表示。圖1-7為表面波傳播示意圖。圖中示出了瞬時(shí)的質(zhì)點(diǎn)位移狀態(tài)。右側(cè)的橢圓表示質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡。由圖可知，質(zhì)點(diǎn)只在xy平面內(nèi)作橢圓振動(dòng)而波在體表面（xz平面）沿x方向傳播。振動(dòng)的長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。表面波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅隨深度的增加而迅速減小。當(dāng)深度等于2倍的波長(zhǎng)時(shí)，振幅已經(jīng)很小了，因此，表面波多用于探測(cè)構(gòu)件表面的情況。9/20/202421超聲波樁基檢測(cè)圖1-7表面波

表面波只能在固體中傳播。

9/20/202422超聲波樁基檢測(cè)5、波的形式

波的形式是根據(jù)波陣面的形狀來(lái)劃分的。如圖1-8所示，聲源在無(wú)限大且各向同性的介質(zhì)中振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)向各方面?zhèn)鞑?。傳播的方向稱為波線；在某一時(shí)刻振動(dòng)所傳到各點(diǎn)的軌跡稱為波前；介質(zhì)中振動(dòng)相應(yīng)相同的所有質(zhì)點(diǎn)的軌跡稱為波陣面。在任一確定的時(shí)刻，波前的位置總是確定的，只有一個(gè)波前，而波陣面的數(shù)目則是任意多的。

9/20/202423超聲波樁基檢測(cè)圖1-8波線、波前、波陣面

（a）平面波；（b）球面波；（c）柱面波

1-波線；2-波前；3-波陣面9/20/202424超聲波樁基檢測(cè)

按波陣面的形狀可以把波分成平面波、球面波和柱面波。（1）平面波：波陣面為平面的波稱為平面波，其振源是一個(gè)作諧振動(dòng)的無(wú)限大的平面。另外，從無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)狀聲源（點(diǎn)源）傳來(lái)的波，其波陣面可視為平面，也可稱為平面波。（2）球面波：波振面為球面的波稱為球面波，其振源是一個(gè)點(diǎn)狀聲源。（3）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波，其振源是一無(wú)限長(zhǎng)的直柱形。9/20/202425超聲波樁基檢測(cè)6、波動(dòng)方程

用數(shù)學(xué)方程式來(lái)描述一個(gè)前進(jìn)中的波動(dòng)，即描述介質(zhì)中某質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于平衡位置的位移隨時(shí)間的變化，該數(shù)學(xué)方程式為波動(dòng)方程。由于諧振動(dòng)是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)，所以由它產(chǎn)生的余弦波是最簡(jiǎn)單、最基本的波。因此，先討論余弦振動(dòng)在均勻介質(zhì)中傳播過(guò)程所形成的余弦波波動(dòng)方程。如1-9所示，設(shè)一平面余弦波在無(wú)吸收的無(wú)限均勻介質(zhì)中沿x軸的正向傳播，波速為υ0、設(shè)0為波線上任意一點(diǎn)，并取其為坐標(biāo)原點(diǎn)y軸為振動(dòng)位移，若0點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)作諧振動(dòng)，從（1.6）式可知，其振動(dòng)方程為：(1.7)式中：A—振幅；

—角頻率；

y0—質(zhì)點(diǎn)在時(shí)間t時(shí)離開(kāi)平衡位置的位移。9/20/202426超聲波樁基檢測(cè)圖1-9波動(dòng)方程推導(dǎo)

9/20/202427超聲波樁基檢測(cè)

若是橫波，則位移方向與X軸垂直；如是縱波，則位移方向沿著X軸。設(shè)B為波線上另一任意點(diǎn)，離開(kāi)原0的距離為x。因?yàn)檎駝?dòng)從0點(diǎn)傳播到B點(diǎn)需要的時(shí)間為x/ν，所以B點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)在時(shí)間t的位置等于0點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)在時(shí)間(t-x／ν)的位移，即

（1.8）

9/20/202428超聲波樁基檢測(cè)(1．8)式表示，在波線上任意一點(diǎn)（距原點(diǎn)距離為x）處的質(zhì)點(diǎn)在任一瞬時(shí)的位移，即沿x軸方向前進(jìn)的平面余弦的波動(dòng)方程。

波在一個(gè)周期T內(nèi)（或者說(shuō)質(zhì)點(diǎn)完成一次振動(dòng)）所傳播的路程為波長(zhǎng)，用

表示。根據(jù)周期和波速的定義，三者關(guān)系為：

=νT(1.9)因?yàn)橹芷赥與頻率f互為倒數(shù)，所以(4.1.9)式也可寫為：(1.10)

這是波速、波長(zhǎng)、頻率間的基本關(guān)系。

9/20/202429超聲波樁基檢測(cè)不同類型的波在傳播過(guò)程中速度各不相同，且其聲速還取決于固體介質(zhì)的性質(zhì)（密度、彈性模量、泊松比），所以聲速是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)參數(shù)。另外，聲通的大小還與固體介質(zhì)的邊界條件有關(guān)。

二、聲波在介質(zhì)中的傳播速度

9/20/202430超聲波樁基檢測(cè)1、縱波聲速

在無(wú)限大固體介質(zhì)中傳播的縱波聲速：

(1.11)式中：E——楊氏彈性模量；γ——泊松比；ρ——密度。在有限固體介質(zhì)中傳播時(shí)，則形成制導(dǎo)波，其速度變小。

9/20/202431超聲波樁基檢測(cè)

2、橫波聲速

在無(wú)限大固體介質(zhì)中傳播的橫波聲速：

(1.12)

式中：G——切變彈性模量。

9/20/202432超聲波樁基檢測(cè)3、材料的彈性參數(shù)與聲速值

下表列出了部分材料的彈性參數(shù)與聲速值。部分材料的彈性參數(shù)、聲速和特性阻抗

表3.1-2通過(guò)對(duì)固體介質(zhì)聲速的討論可以看出：9/20/202433超聲波樁基檢測(cè)通過(guò)對(duì)固體介質(zhì)聲速的討論可以看出：（1）介質(zhì)的彈性性能愈強(qiáng)即E或G愈大，密度ρ愈小，則聲速愈高。（2）把（1.11）、（1.12）兩式相除，得到縱、橫波速度之比：(1.13)

