1、在超声仪的屏幕上显示声波传播时间和波幅,他们在干什么？他们在用跨孔声波透射法检测基桩完整性,声波透射法检测,基桩完整性,吴庆曾,中国地质调查局技术方法研究所,2013.03.24（2013.07.20 修改）,声波检测混凝土缺陷的基本原理二. 由声速判断桩身完整性原理三. 声波法确定桩身缺陷和位置的方法四. 桩身缺陷位置与分布的定性确定方法 五. 基桩跨孔声波透射现场检测技术六. 基桩声波透射资料的室内分析解释 七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例八. 跨孔声波透射法的优势与缺憾九 跨孔声波透射法的新技,先看看灌筑桩的桩身可能出现哪些缺陷？,一. 声波检测混凝土缺陷的基本原理,已知介质的声速,
2、V正常 V缺陷,灌注桩纵波声速的正常范围（C2025）： 水下灌注: 3400m/s 4000m/s 干作业灌注: 4000m/s 4500m/s预制桩纵波声速的正常范围：4200 m/s,已知介质中声波的波幅,上式说明： 声波在传播过程中，质点振动的幅度，随着传播距离、混凝土物理性能的变化按指数规律减小。,A: 接收点的声波波幅Am：发射点的声波波幅L：声波的传播距离 ：衰减系数，是频率的函数频率高衰减快,当管距一定，波幅A可反映混凝土的质量和判断有无缺陷,在超声仪的屏幕上显示声波传播时间和波幅,接收信号的波形、频率也可定性的判断缺陷,完整性好的混凝土,有缺陷的混凝土,主频44.56kHz,
3、主频39.86kHz, 完整桩 声速高、波形完整 沉渣、桩头底强度区、二次浇灌面 声速较低、波形略畸变 蜂窝、空洞、严重缩颈声速低、波形 较畸变 夹泥、离析声速低、波形畸变 扩径、轻微缩颈、水平裂缝无法检 测出的缺陷,二. 由声速判断桩身完整性原理,声速在3500-4500m/s波形完整,二. 由声速判断桩身完整性原理,1.完整桩 均匀的高声速,从截取到的桩头，可直观了解它们是泥浆、浮浆、沉渣和混凝土的混合层状状介质，宏观的可将其视为较均匀的层状低声速递减的介质。,桩头低强度区的物理摸型， V1V2V3Vn，即声速、波幅递减 。,二. 由声速判断桩身完整性原理,2.沉渣、桩头底强度区、二次浇灌
4、面大范围较均匀的低声速,二次浇灌面和沉渣昵？,空洞是桩身混凝土中大的空气气泡，蜂窝是密集的小气泡集合体，可以等效为空洞，严重缩颈是将声测管外露，即在声测管附近有空洞存在。,使声线长度不再是声测管管距 L声线拉长，带来声时加大，视声速降低可知接收的超声波波幅下降,主频降低 。,3. 蜂窝、空洞、严重缩颈局部极低声速,二. 由声速判断桩身完整性原理,夹泥、离析是桩身局部出现低声速区桩身声速V1 ,夹泥、离析缺陷的声速为V2 。发射换能器辐射的声波,入射到缺陷会发生绕射，在缺陷内发生折射和多次反射，将有三组波汇集到接收点 ，波形复杂。声速低，波幅减小。,4.夹泥、离析局部低声速,二. 由声速判断桩身
5、完整性原理,夹泥、离析缺陷还有另外一种可能出现的物理模型。纵波P，在缺陷内发生折射，根据折射定律在缺陷界面产生折射纵波PP的同时还会产生折射横波PS。先只考虑PP波，它在缺陷另一界面，同样要产生折射纵波PPP和折射横波PPS。PPP会被接收换能器接收。,声线拉长，声速下降，波幅降低，波形复杂畸变。,三. 声波法确定桩身,缺陷和位置的方法, 绘出声时、波幅随孔深变化曲线, 由于混凝土的密实度、骨料分布是非均匀的，故混凝土属非均匀介质。 因此，声速或声时相应会是波动的。如何用声波的传播速度、波幅（首波）和频率来判断哪里存在缺陷呢 ? ? ?,直到 1978年，当时国家建委立项组织混凝土超声检测专题
6、研究，结论是：混凝土中的缺陷可采用数理统计方法，建立了由声速辨别有无缺陷的“概率法”。,1. 关于“概率法”,其思路是：混凝土是非均匀介质，其强度、密实度分布是随机分布的，相应桩身各点声速高低，也是随机分布的，且符合正态分布。 而混凝土中的缺陷是人为造成的，它不符合正态分布，这样我们就可用数理统计的方法找到缺陷与正常混凝土的分界线，即临界点。,三. 声波法确定桩身缺陷和位置的方法,正常混凝土强度（声速）的正态分布与缺陷临界点的关系如下图所示,用概率法确定的临界值 Vo,V0即临界点声速值称“异常判定值” V m （n-k）个数据的平均值 S X （n-k）个数据的标准差由统计数据数（n-k）对
7、应的由查表获得见下表 n 测点数 k 将全部测点的声速值由小到大依次排序，去掉明显不 合理的低声速值的个数。,统计数据个数(n-k)与对应的值值由下表查出,混凝土的非匀值性，同样使混凝土中各测点的声波首波波幅也是随机波动的。于是建立了声波波幅值判断有无缺陷的“半波幅”法,APi 波幅判定异常值Am 所有测点波幅的平均值，用分贝表示6dB 是减去6分贝，其物理含意是波幅减 小一半的值。,2. 关于“半波幅法 ”,三. 声波法确定桩身缺陷和位置的方法,一般取仪器能够接收并识别的最小信号值作为基准值Vo，各测点接收到的信号值Vm与基准值进行下列运算：,当信号Vm比信号Vo大一倍时，信号波幅等于6dB
