聲波透射法檢測(cè)樁身完整性能力驗(yàn)證實(shí)施方案與經(jīng)驗(yàn)探討

劉洲

重慶中億工程檢測(cè)有限公司 重慶 402460

1 引言

樁基礎(chǔ)是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種基礎(chǔ)形式，確保其工程質(zhì)量一直備受建設(shè)各方的關(guān)注。聲波透射法作為基樁樁身完整性的可靠檢測(cè)手段與有效評(píng)價(jià)方法，如今被業(yè)內(nèi)廣泛采用。重慶市市場監(jiān)管部門將“建筑基樁樁身完整性（聲波透射法）”作為2022年度全市檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)能力驗(yàn)證項(xiàng)目，具有一定的科學(xué)性和代表性。2022年度檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)能力驗(yàn)證結(jié)果通報(bào)[1]中，參加基樁樁身完整性項(xiàng)目的檢測(cè)機(jī)構(gòu)共106家，考核結(jié)果為94家合格，12家不合格，不合格機(jī)構(gòu)占比為11.3%。本文通過檢驗(yàn)過程控制與影響因素分析，以期提升實(shí)驗(yàn)室的基樁檢測(cè)技術(shù)能力，在類似能力驗(yàn)證活動(dòng)中獲得滿意的比對(duì)結(jié)果。

2 能力驗(yàn)證實(shí)施方案

能力驗(yàn)證[2]，是指市場監(jiān)管部門采取實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)等方式，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)規(guī)范預(yù)先制定的考核規(guī)則，對(duì)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)技術(shù)能力是否持續(xù)符合資質(zhì)認(rèn)定條件和要求實(shí)施的技術(shù)管理手段。2022年度重慶市建筑基樁項(xiàng)目能力驗(yàn)證實(shí)施方案如下：

2.1 人員

參與能力驗(yàn)證的檢測(cè)人員應(yīng)具有代表性，應(yīng)從檢測(cè)機(jī)構(gòu)在職并參與過樁身完整性檢測(cè)的人員中隨機(jī)產(chǎn)生。

2.2 樣品

能力驗(yàn)證樣品為基樁，由主辦方重慶市認(rèn)證認(rèn)可協(xié)會(huì)提供，各參加機(jī)構(gòu)在指定的地點(diǎn)對(duì)基樁進(jìn)行檢測(cè)并得到數(shù)據(jù)結(jié)果?；鶚吨睆?200mm，長10m，每個(gè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場隨機(jī)檢測(cè)1根。

2.3 檢驗(yàn)項(xiàng)目

基樁樁身完整性。

2.4 檢測(cè)方法

本次能力驗(yàn)證的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見表1，可任選其一。

表1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法

2.5 檢測(cè)設(shè)備

1）檢測(cè)機(jī)構(gòu)自備非金屬超聲波檢測(cè)儀、檢測(cè)數(shù)據(jù)處理電腦及軟件、游標(biāo)卡尺、鋼卷尺，儀器設(shè)備滿足相應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；

2）參加能力驗(yàn)證所使用的非金屬超聲波檢測(cè)儀應(yīng)在計(jì)量檢校合格期內(nèi)，且經(jīng)過確認(rèn)滿足檢測(cè)要求。

2.6 現(xiàn)場檢測(cè)

1）各機(jī)構(gòu)選派3人參加能力驗(yàn)證，其中2人為檢測(cè)人員， 1 人輔助攝像。人員到場后需提供機(jī)構(gòu)授權(quán)書、近兩個(gè)月社保證明、本人身份證原件及復(fù)印件、設(shè)備校準(zhǔn)證書原件及復(fù)印件，復(fù)印件均需加蓋單位公章；

2）各機(jī)構(gòu)人員須提前半小時(shí)到達(dá)能力驗(yàn)證現(xiàn)場；

3）參加人員簽到后在準(zhǔn)備區(qū)等待，由引導(dǎo)員指示前往測(cè)試區(qū)。進(jìn)入測(cè)試區(qū)后，現(xiàn)場抽取基樁編號(hào)；

4）現(xiàn)場檢測(cè)前應(yīng)標(biāo)定超聲波檢測(cè)儀的系統(tǒng)延遲時(shí)間t0，可在試驗(yàn)開始前自行完成；

5）現(xiàn)場專家發(fā)出開始口令后方可進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)記錄現(xiàn)場檢測(cè)開始時(shí)間。參加人員須在70分鐘內(nèi)完成現(xiàn)場檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、檢測(cè)結(jié)果提交，超時(shí)為不合格，其中，現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)間不得超過50分鐘；