對(duì)于一般固體介質(zhì)λ大約在0.33左右，故νp／νs≈2?；炷恋牟此杀冉橛?.20、0.30之間，因此νp／νs介于1.63～1.87之間，即在混凝土中，縱波速度為橫波速度的1.63～1.87倍。

9/20/202434超聲波樁基檢測(cè)

聲波在無(wú)限大介質(zhì)中傳播只是在理論上成立。實(shí)際上任何介質(zhì)總有一個(gè)邊界。當(dāng)聲波在傳播中從一種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分聲波被反射，仍然回到原來(lái)介質(zhì)中，稱為反射波；另一部分聲波則透過(guò)界面進(jìn)入另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波（透射波）。聲波透過(guò)界面時(shí)，其方向、強(qiáng)度、波型均產(chǎn)生變化。這種變化取決于兩種介質(zhì)的特性阻抗和入射波的方向?，F(xiàn)分垂直入射和傾斜入射兩種情況來(lái)討論。三、聲波在介質(zhì)界面的反射與透射

9/20/202435超聲波樁基檢測(cè)1、垂直入射（1）單一的平面界面

當(dāng)平面波垂直入射到一個(gè)光滑平面界面時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波和一個(gè)與入射波方向相同的透射波（圖1-10）。這是波入射到界面上時(shí)最簡(jiǎn)單的情況。

9/20/202436超聲波樁基檢測(cè)9/20/202437超聲波樁基檢測(cè)先討論入射波、反射波和透射波聲壓之間的關(guān)系。在界面上，用反射波聲壓pr與入射波聲壓p0的比值表示聲壓反射率R，即：(1.14)

用透射波聲壓Pd與入射波聲壓p0的比值表示聲壓透射率D即：(1.15)界面兩側(cè)兩種介質(zhì)的特性阻抗分別為Z1和Z2。9/20/202438超聲波樁基檢測(cè)

（2）異質(zhì)薄層的反射與透射

當(dāng)聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到第二層介質(zhì)的薄層，如混凝土裂縫就是這種情況。這種情況下將產(chǎn)生多次反射與透射，情況要更復(fù)雜一些。9/20/202439超聲波樁基檢測(cè)2、傾斜入射

當(dāng)聲波在一種介質(zhì)中傾斜入射到另一介質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生方向、角度及波形的變化。和光的傳播類似，聲波在界面上方向和角度的變化服從反射定律和折射定律，如圖1-11。9/20/202440超聲波樁基檢測(cè)

反射定律：入射角（i）的正弦與反射角（β）

的正弦之比等于入射波與反射波速度之比。由

于入射波與反射波在同一介質(zhì)中，其速度相等，

所以入射角等于反射角（i=β）。

折射定律：入射角（i）的正弦與折射角（θ）

的正弦之比等于入射波與折射波速度之比，即：

(1.16）9/20/202441超聲波樁基檢測(cè)圖1-11流體界面上聲波的反射與折射

圖1-12固體界面上聲波的反射與折射9/20/202442超聲波樁基檢測(cè)以上情況可以在流體（氣體、液體）的分界面看到。在這種情況下，介質(zhì)中只有單一的波-縱波出現(xiàn)。在固體介質(zhì)分界面的情況則復(fù)雜一些。當(dāng)一種波（例如縱波）入射到固體分界面時(shí)，不僅波方向發(fā)生變化且波型也發(fā)生變化，分離為反射縱波、反射橫波，折射縱波和折射橫波。各類波的傳播方向（即反射角與折射角）各不相同，如圖1-12所示。各種類型波的傳播方向的變化亦符合幾何光學(xué)中的反射定律和折射定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：(1.17)

ν1p,ν2p——縱波在第一、二介質(zhì)中的傳播速度；ip,βp，θp——縱波入射角、反射角、折射角；

βS，θS——橫波反射角、折射角。9/20/202443超聲波樁基檢測(cè)增大入射波的入射角，則折射波的折射角亦隨之增大。如果入射波是縱波，且ν1p<ν2p則由（1.15）式可知，θp>ip,即折射角大于入射角。當(dāng)ip增大，θp也增大，當(dāng)θp＝90°時(shí)，此時(shí)的入射角叫第一臨界角，用符號(hào)i1；表示。顯然，當(dāng)入射角大于第一臨界角時(shí)，第二種介質(zhì)中只有折射橫波存在，如圖1-13。這是一種獲得橫波的方法。第一臨界角(1.18)當(dāng)θ=90°時(shí)，此時(shí)的入射角叫第二臨界角，用符號(hào)i2表示，如圖1-14。第二臨界角(1.19)

9/20/202444超聲波樁基檢測(cè)圖1-13第一臨界角圖1-14第二臨界角9/20/202445超聲波樁基檢測(cè)聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸減小的現(xiàn)象為衰減。聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所使用的超聲頻率及傳播距離，也取決于被檢測(cè)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。因此研究聲波在介質(zhì)中的衰減情況將有助于探測(cè)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。四、聲波在傳播過(guò)程中的衰減

9/20/202446超聲波樁基檢測(cè)

固體材料中聲波衰減主要有以下幾個(gè)方面的原因：

（1）吸收衰減：聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

（2）散射衰減：當(dāng)介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)（如固體介質(zhì)中的顆粒、缺陷、摻雜物等）而導(dǎo)致聲波能量的衰減。如在混凝土中一方面其中的粗骨料構(gòu)成許多聲學(xué)界面，使聲波在這些界面上產(chǎn)生多次反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；另一方面微小顆粒在超聲波的作用下產(chǎn)生新的震源，向四周發(fā)射聲波，使聲波能量的擴(kuò)散到達(dá)最大。

（3）擴(kuò)散衰減：聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波束都有一定的擴(kuò)散角。波束的擴(kuò)散，導(dǎo)致能量的逐漸分散，從而使單位面積的能量隨傳播距離的增加而減弱。9/20/202447超聲波樁基檢測(cè)

