簡述超聲波技術(shù)在高速公路施工檢測中的應(yīng)用

王志軍 馮云

摘要：從一些模擬實驗和大量工程實測結(jié)果來看，采用超聲波技術(shù)檢測高速公路工程特別是鉆孔灌注樁混凝土缺陷可達(dá)到其他檢測手段無法達(dá)到的獨(dú)特檢測效果。本文概述了超聲波無損檢測技術(shù)的原理和技術(shù)，并提出了超聲波技術(shù)在高速公路施工檢測中應(yīng)用的注意事項。

關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù)；灌注樁；檢測

一、超聲波無損檢測技術(shù)原理

超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率的聲波，它在傳輸過程中服從于波的傳輸規(guī)律。超聲波路面檢測技術(shù)主要是通過發(fā)射超聲波到材料介質(zhì)，接收反射波的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部破損情況的一種新型無損檢測方法。在介質(zhì)中不同位置設(shè)置傳感器，測量超聲波在一定距離內(nèi)傳播的時間，利用速度、時間與位移的關(guān)系計算波速，利用速度與介質(zhì)相關(guān)參數(shù)的關(guān)系可以測定材料的有關(guān)參數(shù)如彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等，還可用來檢測材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。

構(gòu)成鉆孔灌注樁樁身的材料混凝土是由多種材料組成的非均質(zhì)非單相的多孔結(jié)構(gòu)，在力學(xué)特性上是一種粘—彈—塑性的凝聚體。因此，混凝土內(nèi)部有著較大的聲阻抗差異并存在許多聲學(xué)界面。超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實程度有直接關(guān)系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實，相反則混凝土不密實。當(dāng)有空洞或裂縫存在時，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。

另外，由于空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗率，超聲脈沖波在混凝土中傳播時，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，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或者頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達(dá)波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發(fā)生畸變。

根據(jù)上述原理，可以利用超聲脈沖波在混凝土中傳播時聲學(xué)參數(shù)（聲時、波幅、頻率等）和波形的變化綜合分析、判別混凝土缺陷的位置和范圍，或者估算缺陷的尺寸。

二、超聲波技術(shù)的基本方法

聲波透射法檢測樁身混凝土質(zhì)量，是在樁身中預(yù)埋2根～4根聲測管。將超聲波發(fā)射、接收探頭分別置于2根導(dǎo)管中，進(jìn)行聲波發(fā)射和接收，使超聲波在樁身混凝土中傳播，用超聲儀測出超聲波的傳播時間t、波幅A及頻率f等物理量，借助這些物理量來判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性。

1、現(xiàn)場測試裝置。聲波透射法試驗裝置包括超聲檢測儀、超聲波發(fā)射及接收換能器（亦稱探頭）、預(yù)埋測管等，也有加上換能器標(biāo)高控制絞車和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。

2、聲測管布置方式。樁徑0.6m～1.0m應(yīng)埋設(shè)雙管（見圖1a））；1.0m～2.5m應(yīng)埋設(shè)三根管（見圖1b））；樁徑2.5m以上應(yīng)埋設(shè)四根管（見圖1c））。

三、超聲波技術(shù)在高速公路施工檢測中的應(yīng)用

某高速公路混凝土灌注樁被檢測樁為K8+940處1號-3號，樁徑1.2m，樁底標(biāo)高-27m，C20混凝土翻漿灌注，鋼管聲測管采取的三角形布置方式，A—B剖面兩聲測管外壁距離75cm，A—C剖面兩聲測管外壁距離78cm，B—C剖面兩聲測管外壁距離80cm。換能器采用壓電陶瓷式徑向換能器，其長度約20cm，檢測所用聲波儀為RSMSY5非金屬聲波儀。

通過檢測數(shù)據(jù)的基本分析，對樁的質(zhì)量進(jìn)行初步判斷；然后結(jié)合聲時、聲速和聲幅的不同判斷方法對樁身進(jìn)行質(zhì)量的綜合判斷。利用聲幅作為判據(jù)可以看出在樁身的各個剖面均存在一定程度的缺陷，甚至個別測點(diǎn)處的缺陷還較為嚴(yán)重，而利用聲時結(jié)合聲幅作為判據(jù)時，可看出除了在A—B剖面的0m～3.2m左右的區(qū)域內(nèi)存在缺陷外，其他部分樁身基本完好，只是在部分測點(diǎn)處聲速偏小，造成這種情況的原因可歸咎于檢測時混凝土的齡期較短，部分混凝土的強(qiáng)度尚未完全達(dá)到一定的強(qiáng)度值。結(jié)合聲幅、聲速和聲時判據(jù)可對該樁做出如下判斷：當(dāng)利用不同的判據(jù)得出各個測點(diǎn)的判據(jù)曲線均滿足要求時，則在該測點(diǎn)處樁身質(zhì)量完好；當(dāng)利用聲幅作為判據(jù)得出該測點(diǎn)處存在缺陷而利用聲時、聲速作為判據(jù)得出該處不存在缺陷時，可認(rèn)為該處不存在缺陷。造成這種現(xiàn)象的原因是由于：用聲幅作為判據(jù)時，判據(jù)過于嚴(yán)格，往往會出現(xiàn)重判現(xiàn)象。當(dāng)用不同的判據(jù)進(jìn)行判斷時，若均出現(xiàn)異常情況，則可斷定該處存在缺陷。對于缺陷處進(jìn)行重復(fù)檢測、分析和判斷。綜合以上分析可看出，除在樁頂及A—B剖面的0m～3.2m左右處存在缺陷外，其余部分樁的質(zhì)量基本完好。根據(jù)《規(guī)范》要求，該樁可判為二類樁。由現(xiàn)場鉆芯取樣分析結(jié)果可知，上述判斷是基本正確的，因而該檢測和分析方法是可行的，可在實際工程中應(yīng)用推廣。