8、 当信号Vm比信号Vo大10倍时，信号波幅等于20dB 当信号Vm比信号Vo大100倍时，信号波幅等于40dB 当信号Vm比信号Vo大一倍时，信号波幅等于60dB 同样信号A和信号B波幅之差等于-6dB, 表示信号A比信号B的波幅压降低了一倍。,用来表信号的幅度,由概率法和半波幅判断桩身缺陷,上图中 Api=114.39 dB Vo=4.479km/s,注：分贝（dB）的含义是把表征波幅的电压值V，将 V /V0 取常用对数后 乘20 就是分贝数 。,斜率法是声波透射法的一个辅助判据。是针对原本要求声测管应当是平行的，但实际施工时，有可能声测管不平行，会出现误判 。 又称PSD (Produc
9、t of Slop and Difference) 法,3. 关于斜率法,三. 声波法确定桩身缺陷和位置的方法,上述分析判断缺陷的方法已列入 建筑工程基桩检测技术规范（JGJ/T 106-2003）公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004）基桩低应变动力测桩规程 （JGJ/T 9395）超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS 21：2000）,四. 桩身缺陷位置与分布的定性确定方法,1. 缺陷的平面位置和体积的确定，关系到评价基桩完整性的等级。要确定缺陷的平面位置和体积与埋设的声测管的数量有一定关系。,A. 建筑基桩检测技术规范（JGJ/T 106-2003）规定： 桩径
10、800mm以下埋设二管(含800mm) 800mm2000mm 埋设三管 2000mm以上 埋设四管,B.公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004） 规定： 桩径 1.0m 以下埋设二管 1.0m1.5m 埋设三管 1.5m以上 埋设四管,1. 缺陷的平面位置和体积的确定，关系到评价基桩完整性的等级。要确定缺陷的平面位置和体积与埋设的声测管的数量有一定关系。,A.有效接收声场概念,O 点为发射换能器所在位置 O，为同一平面上接收换能器位置,上述两组同心圆的交点就是有效接收声场的范围，这个范围恰好是一个椭圆，定名为“有效接收声场 ”。,换能器的灵敏度越高有效接收声场范围越大。
11、,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,四. 桩身缺陷位置与分布的定性确定方法,B. 缺陷与效接收声场的关系,缺陷 A 对声速、波幅均无影响 ； 缺陷 B 对波幅有影响对声速无影响 缺陷 C 对波幅、声速都有影响,缺陷处不同部位对声速和波幅的影响,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,以埋设三管为例，通过声速和波幅的异常 可大致了解缺陷的平面展布范围。,C.利用有效接收声场概念判断缺陷位置的实例,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,判断缺陷水平 位置的实例,D. 声波透射法测试的的盲区,盲区的范围大小和换能器的性能有关；和超声检测仪的发射能量、仪器的接收灵敏度有关。 对同样的仪器、换能器，还和桩的
12、直径大小有关，大直径的基桩的盲区显然要大一些,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,E. 缩小盲区和仪器与换能器的关系,声波检测系统的组成,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,E. 缩小盲区和仪器与换能器的关系,从国内声波检测仪器主要性能都可达到技术要求 实时显示、记录接收信号的时程曲线、频率测量或频谱分析功能 最小采样时间间隔小于或等于0.5s， 声波幅值测量相对误差小于5%， 系统频带宽度为5200kHz， 系统最大动态范围不小于100dB。 声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为2001000V 接收灵敏度 具有首波声时显示功能；具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。, 与仪器有关系