致密、強(qiáng)度高的混凝土聲衰減系數(shù)小，相對(duì)接收波幅大；強(qiáng)度低或存在缺陷混凝土衰減系數(shù)大，相對(duì)接收波幅小。當(dāng)混凝土質(zhì)量差或存在缺陷時(shí)接收到的聲信號(hào)中高頻已損失，頻率變低。

9/20/202448超聲波樁基檢測(cè)五、混凝土中的聲波特性

聲學(xué)原理中所討論的聲波指的都是連續(xù)的余弦波，而實(shí)際上超聲儀發(fā)射換能器所發(fā)射的超聲波卻是脈沖超聲波。9/20/202449超聲波樁基檢測(cè)

脈沖超聲波有以下特點(diǎn)：

（1）重復(fù)間斷發(fā)射。發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波不是連續(xù)不斷的，而是以一定重復(fù)頻率（100Hz或50Hz）間斷地發(fā)射出一組組超聲脈沖波，如圖1-15所示。這就是所謂超聲脈沖波。

雖然脈沖波與連續(xù)波不一樣，但是前面所推導(dǎo)的單一界面的反射率和透射率公式仍然能適用。至于異質(zhì)薄層的反射率和透射率的公式只有在異質(zhì)薄層相對(duì)于脈沖寬度很窄時(shí)（例如裂縫），脈沖波相當(dāng)于連續(xù)波時(shí)，該式才適用。

9/20/202450超聲波樁基檢測(cè)（2）脈沖超聲波不具有單一頻率而是所謂復(fù)頻波。

也就是說(shuō)，這一組超聲波由許多不同頻率的余弦波組成。當(dāng)然，它也有其固有的主頻率，這就是換能器上的標(biāo)稱頻率。這種復(fù)頻超聲波在有頻散現(xiàn)象的介質(zhì)中傳播時(shí)，各種頻率成分的波將以不同速度傳播，這就使得脈沖波形將隨傳播距離的增大而發(fā)生畸彎，變成如圖1-16所示，脈沖開(kāi)始部分的頻率比后面部分要高，后面愈來(lái)愈平坦變寬。9/20/202451超聲波樁基檢測(cè)圖1-15超聲脈沖波圖1-16脈沖傳播過(guò)程中的畸變

9/20/202452超聲波樁基檢測(cè)

由于聲波的衰減與頻率有關(guān)，頻率越高衰減越大，因此在脈沖超聲波傳播時(shí)由于衰減將引起主頻率向低步側(cè)的漂移，即所謂頻漂。

9/20/202453超聲波樁基檢測(cè)第二部分檢測(cè)技術(shù)超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的基本原理超聲波檢測(cè)混凝土灌注樁完整性方法的適用范圍超聲波檢測(cè)儀器與設(shè)備9/20/202454超聲波樁基檢測(cè)

采用超聲脈沖檢測(cè)混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術(shù)條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測(cè)試距離一致）的混凝土中傳播的時(shí)間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來(lái)判定混凝土的缺陷。一、超聲波法檢測(cè)混凝土缺陷的基本原理9/20/202455超聲波樁基檢測(cè)超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實(shí)度有直接關(guān)系，對(duì)于原材料、配合比、齡期及測(cè)試距離一定的混凝土來(lái)說(shuō)，聲速高則混凝土密實(shí)，相反則混凝土不密實(shí)。當(dāng)有空洞或裂縫存在時(shí)，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過(guò)空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測(cè)得的聲時(shí)必然偏長(zhǎng)或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時(shí)，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號(hào)的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)過(guò)缺陷反射或繞過(guò)缺陷傳播的脈沖波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號(hào)的波形發(fā)生畸變。9/20/202456超聲波樁基檢測(cè)根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學(xué)參數(shù)測(cè)量值和相對(duì)變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。9/20/202457超聲波樁基檢測(cè)二、超聲波檢測(cè)混凝土灌注樁完整性方法的適用范圍

基樁聲波透射法是一種檢測(cè)混凝土灌注樁完整性的有效手段，它是利用聲波的透射原理對(duì)樁身混凝土介質(zhì)狀況進(jìn)行檢測(cè)，因此僅適用于在灌注成型過(guò)程中已經(jīng)埋了兩根或兩根以上聲測(cè)管的基樁。

9/20/202458超聲波樁基檢測(cè)

在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管，通過(guò)水的耦合，超聲波從一根聲測(cè)管中發(fā)射，在另一根聲測(cè)管中接收，或單孔中發(fā)射并接收，可以測(cè)出被測(cè)混凝土介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而到達(dá)接收換能器的聲時(shí)、波幅及主頻發(fā)生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數(shù)來(lái)判別樁身的完整性。9/20/202459超聲波樁基檢測(cè)對(duì)跨孔透射法，當(dāng)樁徑較小時(shí)，聲測(cè)管間距也較小，其測(cè)試誤差相對(duì)較大，同時(shí)預(yù)埋聲測(cè)管可能引起附加的灌注樁施工質(zhì)量問(wèn)題。因此，超聲波檢測(cè)方法適用于檢測(cè)直徑不小于800mm的混凝土灌注樁的完整性，它包括跨孔透射法和單孔折射法。單孔折射波法是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)基樁的質(zhì)量要求，檢測(cè)鉆芯孔孔壁周圍的混凝土質(zhì)量。9/20/202460超聲波樁基檢測(cè)用超聲波法檢測(cè)鉆孔灌注樁完整性的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)果準(zhǔn)確可靠，不受樁長(zhǎng)、樁徑限制，無(wú)盲區(qū)（聲測(cè)管范圍內(nèi)都可檢測(cè)），可測(cè)樁頂?shù)蛷?qiáng)區(qū)和樁底沉渣厚度，樁頂不露出地面即可檢測(cè)，方便施工，也可粗略估測(cè)混凝土強(qiáng)度。