6）參加人員使用自備的檢測(cè)設(shè)備采用聲波透射法對(duì)抽取基樁進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為100mm；

7）現(xiàn)場檢測(cè)由2名檢測(cè)人員配合完成，其中1名負(fù)責(zé)記錄并復(fù)誦，檢測(cè)人員須現(xiàn)場完成能力驗(yàn)證“原始記錄”和“檢測(cè)結(jié)果報(bào)告單”，經(jīng)現(xiàn)場專家確認(rèn)后交工作人員封存。輔助攝像人員應(yīng)全程跟拍；

8）提交檢測(cè)結(jié)果報(bào)告單后，所有相關(guān)檢測(cè)電子數(shù)據(jù)應(yīng)全部刪除，檢測(cè)人員簽字確認(rèn)后方可離場。

2.7 結(jié)果提交

1）提交“原始記錄”和“檢測(cè)結(jié)果報(bào)告單”，并打印各檢測(cè)剖面的聲速-深度、波幅-深度和PSD值-深度曲線圖以及實(shí)測(cè)波列圖；

2）檢測(cè)結(jié)果保留位數(shù)按“檢測(cè)結(jié)果報(bào)告單”的要求嚴(yán)格填寫，并由檢測(cè)人員在各頁結(jié)果單上簽字確認(rèn)；

3）結(jié)果以現(xiàn)場提交的報(bào)告單為準(zhǔn)，無需提供正式報(bào)告。

2.8 結(jié)果判定

2.8.1 以下事項(xiàng)中存在1項(xiàng)不符合，能力驗(yàn)證結(jié)果即視為不合格

1）機(jī)構(gòu)漏報(bào)、少報(bào)檢測(cè)人員；

2）檢測(cè)人員私自調(diào)換或冒名頂替；

3）使用未經(jīng)檢?；驒z校不合格設(shè)備；

4）未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所有檢測(cè)工作，現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)間不得超過50分鐘；

5）基樁樁身完整性類別判定不準(zhǔn)確；

6）基樁樁身完整性判定為III、IV類的樁，其缺陷位置及范圍偏差大于30cm。

2.8.2 以下事項(xiàng)中存在4項(xiàng)不符合，能力驗(yàn)證結(jié)果即視為不合格

1）應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量聲測(cè)管的內(nèi)、外管徑和換能器外徑，測(cè)量精度為±0.1mm，測(cè)量樁頭處聲測(cè)管外壁間的凈距離，測(cè)量精度為±1mm；

2）聲測(cè)管內(nèi)灌滿清水，且保證換能器應(yīng)能在聲測(cè)管中升降暢通；

3）每個(gè)換能器能下到樁底，檢查每個(gè)聲測(cè)管是否下到同一高度；

4）聲測(cè)管應(yīng)進(jìn)行合理編號(hào)；

5）測(cè)試前應(yīng)輸入各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)；

6）檢查儀器狀態(tài)，只有在儀器正常工作狀態(tài)下才能開始測(cè)試；

7）測(cè)試過程中換能器提升應(yīng)緩慢勻速；

8）測(cè)試完后應(yīng)再次檢查儀器設(shè)備狀態(tài)。

3 檢驗(yàn)過程控制及影響因素分析

聲波透射法[3]是指在預(yù)埋聲測(cè)管之間發(fā)射并接收聲波，通過實(shí)測(cè)聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的聲時(shí)、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)的一種無損方法。依據(jù)能力驗(yàn)證的結(jié)果判定規(guī)則，在整個(gè)考核過程中，可重點(diǎn)控制以下環(huán)節(jié)：

3.1 儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)

聲波儀使用頻率通常較高，現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，搬運(yùn)過程易振動(dòng)跌落?？己诉^程中，一旦設(shè)備發(fā)生故障，將無法順利完成檢測(cè)工作，故務(wù)必保證檢測(cè)設(shè)備處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。參加能力驗(yàn)證前，可按下列內(nèi)容核查其功能狀態(tài)：

1）聲波儀能否正常開機(jī)，各個(gè)按鍵有無松動(dòng)，脫落或接觸不良等現(xiàn)象；

2）供電電池能否正常充電，續(xù)航時(shí)間能否保障；

3）觸摸屏能否正常操作，點(diǎn)擊反應(yīng)是否靈敏；

4）數(shù)據(jù)能否正常導(dǎo)出，U盤與設(shè)備是否匹配；

5）換能器性能是否下降，定位卡是否缺損，電纜線深度標(biāo)志是否清晰、終端接頭是否脫焊。

3.2 聲學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確采集

樁身聲速、波幅、頻率以及波形等聲學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確有效采集，直接關(guān)系到樁身質(zhì)量類別的評(píng)判。檢測(cè)過程中，可按下列步驟指引完成檢測(cè)操作：

