耦合介質(zhì)對基樁超聲波檢測的影響

賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

耦合介質(zhì)對基樁超聲波檢測的影響

賀映全，范 瑛，鄭 光，張 雷

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

通過實(shí)驗(yàn)測定超聲波檢測波速波幅與泥漿密度的關(guān)系，并且結(jié)合具體工程檢測數(shù)據(jù)，對比分析耦合介質(zhì)對基樁超聲波檢測的影響。結(jié)果表明，當(dāng)泥漿密度小于一定數(shù)值時(shí)，耦合劑對超聲波的檢測參數(shù)影響很小，但是在超過這一數(shù)值的情況下，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對超聲波檢測參數(shù)的影響越來越大，波幅和波速值越來越小，從而影響了工程檢測人員對檢測數(shù)據(jù)的分析和判斷。

超聲波；樁基檢測完整性；耦合劑；超聲波檢測參數(shù)

超聲波無損檢測技術(shù)在檢測灌注樁的過程中主要是通過觀測和分析聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的波形、聲速、幅度、頻率等來判定被檢測物體的缺陷［1－2］。但是除了缺陷會對超聲波傳播產(chǎn)生影響外，一些非缺陷的因素也會對超聲檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。經(jīng)過對比試驗(yàn)，影響超聲檢測的非缺陷因素主要有：耦合介質(zhì)、混凝土齡期、超聲脈沖頻率、測距［3－4］。根據(jù)混凝土灌注樁聲波透射法檢測的工作原理，聲測管要灌入清水作為發(fā)收換能器和混凝土之間的耦合劑。如果灌入的是泥漿水，水中泥漿中的泥、砂等雜質(zhì)懸浮顆粒向不同方向產(chǎn)生散射，導(dǎo)致聲波減弱，接收聲波能量降低，聲速、波幅偏?。?］。由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，再加上天氣原因，流入聲測管的污水或污泥，使耦合劑中含有大量雜質(zhì)。聲測管中渾濁水將顯著影響超聲檢測結(jié)果，如果在檢測過程中不加以分析并區(qū)別，很容易給檢測人員帶來誤判和漏判［6－7］。

1 耦合介質(zhì)水對基樁超聲波檢測的影響

1.1 散射衰減

散射衰減是一個(gè)很復(fù)雜的過程，它既和介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)，又與介質(zhì)中固體顆粒的性質(zhì)、形狀和數(shù)量有關(guān)，在大顆粒和高頻超聲波條件下產(chǎn)生的作用尤為顯著［8，9］。對于理論研究而言，一般都會做比較粗略的近似估算，即把這些粒子當(dāng)作完全剛性的、半徑為r的球狀物體。在這一設(shè)定條件下，如果單位體積中含有n個(gè)散射粒子，由瑞利理論［10］知。散射衰減系數(shù)

式中，f為超聲波波數(shù)，r為介質(zhì)中顆粒的尺寸大小，n為單位體積內(nèi)粒子數(shù)目，c為聲速。

從上式可以看到，超聲波在非均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，散射衰減系數(shù)αs與介質(zhì)中顆粒的數(shù)目n有關(guān)，其大小尺寸的三次方成正比。也就是說在一定的介質(zhì)體系中，超粒子數(shù)目越多，換能器接收到的信號越弱，使散射衰減系數(shù)增大，進(jìn)而超聲波波速波幅會減小。

1.2 實(shí)驗(yàn)測定超聲波檢測波速波幅與泥漿密度的關(guān)系

研究泥漿的密度對超聲波波速和波幅的影響，需要在泥漿粒徑值一定和超聲波頻率一定的條件下進(jìn)行。為了研究方便，將泥漿的粒徑值固定為10－6m，超聲波頻率45kHz時(shí)，取泥漿密度分別為1.005 g／cm3、1.010g／cm3、1.015g／cm3、1.020g／cm3、1.025g／cm3、1.030g／cm3、1.035g／cm3、1.040g／cm3、1.045g／cm3、1.050g／cm3雜質(zhì)的水作為耦合劑，對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的兩組C30混凝土試塊進(jìn)行檢測。以泥漿密度為變量得出超聲波速度與泥漿密度的關(guān)系曲線和超聲波波幅與泥漿密度的關(guān)系曲線。