四、超聲波檢測中的一些注意事項

（一）超聲波傳播速度的快慢

超聲波傳播速度的快慢與混凝土的密實程度有直接關(guān)系，混凝土密實則聲速高，反之，聲速則低。而且混凝土中的超聲波傳播速度與混凝土的強(qiáng)度有關(guān)，而混凝土的強(qiáng)度又與混凝土的齡期密切相關(guān)，因此，混凝土中的超聲傳播速度是混凝土齡期的函數(shù)。超聲波在混凝土中的傳播速度，與混凝土強(qiáng)度沒有嚴(yán)格的經(jīng)科學(xué)推導(dǎo)的數(shù)學(xué)公式?，F(xiàn)在使用的一些數(shù)學(xué)公式或稱為關(guān)系式，是些專家、學(xué)者通過大量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納而來的。正是這樣，不同地方、不同研究人員得到的關(guān)系式是不同的。在一般情況下，超聲波檢測不提供混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

（二）檢測齡期

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短就進(jìn)行超聲波檢測時，樁頂3m左右范圍內(nèi)往往出現(xiàn)波速偏低、波幅偏小現(xiàn)象。那是因為樁頂3m左右以下的混凝土受上部混凝土重力的壓實作用，密實程度就比樁頂高，而樁頂3m以內(nèi)的混凝土受外力較小。建議在樁身混凝土養(yǎng)護(hù)14d以上進(jìn)行超聲波檢測，寒冷季節(jié)、寒冷地區(qū)應(yīng)加長養(yǎng)護(hù)齡期，以便于采集、便于分析高質(zhì)量的檢測資料，或結(jié)合實際的資料和經(jīng)驗確定合適的檢測齡期。

（三）缺陷范圍

聲測管緊貼鋼筋籠內(nèi)側(cè)埋設(shè)，當(dāng)縮頸沒有縮到鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，這時，聲波從發(fā)射換能器到達(dá)接收換能器，沒有穿透有缺陷的混凝土，對這種縮頸，超聲波檢測是不容易檢測到的。

對于一些灌注樁，樁身存在孔洞或蜂窩狀孔洞缺陷，且缺陷部位在飽含水的砂層中，由于水的滲透作用，地下水進(jìn)入孔洞，聲波穿透缺陷時，聲波并不是穿透混凝土和空氣，而是穿透混凝土和水，這時聲波的傳播方向沒有改變，只不過聲波的傳播時間稍長于在無缺陷的混凝土中的傳播時間，如果缺陷范圍不大，是不易被檢測出來的。

（四）超聲波法與鉆孔取芯法相互應(yīng)證

某橋5-2樁設(shè)計樁徑為1.5m，預(yù)埋3根聲測管。超聲波檢測發(fā)現(xiàn)樁頂以下3.5m處砼嚴(yán)重夾砂。用鉆孔取芯法驗證時，卻反映為完整樁。開挖檢查證實超聲波法結(jié)果正確，缺陷部位正好處于流砂層，2根聲測管被流砂包裹住，所以聲測結(jié)果顯示的缺陷截面有點(diǎn)偏大。而鉆孔部位靠近樁的中心，避開了缺陷范圍，沒有反映樁身真實情況。因此鉆芯取樣位置應(yīng)盡量選擇在聲測過程中發(fā)現(xiàn)問題的界面附近。超聲檢測中發(fā)現(xiàn)異常情況時不能盲目定性，必須結(jié)合地質(zhì)及相關(guān)資料，綜合不同的檢測方法合理判定基樁質(zhì)量。

（五）聲測管問題

聲測管是進(jìn)行聲測時換能器進(jìn)入樁體的通道。它是灌注樁超聲脈沖檢測系統(tǒng)的重要組成部分，其在樁內(nèi)的預(yù)埋方式及在樁橫截面上的布置形式將直接影響檢測結(jié)果。因此，應(yīng)將聲測管的布置和埋置方式標(biāo)入檢測樁的設(shè)計圖紙，聲測管的埋置數(shù)量及在樁橫截面上的布局應(yīng)考慮檢測的控制面積。

在實測中常遇到聲測管堵塞或卡住探頭的情況，這是由聲測管安裝不當(dāng)造成的。聲測管一般隨鋼筋籠分段安裝，每段之間的接頭可采用反螺紋套筒接口或套管焊接，保證在較高的靜水壓力下不漏漿，接口內(nèi)壁保持平整，安裝完后封閉管口。聲測管安裝不平行也是常見問題，由于在施工中鋼筋籠容易出現(xiàn)扭曲變形而導(dǎo)致聲測管位移甚大，因而導(dǎo)致檢測的聲時值、均方差、離散系數(shù)、平均聲速等產(chǎn)生偏離，可采用PSD法判斷來消除這些非缺陷因素的影響。聲測管中的渾濁水將明顯甚至嚴(yán)重加大聲波衰減和延長傳播時間，給聲波檢測帶來誤差。因此，檢測前應(yīng)沖洗檢測管并灌滿清水作為耦合劑。

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