13、的是发射电压和接收灵敏度,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围, 与换能器性能关系的分析,从有效接收声场来分析：发射换能器：电声转换效率高声波辐射的距离远接收换能器：声电装换效率高可以接收到微弱信号所以换能器是决定有效接收声场的决定因素,E. 缩小盲区和仪器与换能器的关系,2. 用波幅确定桩身缺陷的平面范围,圆柱状径向振动，沿径向无指向性；外径小于声测管内径，有效工作段长度不大于150mm；谐振频率为3060kHz；水密性满足1MPa水压不渗水。, 发射与接收换能器应符合下列规定：,利用压电介质的压电效应工作,3. 如何确定桩身缺陷的性质,由于声参量存在多解性，仅用声参量 声速VP、声时、波幅A
14、、波形，主频 f推断不出桩身缺陷的类型。,必须掌握基桩制造过程的相关资料： A. 工程场地岩土工程勘察报告、水文地质概况；B. 灌注桩的成孔方式、工艺过程；C. 灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、反映出混凝土浇浇筑过程的施工记录。,例如： 桩底出现低声速，需要掌握成孔方式和混凝土水下浇灌用 何种止水阀，才能判断是沉渣还是蜂窝； 桩身部位出现低声速、低波幅，可由成孔方式、混凝土 浇灌方式推断缺陷是否可能是夹泥还是空洞或是离析； 由地下水文条件，地下水水位、有无径流以及混凝土灌 注方法、施工记录来判断缺陷是否可能为离析； 由浇灌过程是否连续或中断，判断缺陷是否是二次浇灌 面或由成孔方式和地层岩
15、性判断是否夹泥断桩 ；, 由地层中的黏土层及黏土的塑性指数，终孔后开始浇 灌的时间，判断是否可能严重缩径，从而排除这个部 位的桩身有无缺陷，避免误判，抽芯打不到缺陷的尴 尬局面； 由混凝土的浇灌方式，可以预估正常混凝土的声速范 围，有利于对缺陷的判断； 还有， 总之要熟悉桩的施工过程、工艺，结合 超声测试的数据进行综合分析后，才能从中推断缺陷 的性质。,4. 桩身完整性的类别划分 建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）,五. 基桩跨孔声波透射现场检测技术,1. 检测前的准备工作,A. 测前须收集 ：,（1)工程场地的岩土工程勘察报告、水文地质概况；（2)灌注桩的成孔方式、工艺过程；（3
16、)灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、方 式、施工记录； (4) 现场检测时混凝土的龄期； (5) 测量检测管管距。,B.用“假换能器”探摸声测管是否畅通，换能器卡在 声测管中。,C. 零声时的测算,根据检规范要先测试超声测试系统的初始读数t0值，从理论上 t0 应包含三部分 001+02+03,01 声测系统延迟时间02水层中传播时间（管内径换能器外径）/ 水03检测管壁声传播时间（ 管外径 管内径）/管,五. 基桩跨孔声波透射现场检测技术,1. 检测前的准备工作,01 声测系统延迟时间,t03检测管壁声传播时间（ 管外径 管内径）/管,C. 零声时的测算,t03= 钢板厚度/钢的声速 (
17、VI=5850m/s),超声检测仪采样时间间隔的设定，是仪器操作的关键：要求采样时间间隔小于正常混凝土声波传播时间的1。 例如声波透射法最小的桩径为800 mm，声测管的间距理论值为500-600mm，取混凝土声速4500m/s,声波传播时间t133s，所以采样时间间隔应小于等于1.0s即可； 对于不能自动设定触发延迟时间的仪器，还需要预估声波的传播时间，来设定触发延迟时间； 发射电压可根据声测管的间距，设定发射电压值，一般可设定在500V。直径大的桩可设到1000V。,2.人工操作检测,从孔底，人工逐点同步提升发射与接收换能器，进行测试，测点间距一般取20cm，直到桩顶。,五. 基桩跨孔声波
18、透射现场检测技术,3.半自动检测与全自动检测,五. 基桩跨孔声波透射现场检测技术,4.多通道声波透射法自动测桩仪,五. 基桩跨孔声波透射现场检测技术,在埋设4个声测管时，六个声测面可同时检测，提高工作效率,六. 基桩声波透射资料的室内分析解释, 现场测试的声波透射数据资料，回到室内，将采集到的 数据传入PC机； 由厂商提供的window平台上的分析处理软件进行检查、处理、自动绘制声时-深度、波幅-深度、PSD-深度曲线； 根据上述曲线的异常，也就是声时、波幅超过临界值的部位（深度）结合工程桩的制造过程的相关资料进行综合分析，确定缺陷的位置、面积、体积，以及缺陷性质； 最终生成基桩完整性检查报告
19、。 声波检测系统数据处理分析软件是系统优劣是重要决定因素,1. 现场采集数据输入计算机,六. 基桩声波透射资料的室内分析解释,2 由软件将现场采集的波列加以显示,六. 基桩声波透射资料的室内分析解释,3. 由软件自动绘制声速、波幅、PSD 曲线,六. 基桩声波透射资料的室内分析解释,4. 由软件对检查数据计算分析,六. 基桩声波透射资料的室内分析解释,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,1.模型桩检查实例,模型桩长2.25m ，桩的断面为1.0m0.6m。其中 1：是二次浇灌面； 2：是30cm的圆形泥团； 3：是30cm3木板空盒子 模拟空洞； 4：是声测管，管距76cm。,8cm长的换能