圖2 不同泥漿密度時(shí)超聲波波幅變化

從圖1和圖2中可見，當(dāng)泥漿密度從1.005g／cm3逐漸升高到1.015g／cm3的過程中，各組試塊的超聲波波速和波幅幾乎沒有發(fā)生變化。這是因?yàn)槟酀{密度很小，粒子間的相互作用很微弱，此時(shí)可以忽略粒子間的相互作用。隨著泥漿密度從1.015g／cm3逐漸升高到1.050g／cm3，波速和波幅都發(fā)生了不同程度的減小，其波幅減小的程度比波速要大，這是因?yàn)楫?dāng)泥漿密度達(dá)到一定值時(shí)，泥漿離子間的相互作用較大，不能忽略，此時(shí)會產(chǎn)生多次散射波和黏滯的損耗，能量的損失對波幅的影響很明顯。

以上是對聲測管中均含有雜質(zhì)的檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，如圖3中11、12、13剖面為雙管泥漿?？紤]到在現(xiàn)場施工過程中，可能只有一根聲測管中混入了泥漿雜質(zhì)水，而其他聲測管都是清水的情況，如圖3中12、13剖面為單管泥漿，單管泥漿情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 單管泥漿密度與超聲波波速波幅數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，受單管泥漿水的影響，波速與波幅值隨著泥漿密度的增加逐漸減小，其中在不同密度下的平均波速不低于4m／s，平均波幅的變化也沒有圖2明顯，參數(shù)變化趨勢大致與圖1和圖2一致，表明了單管泥漿水對樁基檢測結(jié)果的影響程度小于耦合劑都是雜質(zhì)水的情況。

圖3聲測管中均含有雜質(zhì)

圖4部分聲測管中有雜質(zhì)

2 聲測管中滲入泥漿案例分析

超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播，遇到不同聲阻抗的介質(zhì)組成的界面時(shí)，聲波會向不同方向散射，使其沿著相對復(fù)雜的路徑繼續(xù)傳播下去，最終一部分聲波傳播到了超聲波換能器，由超聲波換能器檢測到回波信號，而另一部分聲波可能到達(dá)不了超聲換能器，導(dǎo)致聲波能量的損耗［11－12］。在含有不同密度泥漿耦合介質(zhì)水的聲測管中，各種細(xì)小的固體顆粒大量存在，使得超聲波檢測在聲測管中就發(fā)生衰減，也延長了超聲波的傳播時(shí)間，造成波速和波幅的急劇下降，波形嚴(yán)重畸變或無法接受波形，從而影響檢測結(jié)果［13－14］?，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例，對聲測管中滲入泥漿的不同情況進(jìn)行分析。

超聲波樁基檢測正常波形圖形

圖5為典型超聲波樁基檢測正常波形圖形。從波形圖可以看出檢測剖面波速v、波幅A曲線各測點(diǎn)測值離散性不大，且波速平均值在4.5m／s，屬混凝土正常取值。實(shí)測波形首波陡峭，后續(xù)波波幅增大，主頻漂移不大，且該漂移量較穩(wěn)定。綜合以上特征，該樁樁身完整性判定為Ⅰ類樁。

案例：武漢市某改造工程高架橋建設(shè)中一根水下成孔灌注樁，該樁樁長37m，樁徑1200mm，混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號C35，樁身埋設(shè)三根聲測管，且呈三角形布置，12、13、23剖面的測管距離分別為：810 mm、800mm、810mm。圖6、圖7和圖8為該樁超聲波檢測波形圖形。

表2 聲測管中含有泥漿成孔灌注樁超聲波各檢測剖面的測試值

從波形圖可以看出，該樁波速波幅變化均勻，與正常實(shí)測波形相比，波速波幅在數(shù)值上都偏小，其中12剖面對比13、23剖面，波速與波幅在數(shù)值上小得多，而一般的波速范圍在4.4～4.8m／s。三個(gè)檢測剖面測試數(shù)據(jù)在35～37m處同時(shí)出現(xiàn)異常，波速明顯偏小，波幅明顯偏低，且都小于臨界值，經(jīng)過對36m處測點(diǎn)波形圖分析，發(fā)現(xiàn)3個(gè)剖面異常測點(diǎn)的實(shí)測波形與正常測點(diǎn)相比首波幅值明顯下降，后續(xù)波幅也有明顯降低，有些測點(diǎn)無法接收聲波信號，初步判定樁身混凝土強(qiáng)度較低，樁底有沉渣。仔細(xì)詢問現(xiàn)場施工人員澆筑情況，得知在混凝土澆筑完后，在挪移沖擊鉆孔機(jī)時(shí)不慎將其中1、2根聲測管磕碰，有可能滲入泥漿水，其中12剖面為聲測管均含有泥漿的聲測管，13、23剖面為只有一個(gè)聲測管有泥漿。