9/20/202461超聲波樁基檢測(cè)1、超聲波儀超聲波儀是混凝土灌注樁缺陷檢測(cè)的基本裝置。它的作用是產(chǎn)生重復(fù)的電脈沖并激勵(lì)發(fā)射換能器。發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合進(jìn)入混凝土，在混凝土中傳播后被接收換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)送至超聲儀，經(jīng)放大后顯示在示波屏上。自60年代開(kāi)始生產(chǎn)第一代電子管超聲儀至今已發(fā)展為第四代智能數(shù)字式超聲儀，見(jiàn)下表：三、超聲波檢測(cè)儀器與設(shè)備

9/20/202462超聲波樁基檢測(cè)超聲波儀的發(fā)展概況

超聲波儀的發(fā)展概況表3.2-19/20/202463超聲波樁基檢測(cè)超聲波儀的發(fā)展概況表3.2-1超聲檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括三大部分：即接收信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集及處理存儲(chǔ)器和徑向振動(dòng)換能器等。為了提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的工作效率，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，聲波測(cè)試儀器必須具有實(shí)時(shí)顯示波形、分析功能及一發(fā)雙收等功能。聲波發(fā)射應(yīng)采用高壓階躍脈沖或矩形脈沖，其電壓最大值不應(yīng)小于1000V，且分檔可調(diào)。數(shù)字式超聲波儀的基本工作原理框圖見(jiàn)圖2-1所示。9/20/202464超聲波樁基檢測(cè)圖2-1數(shù)字式超聲儀的基本原理

9/20/202465超聲波樁基檢測(cè)超聲波儀除了產(chǎn)生、接收、顯示超聲波外，還必須量測(cè)超聲波的有關(guān)參數(shù)，如聲傳播時(shí)間、接收波振幅、頻率等。其接收放大器與數(shù)據(jù)采集器的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：9/20/202466超聲波樁基檢測(cè)(1)儀器接收放大器頻率響應(yīng)范圍（頻帶）應(yīng)有足夠?qū)挾?，一般?～200kHz，其下限不宜降低，否則不利于濾去因換能器絕緣性能降低而產(chǎn)生的低頻信號(hào)，造成自動(dòng)判讀時(shí)丟波和錯(cuò)判現(xiàn)象。增益不應(yīng)小于100dB，放大器的噪聲有效值不大于2μs，波幅測(cè)量范圍不小于80dB，測(cè)量誤差小于1dB。(2)為滿足最大測(cè)距的要求，儀器的計(jì)時(shí)顯示范圍應(yīng)大于2000μs，保證有足夠的掃描延遲時(shí)間及聲時(shí)顯示位數(shù)，并應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，聲時(shí)顯示調(diào)節(jié)在20～30μs范圍內(nèi)，2小時(shí)內(nèi)聲時(shí)顯示的漂移應(yīng)不大于±0.2μs，且不允許發(fā)生間隔跳動(dòng)。

9/20/202467超聲波樁基檢測(cè)(3)

儀器應(yīng)有較好的接收靈敏度（即對(duì)微弱信號(hào)的接收分辨能力）。一般要求接收靈敏度≤50μν，該參數(shù)取決于儀器的放大能力和信噪比水平，提高靈敏度可以加大穿透距離，提高對(duì)微弱信號(hào)的識(shí)別能力。為滿足混凝土試件聲速測(cè)量精度的要求，測(cè)時(shí)最小分辨度為0.5μν，計(jì)時(shí)誤差不大于2％。(4)采集器模數(shù)轉(zhuǎn)換精度不應(yīng)低于8bit，采樣頻率不應(yīng)小于10MHz，最大采樣長(zhǎng)度不應(yīng)小于32kB。

9/20/202468超聲波樁基檢測(cè)(5)儀器宜具有示波屏顯示波形和游標(biāo)測(cè)讀功能，以便較準(zhǔn)確的測(cè)讀聲時(shí)、振幅及頻率等參數(shù)。若采用整形自動(dòng)測(cè)讀時(shí)，檢測(cè)混凝土測(cè)距不宜超過(guò)lm（以軟件判別方法自動(dòng)測(cè)讀的智能超聲儀除外）。(6)為了提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率，儀器應(yīng)有自動(dòng)測(cè)讀、信號(hào)采集、存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)，適于一般現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況下的溫度、電源變化條件。9/20/202469超聲波樁基檢測(cè)

常用換能器按波型不同分為縱波換能器與橫波換能器，分別用于縱波與橫波的測(cè)量。目前，一般檢測(cè)中所用的多是縱波換能器。以發(fā)射和接收縱波為目的的換能器，又分為平面換能器、徑向換能器以及一發(fā)多收技能器，見(jiàn)圖2-2。

2、徑向振動(dòng)換能器

9/20/202470超聲波樁基檢測(cè)圖2-2換能器的分類

9/20/202471超聲波樁基檢測(cè)

換能器的種類需根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)物的測(cè)試要求和測(cè)試條件確定。測(cè)樁所用的換能器應(yīng)是柱狀徑向換能器，其主頻宜為25～50kHZ，長(zhǎng)度宜為20cm。收、發(fā)換能器的導(dǎo)線均應(yīng)有長(zhǎng)度標(biāo)注，其標(biāo)注允許偏差不應(yīng)大于10mm。為提高接收換能器的靈敏度，可在換能器中安裝前置放大器。前置放大器的頻帶寬度宜為5～50kHz。由于換能器在深水中工作，其水密性應(yīng)滿足在1MPa水壓下不漏水。9/20/202472超聲波樁基檢測(cè)換能器頻率的選擇需綜合考慮測(cè)距、聲波的衰減程度、測(cè)試精度等。測(cè)距越大，衰減越大，選用換能器的頻率越低；混凝土質(zhì)量越差，強(qiáng)度越低，齡期越短，對(duì)聲波的衰減越大，使用頻率越低；在滿足首波幅度測(cè)讀精度的條件下，宜選用較高頻率換能器。對(duì)于一般的正?；炷粒瑩Q能器頻率選擇可參見(jiàn)表2-2。