3.2.1 儀器參數(shù)設(shè)置

1）采樣間隔：指兩次采樣之間的時(shí)間間隔。波形由點(diǎn)組成，采樣間隔則用以設(shè)置每兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間，可選0.2μs或0.4μs；

2）采樣長度：表示一次采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。用以設(shè)置一次采集數(shù)據(jù)量的多少，可選512點(diǎn)或1024點(diǎn)。如無特殊需要勿輸入較大的數(shù)值，否則會(huì)影響動(dòng)態(tài)采集的速度；

3）發(fā)射脈寬：指發(fā)射脈沖從發(fā)射到放電的時(shí)間?？稍O(shè)置（1～5）ms之間，如使用高壓，則設(shè)定為1ms；

4）發(fā)射電壓：其波形為階躍脈沖或矩形脈沖，脈沖電壓宜為250V～1000V，且分檔可調(diào)。發(fā)射電壓越高，接收信號(hào)越強(qiáng)，通常使用低壓，當(dāng)跨距較大時(shí)可采用高壓；

5）增益調(diào)整：以基樁的完整部分為參照點(diǎn)，顯示波形的首波清晰可見，無削波，首波前的噪聲信號(hào)不會(huì)干擾首波判定，首波后的波峰基本接近滿視窗。增益的調(diào)整只改變波形的顯示大小，增益增大會(huì)放大有效信號(hào)，同樣也會(huì)放大噪聲信號(hào)，因此增益設(shè)置一般不得大于800。增益調(diào)整如圖1所示。

圖1 增益調(diào)整

6）延時(shí)調(diào)整：以基樁的完整部分為參照點(diǎn)，顯示波形的首波大致位于屏幕的1/3至1/2處。延時(shí)調(diào)整只改變波形的左右位置，可用于壓制首播前的噪聲，使之處于采集窗口之外。延時(shí)調(diào)整如圖2所示。

圖2 延時(shí)調(diào)整

3.2.2 儀器系統(tǒng)延遲時(shí)間標(biāo)定

可采用率定法，先將當(dāng)前校正通道的延時(shí)調(diào)整為“0”或者負(fù)數(shù)，聲測(cè)管內(nèi)、外徑和探頭外徑三者數(shù)值調(diào)整為一致，然后將發(fā)射和接收換能器平行懸于清水中，逐次改變點(diǎn)源距離并測(cè)量相應(yīng)聲時(shí)，記錄不少于4個(gè)點(diǎn)的聲時(shí)數(shù)據(jù)并作線性回歸時(shí)距曲線。線性回歸時(shí)距曲線如圖3所示，線性回歸方程見式（1）。

圖3 線性回歸時(shí)距曲線

式中：

b ——直線斜率（μs/mm）；

l ——換能器表面凈距離（mm）；

t ——儀器各次測(cè)讀的聲時(shí)（μs）；

t0——儀器系統(tǒng)延遲時(shí)間（μs）。

3.2.3 聲測(cè)管及耦合水層聲時(shí)修正

兩根聲測(cè)管之間，聲波從發(fā)射到接收，不僅是在混凝土中傳播，而且有一段時(shí)間是在管內(nèi)耦合水和管壁中傳播，為獲得樁身實(shí)際波速，應(yīng)扣除該部分的傳播時(shí)間。聲測(cè)管及耦合水層的聲時(shí)修正按式（2）計(jì)算。

式中：

t′ ——聲測(cè)管及耦合水層聲時(shí)修正值（μs）；

d1——聲測(cè)管外徑（mm）；

d2——聲測(cè)管內(nèi)徑（mm）；

d′ ——換能器外徑（mm）；

vt——聲測(cè)管材料聲速（km/s），鋼管可取5.940，PVC管可取2.350；

vw——耦合水層聲速（km/s），可取1480[4]。

3.2.4 聲測(cè)管間距測(cè)量

假定聲測(cè)管相互之間完全平行，則構(gòu)成某一檢測(cè)剖面的兩聲測(cè)管在樁頂面的凈距離L等于該檢測(cè)剖面所有聲測(cè)線的測(cè)距。若測(cè)量L時(shí)出現(xiàn)偏差，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)試聲速偏離混凝土實(shí)際聲速值。當(dāng)L值偏大則測(cè)試聲速偏高，L值偏小則測(cè)試聲速偏低。以下兩種測(cè)量方式，L值均可能產(chǎn)生誤差：