現(xiàn)場取三根聲管中溶液少許，測量泥漿的密度分別為1.033g／cm3、1.037g／cm3、1.002g／cm3，將檢測結(jié)果（表2）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)檢測參數(shù)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低，但在控制范圍之內(nèi)，這是由于大的泥漿顆粒或砂石下沉，聚集在聲測管底部，導(dǎo)致管底泥漿密度增大，雜質(zhì)增多，波速和波幅明顯下降，這一特殊現(xiàn)象在波形圖中樁底35～37m處得到了很好的反映。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論的正確性，項(xiàng)目組組織現(xiàn)場施工人員對1號、2號和3號聲測管進(jìn)行高壓水沖洗，發(fā)現(xiàn)1號和2號聲測管溢出水質(zhì)渾濁，且有泥團(tuán)和細(xì)小砂石冒出，而3號聲測管水質(zhì)良好。通過三到四遍的沖洗，再灌滿清水進(jìn)行超聲波檢測，此時(shí)波幅波速趨于穩(wěn)定，且達(dá)到正常值。結(jié)合上述檢測結(jié)果，表明不僅泥漿密度對檢測結(jié)果有影響，會導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)在數(shù)值上減小，雙管泥漿水檢測比單管檢測對聲學(xué)參數(shù)的影響要大。當(dāng)大的泥漿顆?；蛏笆练e在管底時(shí)，會加劇超聲波的衰減。

從現(xiàn)場了解到的情況，聲測管中滲入泥沙的情況有以下幾種：

1）孔口沒做好保護(hù)，流入污水或污泥的；

2）聲測管本身強(qiáng)度較低，當(dāng)澆筑混凝土?xí)r，巨大的沖擊作用易造成聲管變形破損，導(dǎo)致泥漿流入管中；

3）混凝土施工完成后，移除沖擊鉆時(shí)將聲測管折斷，且樁周圍留有淤泥；

4）在破樁頭時(shí)，挖土機(jī)中泥土掉入聲測管，造成水中含有雜質(zhì)。

3 結(jié)論

1）通過不同泥漿密度的雜質(zhì)耦合劑水對樁基檢測結(jié)果影響分析，且結(jié)合工程實(shí)例對比，發(fā)現(xiàn)泥漿密度很小時(shí)，由于耦合劑的稀釋作用，聲波在離子間的作用很小，可不考慮耦合劑的影響，即波幅波速無影響。

2）泥漿密度達(dá)到一定值時(shí)，隨著泥漿密度的增大，耦合劑對超聲波檢測的影響越來越大，波幅和波速值越來越小。

3）泥漿水作為耦合劑有單管與雙管之分，雙管泥漿水檢測比單管的影響程度大。

4）對于聲測管中滲入泥漿溶液的情況，通常會出現(xiàn)大的泥漿顆粒下沉，導(dǎo)致管底泥漿密度增大，造成超聲波衰減更加嚴(yán)重。

5）在檢測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)波幅波速減小的，不應(yīng)僅考慮強(qiáng)度或沉渣原因，若是耦合劑引起的，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，避免造成誤判。

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Effect of Couplant on Pile Ultrasonic Amplitude Analysis

HE Yingquan，F(xiàn)AN Ying，ZHENG Guang，ZHANG Lei
（School of Civil Engineering and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan，430068，China）

Clear－water as the ultrasound integrity of foundation pile test couplant in the underground foundation project has been widely used.Although relevant scholars of the impurities in water has studied the performance and achieved many results，the support of mud density performance factors is still unclear.The analysis is also far from perfect in this article to explore this.Based on the research of ultrasonic Sound Parameter and mud density concentration，and combined with the engineering data，this article analyses the couplant influence on pile ultrasonic testing.The results of this study indicate that when the mud density is smaller than a certain value，ultrasonic detection parameters effect is very small.But with the increase of mud density，the influence of couplant on ultrasonic testing parameter has a great influence.Wave velocity and wave volatility become increasingly small.It seriously affects the project on the analysis of testing data and testing of judgment，and brings the deviation to judge the correctness of the engineering results.Therefore，the research results of the article are very good to solve these problems.

ultrasonic；foundation pile integrity；couplant：ultrasonic sound parameter

TU197

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0107－04

2016－06－30

賀映全（1990－），男，湖北監(jiān)利人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖc土木工程

范 瑛（1969－），女，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)槁坊访胬碚?，道路與橋梁監(jiān)控