9/20/202473超聲波樁基檢測(cè)表2-2換能器的分類

9/20/202474超聲波樁基檢測(cè)單孔檢測(cè)采用一發(fā)雙收一體型換能器，其發(fā)射換能器至接收換能器的最近距離不應(yīng)小于300mm，兩接收換能器的間距宜為200mm。9/20/202475超聲波樁基檢測(cè)

3、聲測(cè)管聲測(cè)管是進(jìn)行超聲脈沖法檢測(cè)時(shí)換能器進(jìn)入樁體的通道。它是灌注樁超聲脈沖檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。它在樁內(nèi)的預(yù)埋方式及其在樁的橫截面上的布置形式，將直接影響檢測(cè)結(jié)果。因此，需檢測(cè)的樁應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)將聲測(cè)管的布置和埋置方式標(biāo)入圖紙，在施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制埋置的質(zhì)量，以確保檢測(cè)工作順利進(jìn)行。

9/20/202476超聲波樁基檢測(cè)

（1）聲測(cè)管的選擇，以透聲率較大、便于安裝及費(fèi)用較低為原則。考慮到公路基樁大多數(shù)是大樁、長(zhǎng)樁，加上混凝土的水化熱作用及鋼筋籠安放和混凝土澆注過(guò)程中存在較大的作用力，容易造成檢測(cè)管變形、斷裂，從而影響檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。因此，聲測(cè)管應(yīng)采用強(qiáng)度較高的金屬管。（2）聲測(cè)管常用的內(nèi)徑規(guī)格是50～60mm。為了便于換能器在管中上下移動(dòng)，聲測(cè)管的內(nèi)徑通常比徑向換能器的外徑大10mm；當(dāng)對(duì)換能器加設(shè)定位器時(shí)，聲測(cè)管內(nèi)徑應(yīng)比換能器外徑大20mm。9/20/202477超聲波樁基檢測(cè)（3）在聲波透射法檢測(cè)中，超聲波特征值僅與收、發(fā)檢測(cè)管間連線兩邊窄帶區(qū)域（聲測(cè)剖面）的混凝土質(zhì)量密切相關(guān)。當(dāng)灌注樁的直徑增大時(shí)，每組聲測(cè)管間超聲波的混凝土檢測(cè)范圍占樁截面積比例減小，不能反映樁身截面混凝土的整體質(zhì)量狀況，因此，聲測(cè)管的數(shù)量及布置方法決定了樁身混凝土實(shí)際的檢測(cè)面積和檢測(cè)范圍，對(duì)直徑大的樁必須增加聲測(cè)管的數(shù)量。一般樁徑小于800mm時(shí)，沿直徑布置兩根聲測(cè)管，構(gòu)成一個(gè)聲測(cè)剖面；樁徑為800～1500mm時(shí)，應(yīng)按等邊三角形均勻布置三根聲測(cè)管，構(gòu)成三個(gè)聲測(cè)剖面；樁徑大于1500mm時(shí)，應(yīng)按正方形均勻布置四根聲測(cè)管，構(gòu)成六個(gè)聲測(cè)剖面，如圖2-3圖中的陰影區(qū)為檢測(cè)的控制面積。9/20/202478超聲波樁基檢測(cè)

圖2-3聲測(cè)管布置方式

9/20/202479超聲波樁基檢測(cè)

（4）由于聲測(cè)管間距隨深度的變化難以確定，各深度處的聲速只能采用樁頂二根聲測(cè)管的距離來(lái)計(jì)算，因此，為減少偏差必須將聲測(cè)管牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，并在相鄰聲測(cè)管之間焊接等長(zhǎng)水平撐桿，保持管與管之前互相平行且定位準(zhǔn)確。為避免產(chǎn)生漏漿、漏水和因焊渣造成管內(nèi)堵塞問(wèn)題，聲測(cè)管不應(yīng)采用對(duì)焊方法連接，而應(yīng)采用螺紋連接，聲測(cè)管埋設(shè)至樁底并封閉，管口高出樁頂面300mm以上并加蓋。（5）根據(jù)公路工程的特點(diǎn)和便于了解樁身缺陷存在的方位，聲測(cè)管埋設(shè)時(shí)宜將其中一根對(duì)準(zhǔn)線路前行方向。以路線前進(jìn)方向的頂點(diǎn)為起始點(diǎn)，按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行編號(hào)和分組，每二根編為一組。9/20/202480超聲波樁基檢測(cè)第三部分測(cè)試方法測(cè)試方法檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)定樁身混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)檢測(cè)報(bào)告9/20/202481超聲波樁基檢測(cè)

1、檢測(cè)前的準(zhǔn)備（1）在檢測(cè)前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，多方面收集基樁的技術(shù)資料，如工程地質(zhì)資料、基樁設(shè)計(jì)圖紙和施工記錄、監(jiān)理日志等，了解施工工藝及施工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，這對(duì)判定異常信號(hào)產(chǎn)生的真實(shí)原因十分有益。同時(shí)還應(yīng)根據(jù)調(diào)查結(jié)果和檢測(cè)的目的，制定相應(yīng)的檢測(cè)方案。檢測(cè)方案包括：工程概況，目的與任務(wù)，方法與技術(shù)，儀器設(shè)備，檢測(cè)場(chǎng)地要求，檢測(cè)人員和時(shí)間安排，檢測(cè)報(bào)告等。

一、測(cè)試方法9/20/202482超聲波樁基檢測(cè)

（2）檢測(cè)的時(shí)間應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度齡期的要求。為保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，同時(shí)考慮到混凝土在齡期14天后的超聲波波速等特性參數(shù)變化已經(jīng)趨于平緩，一般要求超聲波檢測(cè)混凝土灌注樁的齡期應(yīng)大于14天。（3）檢測(cè)前應(yīng)沖洗聲測(cè)管，以保證換能器在全程范圍內(nèi)升降順暢。聲測(cè)管內(nèi)灌滿清水做為偶合劑，因聲測(cè)管中的渾濁水將明顯甚至嚴(yán)重加大聲波衰減和延長(zhǎng)傳播時(shí)間，給聲波檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。對(duì)利用取芯孔進(jìn)行單孔超聲波混凝土質(zhì)量檢測(cè)，在檢測(cè)前也應(yīng)進(jìn)行孔內(nèi)清洗，取芯孔的垂直度誤差不應(yīng)大于0.5％。9/20/202483超聲波樁基檢測(cè)

