超聲波透射法檢測(cè)水下基樁芻議

孫慶武

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原030024；2.山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 太原 030002）

超聲波透射法檢測(cè)水下基樁芻議

孫慶武1，2

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原030024；2.山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 太原 030002）

利用超聲波透射法檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)完整性的水下基樁，具有速度快、成本低、無損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。但其測(cè)試信號(hào)的判讀具有多解性，在檢測(cè)過程中存在諸多因素，影響檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷，需要檢測(cè)分析人員具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從超聲波檢測(cè)原理出發(fā)，結(jié)合自身實(shí)踐闡述實(shí)測(cè)信號(hào)分析方法。

樁基檢測(cè)；超聲波透射法；實(shí)測(cè)信號(hào)分析

1 引言

水利工程地質(zhì)復(fù)雜，地層多樣、夾層多，樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于水工建筑中，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量對(duì)水工建筑具有重要的影響。由于基樁多是水下的隱蔽工程，所以如何對(duì)水下鉆孔樁的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)、如實(shí)地反映樁基的質(zhì)量，是保證樁基工程項(xiàng)目建設(shè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著受影響區(qū)域人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。

樁基檢測(cè)主要包括基樁樁身質(zhì)量檢測(cè)（包括樁身強(qiáng)度檢測(cè)和樁身完整性檢測(cè)）和基樁承載力檢測(cè)。主要對(duì)水下基樁樁身質(zhì)量檢測(cè)中超聲波透射法進(jìn)行分析。

2 超聲波透射法檢測(cè)基樁的歷史

20世紀(jì)60年代，混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用于工程檢測(cè)。通過人們對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)的不斷探索與研究，超聲檢測(cè)技術(shù)迅速升溫，檢測(cè)中應(yīng)用的范圍和程度有了不斷的擴(kuò)展。從地上的混凝土檢測(cè)擴(kuò)展到地下的混凝土檢測(cè)；從小體積的構(gòu)件檢測(cè)擴(kuò)展到大體積的構(gòu)件檢測(cè)；從單一對(duì)混凝土的測(cè)量強(qiáng)度檢測(cè)擴(kuò)展到測(cè)量厚度、測(cè)量裂縫、測(cè)量缺陷檢測(cè)；從最初的1m擴(kuò)展到20m；如果在施工中加上輔助裝置，就能達(dá)到人們想要的深度。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使的超聲檢測(cè)、分析一體化、自動(dòng)化，數(shù)據(jù)的研發(fā)、處理、分析、判斷技術(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性、時(shí)效性迅速提高。得到了建筑、交通、水利、鐵道等各種混凝土工程的的廣泛應(yīng)用。

3 基樁超聲波透射法檢測(cè)的聲學(xué)參數(shù)

超聲波透射法檢測(cè)基樁，是將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器放置于預(yù)埋好的聲測(cè)管中，管中注滿耦合劑（清水）。超聲脈沖發(fā)射換能器重復(fù)地發(fā)射高頻彈性脈沖波，并用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄下接收換能器接受的超聲脈沖波的聲速、波幅、頻率、波形等波動(dòng)特征。當(dāng)基樁內(nèi)的混凝土有重復(fù)連續(xù)性差或混凝土存在缺陷界面時(shí)，聲阻抗就會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致設(shè)備接收到的參數(shù)出現(xiàn)異常。如果基樁內(nèi)部還存在大型的缺陷，如蜂窩、麻面和空洞等等，聲波會(huì)繞開這些缺陷繼續(xù)傳播，導(dǎo)致接收參數(shù)出現(xiàn)不同異常。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)接收信號(hào)的匯總、比對(duì)、分析等，判斷混凝土中存在的缺陷類型。

3.1 聲波傳送速度變化分析

如果超聲波在混凝土中傳輸?shù)臅r(shí)候碰到不同于混凝土的介質(zhì)，或者介質(zhì)本身的均勻程度與密實(shí)程度有所變化的時(shí)候，都會(huì)影響到超聲波在混凝土中的傳輸速度，從而導(dǎo)致聲波產(chǎn)生變化。

基樁混凝土的強(qiáng)度和彈性模量越高，混凝土內(nèi)部就越密實(shí)，聲波傳遞的速度就越快，聲速也就越高。若在超聲波檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)某處的聲速要比正?；炷撩嫣幍穆曀俚?，則該處的基樁混凝土內(nèi)部存在缺陷，因?yàn)槌暡ㄓ龅饺毕輹?huì)發(fā)生繞射，這樣聲波傳輸?shù)穆烦虝?huì)加長(zhǎng)，所以聲波傳輸需要的時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)。