1）在聲測(cè)管的管口位置測(cè)量L值。聲測(cè)管埋設(shè)時(shí)，通常要求管口應(yīng)高出混凝土頂面100mm以上，實(shí)際中，聲測(cè)管預(yù)留高度遠(yuǎn)大于100mm。若管端預(yù)留過長，則外露部分可能產(chǎn)生傾斜，管口測(cè)量值L與其根部測(cè)量值會(huì)存在明顯差異；

2）以兩根聲測(cè)管的中心距作為L值。此時(shí)的L值實(shí)為混凝土、聲測(cè)管壁和耦合水層的距離之和，檢測(cè)前已進(jìn)行管水修正，不應(yīng)重復(fù)計(jì)算，應(yīng)以兩根聲測(cè)管的內(nèi)邊距測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。

3.2.5 聲學(xué)參數(shù)具有可比性

在同一根樁的各檢測(cè)剖面的檢測(cè)過程中，聲波發(fā)射電壓、增益、延時(shí)等參數(shù)應(yīng)保持不變。

3.3 缺陷深度的精確定位

能力驗(yàn)證結(jié)果判定規(guī)定：樁身完整性判定為III、IV類的樁，其缺陷位置及范圍偏差不得大于30cm。為準(zhǔn)確定位缺陷，可采用下列相應(yīng)檢測(cè)措施：

1）聲波換能器應(yīng)從樁底向上同步提升。非勻速下降的換能器，由于存在不同程度的失重現(xiàn)象，使電纜線出現(xiàn)不同程度松弛，導(dǎo)致?lián)Q能器位置不準(zhǔn)確；

2）檢校編碼器、卡線輪和電纜線深度標(biāo)志。提升過程中，自動(dòng)記錄換能器位置時(shí)，電纜線帶動(dòng)編碼器卡線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器計(jì)數(shù)卡線輪轉(zhuǎn)動(dòng)值換算得到換能器位置。若編碼器計(jì)數(shù)、卡線輪直徑和電纜線深度標(biāo)志存在誤差，勢(shì)必導(dǎo)致測(cè)試位置與樁身實(shí)際位置不一致。實(shí)際中，電纜線刻度誤差較大的情況較為常見；

3）校核換能器的深度和校正換能器的高差。提升過程中，由于電纜線與卡線輪之間的滑動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致編碼器計(jì)數(shù)位置與傳感器實(shí)際位置存在偏差，或換能器不在同一水平面，應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行深度校核與高差校正；

4）保持測(cè)試過程中波形的穩(wěn)定性。提升速度過快，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器在聲測(cè)管中劇烈擺動(dòng)，甚至與管壁發(fā)生劇烈碰撞，增大換能器的深度誤差，同時(shí)對(duì)接收的聲波波形產(chǎn)生一定的影響。為此，要求換能器的同步提升速度不宜大于0.5m/s；

5）采取多種測(cè)試方式定位缺陷。經(jīng)平測(cè)普查后，根據(jù)聲時(shí)、波幅和主頻等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化及實(shí)測(cè)波形的狀態(tài)，找出各檢測(cè)剖面的可疑聲測(cè)線，再經(jīng)加密平測(cè)、交叉斜測(cè)等方式，既可檢驗(yàn)平測(cè)普查的結(jié)論是否準(zhǔn)確，又可依據(jù)加密測(cè)試結(jié)果繪制陰影圖判定樁身缺陷的邊界，進(jìn)而推斷樁身缺陷的范圍和空間分布特征。加密平測(cè)和交叉斜測(cè)如圖4所示。

圖4 加密平測(cè)和交叉斜測(cè)

3.4 特殊情形的有效處理

如遇嚴(yán)重的樁底缺陷，當(dāng)換能器下至樁底開始采樣時(shí)，可能無波形顯示或波形顯示紊亂，甚至出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。若檢測(cè)人員缺乏經(jīng)驗(yàn)，加之考核時(shí)心情緊張，不能有效處理，反復(fù)地調(diào)整增益、延遲或開關(guān)機(jī)，或懷疑管體漏水，直至考核時(shí)間結(jié)束仍未采集到有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)。此時(shí)，可將換能器提升至一定高度，即樁身無缺陷段，待波形穩(wěn)定后，調(diào)整好相應(yīng)參數(shù)，再將換能器放至樁底，勻速提升至樁頂完成整樁測(cè)試。

4 結(jié)語

基樁樁身完整性能力驗(yàn)證，是一項(xiàng)科學(xué)有效、可操作性強(qiáng)、具有一定代表性的技術(shù)管理手段。因其專業(yè)性強(qiáng)、檢測(cè)流程復(fù)雜，故需參與方充分理解和熟悉相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，盡可能地消除或減少影響檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果的潛在因素，對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，才能獲得滿意的考核結(jié)果。