（4）標(biāo)定超聲波檢測(cè)儀從發(fā)射至接收儀器系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)延遲時(shí)間t0。將發(fā)、收換能器平行置于清水中的同一高度，其中心間距從400mm左右開(kāi)始逐次加大兩換能器之間的距離，同時(shí)定幅測(cè)量與之相應(yīng)的聲時(shí)，再分別以縱、橫軸表示間距和聲時(shí)作圖，在聲時(shí)橫軸上的截距即為t0。為保證測(cè)試精度，兩換能器間距的測(cè)量誤差不應(yīng)大于0.5％，測(cè)量點(diǎn)不應(yīng)少于5個(gè)點(diǎn)。（5）用直徑明顯大于換能器的圓鋼疏通聲測(cè)管，并記錄深度，準(zhǔn)確量測(cè)聲測(cè)管的內(nèi)、外徑和兩相鄰聲測(cè)管外壁間的距離，量測(cè)精度為±1mm。9/20/202484超聲波樁基檢測(cè)

2、測(cè)試裝置形式灌注樁的測(cè)試裝置形式主要有：1）水平同步平測(cè)，一對(duì)換能器分別置于兩個(gè)對(duì)應(yīng)聲測(cè)管中，位于同一高度進(jìn)行測(cè)試；2）等差同步斜測(cè)，一對(duì)換能器分別置于兩個(gè)對(duì)應(yīng)聲測(cè)管中，但不在同一高度，保持一定高程差進(jìn)行測(cè)試；3）扇形掃測(cè)，一對(duì)換能器分別置于兩個(gè)對(duì)應(yīng)聲測(cè)管中，保持一個(gè)換能器高度位置固定，另一個(gè)換能器以一定的高程差上下移動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，如圖3-1。9/20/202485超聲波樁基檢測(cè)

圖3-1測(cè)試裝置示意

9/20/202486超聲波樁基檢測(cè)3、檢測(cè)方法（1）徑向換能器在水平方向具有一定的指向性，為了保證測(cè)點(diǎn)間聲場(chǎng)對(duì)樁身混凝土的覆蓋面，防止缺陷的漏檢，上、下相鄰兩測(cè)點(diǎn)的間距宜為250mm。測(cè)試時(shí)，發(fā)射與接收換能器以相同標(biāo)高同步升降，測(cè)試中，對(duì)收、發(fā)換能器所在的深度隨時(shí)校準(zhǔn)，其累計(jì)相對(duì)高程誤差控制在20mm以內(nèi)，避免由于過(guò)大的相對(duì)高程誤差而產(chǎn)生較大的測(cè)試誤差。9/20/202487超聲波樁基檢測(cè)

（2）聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁質(zhì)量中，聲時(shí)和波幅是兩個(gè)重要指標(biāo)，其中波幅對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的反應(yīng)往往比聲時(shí)更具敏感性。在實(shí)際檢測(cè)中，波幅是一個(gè)相對(duì)量，而聲時(shí)又是根據(jù)波形的起跳點(diǎn)來(lái)確定的。因此，為了使不同位置處的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性和應(yīng)用價(jià)值，在同一根樁的檢測(cè)過(guò)程中，聲波發(fā)射電壓和放大器增益等參數(shù)應(yīng)保持不變，并進(jìn)行等幅測(cè)試。

9/20/202488超聲波樁基檢測(cè)

（3）對(duì)聲時(shí)值和波幅值的可疑點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。對(duì)于聲時(shí)值和波幅值出現(xiàn)異常的部位，應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè)，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴(yán)重程度。其中水平加密細(xì)測(cè)是基本方法，而等差同步和扇形掃測(cè)主要用于確定缺陷位置和大小，其發(fā)、收換能器連線的水平夾角一般為30°～40°。9/20/202489超聲波樁基檢測(cè)（4）常規(guī)超聲波測(cè)試方法可以得到灌注樁沿樁長(zhǎng)方向的粗略質(zhì)量分布情況。CT層析成像技術(shù)配有專門的分析軟件，適宜于對(duì)局部可疑區(qū)域或重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)加密細(xì)測(cè)，并可對(duì)樁身缺陷進(jìn)行定量分析，其方法測(cè)試流程圖見(jiàn)圖3-2。（5）同一根樁中有三根以上聲測(cè)管時(shí)，以每?jī)蓚€(gè)管為一個(gè)測(cè)試剖面分別測(cè)試。并在測(cè)試過(guò)程中保持測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)不變。

9/20/202490超聲波樁基檢測(cè)

圖3-2混凝土灌注樁的測(cè)試流程

9/20/202491超聲波樁基檢測(cè)

目前樁身混凝土缺陷判別主要依據(jù)于實(shí)測(cè)聲速、波幅及其隨深度的變化曲線并根據(jù)聲速判據(jù)、波幅判據(jù)和PSD判據(jù)綜合分析樁身質(zhì)量及混凝土缺陷程度。二、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)定

9/20/202492超聲波樁基檢測(cè)

1、判斷樁內(nèi)缺陷的基本物理量在鉆孔灌注樁的檢測(cè)中所依據(jù)的基本物理量有以下四個(gè)：

（1）聲速：超聲波在混凝土中傳波的速度。當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中遇到混凝土缺陷時(shí)將產(chǎn)生繞射，此時(shí)超聲波在混凝土中傳播的時(shí)間加長(zhǎng)，計(jì)算出的聲速也降低。一般來(lái)說(shuō)聲速指標(biāo)比較穩(wěn)定，重復(fù)性好，數(shù)據(jù)有可比性，但對(duì)樁身缺陷反應(yīng)不夠敏感。9/20/202493超聲波樁基檢測(cè)