3.2 聲波波幅變化分析

聲壓是介質(zhì)壓強(qiáng)受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，為介質(zhì)壓強(qiáng)的余壓。是受聲波擾動(dòng)后介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)，在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)，與沒有受擾動(dòng)時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差，相當(dāng)于在介質(zhì)壓強(qiáng)上再疊加一個(gè)擾動(dòng)引起的壓強(qiáng)變化。接收波幅與被測(cè)處聲壓成正比，因此超聲波接收器顯示的聲波波幅衰減情況，在一定程度上能夠反映超聲波在混凝土中傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度。通過聲壓的測(cè)量可以間接求得質(zhì)點(diǎn)速度等其它相關(guān)物理量，同樣通過超聲波波幅的衰減情況能夠推斷混凝土的粘塑性能，混凝土強(qiáng)度與混凝土的粘塑性能呈正相關(guān)，因此超聲波波幅能夠體現(xiàn)出混凝土的強(qiáng)度。若在超聲波檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)某處的波幅要比正?；炷撩嫣幍牟ǚ停瑒t該處基樁混凝土內(nèi)部存在一定的缺陷。因超聲波傳遞到缺陷處會(huì)發(fā)生折射、繞射與散射等情況，造成超聲波能量的分散，使得接收波能量大大下降，波幅收窄。

3.3 超聲波頻率變化分析

超聲波是一種機(jī)械波，發(fā)送時(shí)有確定的波長(zhǎng)、波幅與頻率。在基樁的超聲波檢測(cè)過程中，電磁激發(fā)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一種多頻成分的復(fù)頻超聲波脈沖，一些頻率在混凝土的傳輸過程中會(huì)被過濾掉，如高頻的超聲波是直線傳播，容易被散射或吸收。除此之外，超聲波的接收也與超聲波傳播的距離和混凝土中存在的缺陷（如蜂窩麻面等）有關(guān)。所以，通過對(duì)比超聲波頻率的變化也能夠發(fā)現(xiàn)混凝土中缺陷與裂縫等情況，從而推斷混凝土是否密實(shí)。如果在超聲波檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)高頻超聲波損失較多，導(dǎo)致接收超聲波的主頻向低頻偏移，那么說明則該處的基樁混凝土內(nèi)部存在缺陷。

3.4 超聲波波形轉(zhuǎn)換分析

超聲波波形分為橫波與縱波。不同波形的傳播速度是不一樣，且超聲波以不同角度或在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，尤其是混凝土中遇到缺陷面時(shí)，更容易發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。分辨不同波形需要操作人員通過檢測(cè)、觀察、記錄才能分辨出來。通過多個(gè)工程的超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射單一功能的換能器中，發(fā)出的波也不只有一種成分。如縱波的超聲波換能器發(fā)射出來的波中也包含有橫波的成本，就算縱波角度控制的再好，也難免在混凝土傳遞中反射出一定的橫波，所以在接收到的波形圖中，不僅有縱波，也有橫波。不過橫向與縱向超聲波的傳播速度是不一樣的，縱波始終要比橫波快很多，首波傳遞接收到以后才會(huì)發(fā)現(xiàn)縱波與橫波重疊的波形。肉眼對(duì)縱波與橫波重疊的波形進(jìn)行鑒別是比較困難的，因此對(duì)于超聲波檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，通常只采用首先返回來的縱向超聲波波形圖。

4 基樁超聲波透射法檢測(cè)曲線的判斷

按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行超聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，繪制聲速－深度曲線和波幅－深度曲線，計(jì)算聲速異常判斷臨界值，計(jì)算幅度異常判斷臨界值。

數(shù)據(jù)分析的原則為：曲線顯示各聲測(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，稱為Ⅰ類完整樁，可正常使用；曲線顯示某一聲測(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，稱為Ⅱ類輕微缺陷樁，不影響正常使用；曲線顯示某一聲測(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、波幅小于臨界值，功率譜密度值（PSD）變大，波形畸變，稱為Ⅲ類較嚴(yán)重缺陷樁，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響；曲線顯示某一聲測(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、波幅明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴(yán)重畸變，稱為Ⅳ類嚴(yán)重缺陷樁，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有嚴(yán)重影響。

在超聲波透射法檢測(cè)基樁完整性過程中，發(fā)現(xiàn)曲線采集有問題時(shí)，不能完全確定該基樁存在問題，需要重新測(cè)量管距再次加密測(cè)量或采用扇形檢測(cè)，觀察兩次采集的數(shù)據(jù)是否一致；采用斜側(cè)的方法對(duì)缺陷位置再次進(jìn)行檢測(cè)；最終確定的基樁混凝土缺陷情況嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)通過低應(yīng)變方法和鉆心法進(jìn)一步驗(yàn)證基樁中混凝土的缺陷位置，缺陷位置為淺部缺陷，且地下水位在缺陷位置以下的還可以采用開挖的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語

用超聲波檢測(cè)基樁混凝土質(zhì)量具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果可靠，缺陷的位置判斷準(zhǔn)確；不受基樁的樁長(zhǎng)與樁徑的影響與限制；聲測(cè)管埋到的地方都能檢測(cè)到，能準(zhǔn)確的判斷低強(qiáng)區(qū)和沉渣的厚度。缺點(diǎn)是：在施工的前期需要埋置聲測(cè)管，否則后期不能采用此方法進(jìn)行檢測(cè)；由于需要埋置聲測(cè)管，所以造價(jià)相對(duì)較高。

用超聲波透射法檢測(cè)水下基樁混凝土質(zhì)量，結(jié)果判斷準(zhǔn)確、檢測(cè)方法簡(jiǎn)單可靠，因此可以廣泛推廣使用。

TB553

C

1004-7042（2017）07-0044-02

孫慶武（1979-），男，太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)碩士研究生在讀。

2017-05-11；

2017-06-22