（2）波幅：超聲波在缺陷界面產(chǎn)生反射、散射，能量衰減，波幅降低。采用波幅指標(biāo)進(jìn)行缺陷判斷時(shí)，要求波幅值有可比性。即儀器、換能器、信號(hào)線等測(cè)試系統(tǒng)不變，發(fā)射電壓、采樣頻率等測(cè)試參數(shù)不變，測(cè)距相同，測(cè)試角度相同，這樣的測(cè)試數(shù)值才有可比性。波幅變化受表面耦合狀態(tài)的影響較大，因此應(yīng)保持傳感器與混凝土灌注樁之間有良好的耦合狀態(tài)。波幅變化對(duì)樁身缺陷的反應(yīng)就比較很敏感。9/20/202494超聲波樁基檢測(cè)

（3）主頻（或頻譜）：超聲脈沖是復(fù)頻波，具有多種頻率成分，當(dāng)它穿過(guò)混凝土后，各頻率成分在遇到缺陷時(shí)衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴(yán)重，因而使接收信號(hào)的主頻率向低頻端漂移（頻移）。9/20/202495超聲波樁基檢測(cè)（4）波形畸變：由于超聲脈沖在缺陷界面反射和折射，形成波線不同的波束，這些波束由于傳播路徑不同，或由于界面上產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換而形成橫波等原因，使得到達(dá)接收換能器的時(shí)間不同，因而使接收波成為許多同相位或不同相位波束的疊加波，導(dǎo)致波形畸變。實(shí)踐證明，凡超聲波在傳播過(guò)程中遇到缺陷，其接收波形往往產(chǎn)生畸變，所以波形畸變可作為判斷缺陷的一個(gè)參考依據(jù)。但是，波形畸變的原因很多，某些非缺陷因素也會(huì)導(dǎo)致波形畸變，運(yùn)用時(shí)應(yīng)慎重分析。關(guān)于波形畸變后采取怎樣的分析技術(shù)，還有待進(jìn)一步研究。9/20/202496超聲波樁基檢測(cè)

2、聲時(shí)修正值的計(jì)算當(dāng)聲波從某一聲測(cè)管傳播至另一聲測(cè)管時(shí)，將通過(guò)耦合的水和金屬聲測(cè)管，因此必須進(jìn)行聲時(shí)修正。其聲時(shí)修正的計(jì)算公式：

(3.1)式中：t‘——聲時(shí)修正值（μs）；

D——聲測(cè)管外徑（mm）；

d'——聲測(cè)管內(nèi)徑（mm）；

d'——換能器外徑（mm）；

νt——預(yù)埋聲測(cè)管的聲速值（km/s）；

νw——水的聲速值（km／s）。對(duì)鋼質(zhì)聲測(cè)管，波速一般可取5800m／s；20°C時(shí)水的聲速可取1480m/s。9/20/202497超聲波樁基檢測(cè)

3、聲時(shí)初讀數(shù)的計(jì)算超聲波在預(yù)埋聲測(cè)管之間傳播，所測(cè)得的走時(shí)包括：超聲系統(tǒng)聲時(shí)初讀數(shù)、超聲波在聲測(cè)管的耦合水里傳播的聲時(shí)、超聲波在聲測(cè)管中傳播的聲時(shí)、超聲波在混凝土中傳播的聲時(shí)。為了準(zhǔn)確計(jì)算灌注樁的混凝土波速，應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)聲時(shí)讀數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，一般采取實(shí)測(cè)聲時(shí)減去聲時(shí)初讀數(shù)的方法，獲得超聲波在混凝土中傳播的實(shí)際聲時(shí)。該聲時(shí)初讀數(shù)的計(jì)算公式是：(3.2)式中：t0——超聲系統(tǒng)聲時(shí)初讀數(shù)；

t'——聲時(shí)修正值（μs）。9/20/202498超聲波樁基檢測(cè)

4、聲時(shí)、聲速和聲速平均值

聲時(shí)、聲速和聲速平均值應(yīng)按下列公式計(jì)算，并繪制聲速-深度曲線、波幅-深度曲線。(3.3)(3.4)(3.5)

式中:ti——超聲波第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值（μs）；

t0——聲波檢測(cè)系統(tǒng)延遲時(shí)間（μs）；

νi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值（km／s）；

l——兩根檢測(cè)管外壁間的距離（mm）；

νm——混凝土聲速平均值（km／s）；

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)。

9/20/202499超聲波樁基檢測(cè)

鑒于目前所用的換能器頻帶窄和用頻率判定樁身混凝土缺陷的方法還不成熟。因此，未將聲波頻率-深度曲線作為樁身混凝土完整性的主要判定指標(biāo)之一。9/20/2024100超聲波樁基檢測(cè)5、單孔折射法為了測(cè)試單根聲測(cè)管或驗(yàn)證取芯孔周圍的混凝土質(zhì)量，往往采用一發(fā)雙收的一體化徑向還能器。測(cè)試時(shí)，其聲時(shí)、聲速值應(yīng)按下列公式計(jì)算：(3.6)(3.7)式中：νi——第i測(cè)點(diǎn)的聲速值（km/s）Δt——兩個(gè)接受換能器間的聲時(shí)差(μs);

t１——近道接收換能器聲時(shí)(μs);

t2——遠(yuǎn)道接收換能器聲時(shí)(μs);

h——兩個(gè)接收換能器間的距離（mm）。9/20/2024101超聲波樁基檢測(cè)

三、樁身混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)

1、強(qiáng)度評(píng)價(jià)混凝土強(qiáng)度的評(píng)價(jià)是建立在波速與混凝土物理力學(xué)指標(biāo)之間相關(guān)性的基礎(chǔ)上。聲速可通過(guò)混凝土彈性模量與其力學(xué)強(qiáng)度的內(nèi)在聯(lián)系，與混凝土抗壓強(qiáng)度建立相關(guān)關(guān)系，并推定混凝土的強(qiáng)度。表3-1表示混凝土強(qiáng)度與聲速之間的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)聲速小于3500m／s時(shí)，說(shuō)明混凝土質(zhì)量較差。9/20/2024102超聲波樁基檢測(cè)

混凝土強(qiáng)度與聲速關(guān)系參考表表3-19/20/2024103超聲波樁基檢測(cè)

在恒定泊松比情況下，混凝土彈性模量與壓縮波速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如圖3-3所示，混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系如圖3-4所示。在已知混凝土構(gòu)件的彈性波速度層析圖后，根據(jù)圖3-3可換算出混凝土的彈性模量，再根據(jù)圖3-4可換算出混凝土的抗壓強(qiáng)度并評(píng)定混凝土的質(zhì)量。9/20/2024104超聲波樁基檢測(cè)

圖3-3混凝土彈性模量與波速關(guān)系圖3-4彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系9/20/2024105超聲波樁基檢測(cè)

目前，在國(guó)內(nèi)一般采用統(tǒng)計(jì)方法建立專用曲線或數(shù)學(xué)表達(dá)式，如兩種非線性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中e為動(dòng)彈性模量，v為波速，為立方體抗壓強(qiáng)度，A、B、C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。9/20/2024106超聲波樁基檢測(cè)

2、樁身混凝土缺陷聲速判據(jù)

聲速臨界值的確定基于概率法，即無(wú)缺陷的混凝土聲速測(cè)值雖因其本身的不均勻性造成一定的離散性，但符合正態(tài)分布；由缺陷造成的低聲速值-異常值不符合正態(tài)分布。因此，確定臨界值時(shí)必須采用正?；炷恋穆曀倨骄导皹?biāo)準(zhǔn)差，否則，求得的聲速平均值將偏小，易造成漏判。同時(shí)還應(yīng)分析考慮聲測(cè)管間不平行產(chǎn)生的誤差影響。聲速是材料的基本物理量之一，它與混凝土強(qiáng)度相關(guān)，實(shí)測(cè)聲速應(yīng)大于或等于聲速低限值。聲速低限值由同條件混凝土試件做強(qiáng)度和速度對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。聲速低限值相對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度不宜低于0.9R（R為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度），若試件為鉆孔芯樣，則不宜低于0.85R。9/20/2024107超聲波樁基檢測(cè)

當(dāng)實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速臨界值時(shí)應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.8)

式中：νi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值（km/s）;

νD——聲速臨界值(km/s);9/20/2024108超聲波樁基檢測(cè)聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值與2倍聲速標(biāo)準(zhǔn)差之差，即：(3.9)(3.10)(3.11)

式中：νD——聲速臨界值（km/s）;

——正?；炷谅曀倨骄?km/s);

σν——正?；炷谅曀贅?biāo)準(zhǔn)差；

νi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值(km/s)

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)。9/20/2024109超聲波樁基檢測(cè)

當(dāng)檢測(cè)剖面n個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速值普遍偏低且離散性很小時(shí)，宜采用聲速低限值判據(jù)。即實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速低限值時(shí)，可直接判定為異常。(3.12)式中：νi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值(km/s);νL——聲速低限值(km/s)。聲速低限值應(yīng)由預(yù)留同條件混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與聲速對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。9/20/2024110超聲波樁基檢測(cè)

3、樁身混凝土缺陷波幅判據(jù)

波幅是相對(duì)測(cè)試，也曾有人試圖用概率統(tǒng)計(jì)理論來(lái)確定臨界值，但由于樁身混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變異性很大而難以找出較強(qiáng)的波幅統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，因而實(shí)際中多是根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)將波幅值的一半定為臨界值。

9/20/2024111超聲波樁基檢測(cè)

用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)波幅低于波幅臨界值時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.13)(3.14)式中：AＤ——波幅臨界值（dB）；Am——波幅平均值（dB）；Ai——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)波幅值（dB）。

9/20/2024112超聲波樁基檢測(cè)

PSD法是基于缺陷處聲時(shí)的變化引起聲時(shí)深度曲線的斜率明顯增大，而聲時(shí)差的大小又與缺陷程度密切相關(guān)，因此兩者之積對(duì)缺陷的反映更加明顯，即(3.15)3、樁身混凝土缺陷波幅判據(jù)

9/20/2024113超聲波樁基檢測(cè)

采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當(dāng)PSD值在某測(cè)點(diǎn)附近變化明顯時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.16)式中：ti——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值（μs）;ti-1——第i－１個(gè)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值(μs);zi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)深度(m);zi-1——第i－l個(gè)測(cè)點(diǎn)深度（m）。9/20/2024114超聲波樁基檢測(cè)

5、混凝土聲速、波幅和PSD值出現(xiàn)異常對(duì)于混凝土聲速和波幅值出現(xiàn)異常并判為可疑缺陷區(qū)的部位，應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè)，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴(yán)重程度。對(duì)聲速、波幅和PSD值超越臨界值異常或突變時(shí)，應(yīng)對(duì)缺陷處進(jìn)行細(xì)測(cè)。同時(shí)結(jié)合波形、施工工藝和施工記錄等有關(guān)資料進(jìn)行綜合分析，以確定樁身混凝土缺陷的位置和程度。當(dāng)聲速普遍低于低限值時(shí)，應(yīng)通過(guò)鉆孔取芯法檢驗(yàn)基樁的混凝土強(qiáng)度。9/20/2024115超聲波樁基檢測(cè)

6、支承樁或嵌巖板對(duì)支承樁或嵌巖樁，宜同時(shí)采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁端的支承情況。由于超聲波只能檢測(cè)樁身部分的混凝土質(zhì)量，對(duì)于支承樁或嵌巖樁，宜同時(shí)采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁端的支承情況，確保基樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。9/20/2024116超聲波樁基檢測(cè)

7、樁身完整性類別判定Ⅰ類樁：各聲測(cè)剖面每個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速、波幅均大于臨界值，波形正常。Ⅱ類樁：某一聲測(cè)剖面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的聲速、波幅略小于臨界值，但波形基本正常。Ⅲ類樁：某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值，PSD值變大，波形畸變。IV類樁：某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴(yán)重畸變。9/20/2024117超聲波樁基檢測(cè)

四、檢測(cè)報(bào)告試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告應(yīng)包含下列內(nèi)容：

1．工程地質(zhì)勘察報(bào)告；2．工程樁位