20、器测试,15cm长的换能器测试,2. 完整的工程桩,检测实例,三个声波检测剖面声速和波幅都没有超过临界值 孔底声速波幅均偏高？,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,3.略有缺陷的工程桩检测实例,桩长90m，三个声测剖面，84m以下，声速逐渐升高波幅略加大； 89m以下声速、波幅又降低，说明三根声测管从84m处均向里渐湾，到89m处又向外翘。 对桩底沉渣的判断依据不足； 3m以上三个声测剖面的波幅异常均超过临界值，分析可能是混凝土胶结不良，或略含有沉渣。 剖面在30.5m处波幅异常超过临界值，可能是凝土胶结不良或略有塌孔。 如何总体评价 ？,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,4. 有沉渣的
21、桩检测实例,右图是48m长的桩，桩底有0.9m厚沉渣的桩。 桩底部位三个声测面的声速、波幅异常值均超过临界值。在、剖面的15.5m处波幅异常略超过临界值，可能在声测管b靠近桩周边；或ab、bc声测剖面靠桩的周边处略存在缩径。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,下图是19.6m工程桩，三个声测面分别在6.4m、7.4m、6.0m声速、波幅异常均超过临界值，经对工程场地地质情况、成孔方式、混凝土浇灌记录，和现场调查，确定是夹泥缺陷。开挖后证明推断结果是正确的，,5. 桩身存在夹泥缺陷的实例,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,开挖验证照片,6. 桩身离析缺陷实例,下图桩长18m，在3.6m到
22、4.0m处声参量异常超过临界值，可确定存在缺陷，经对桩的施工情况调查分析，结合地质情况，确定为离析缺陷。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,开挖验证照片,下图桩长16m，在3.6m、4.0m处的异常超过临界值。桩径1200mm，钻孔灌注桩水下灌注，地质情况是自地表向下为：黄土砂粒土细砂。缺陷在3.6m到4.0m范围内剖面、剖面声参量严重异常,7. 桩身严重夹泥沙实例,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,开挖验证照片,8. 桩顶低强度区实例,右图是桩顶低强度区的检测实例，桩长33m 可见，桩身是完整的，但桩顶存在波幅异常超过临界值，声速无异常。 由于只埋设一对声测管，可判断桩顶混凝土不完整
23、，存在部分浮浆、沉渣、混凝土混合物，为低强度区。 桩底在33m处声速、波幅异常急剧超过临界值，可判断存在沉渣。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,9. 超长桩的检测实例,右图桩长114.2m、桩径2500mm。从图中可见,桩身声速、波幅异常均没有超过临界值，抽芯和对芯样测声速，芯样声速均在4000m/s以上。 只在109.7m左右以下，六个声测剖面的声速、波幅均超过临界值。怀疑可能桩底的蜂窝造成声速下降，但抽芯芯样未见气孔，且实测声速较高。 笔者进一步研究实测波形记录，从波列图上可以观察到，开始浇灌混凝土，和第2到第4次浇灌混凝土形成声时依次缩短的阶梯变化。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整
24、性实例,笔者进一步研究实测波形记录，从波列图上可以观察到，开始浇灌混凝土，和第2到第4次浇灌混凝土形成声时依次缩短的阶梯变化。 因此，有可能在面积达5m2的孔底，最初几次浇灌的混凝土在114m长浇筑导管内下落，其巨大冲击，使混凝土和孔底沉渣形成不规则互层。桩的中心部位，处于浇筑导管口及其附近区域的混凝土是密实的，故抽芯芯样必然是完好的。,但是，对于跨孔声波透射，由于要穿过不规则的互层（也就是高声速混凝土与低声速沉渣的互层），声时定会拉长，使声速下降。 综合以上分析，图中所示的超长桩可以推定是基本完整桩。,10. 严重缩径检测实例,右图是某高速路工程桩埋设三根声测管， 图中是4.2-13.0m跨
25、孔声波透射波列图。 可见AB、BC、CA剖面，均在9.4-9.8m接收不到信号。 由于缺少场地工程地质勘查报告，对地质情况不了解，从波列图判断为严重缺陷。 但抽芯验证的结果，芯样完整，似乎成为误判。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,再用反射波法检测，反射波信号如下图。明显在9.4m处为缩径。后在桩边重新抽芯，取到的芯样只有半个，证实为严重缩径。,从这一实例表明，声波透射法对接收不到信号，或信号波幅很小、声时很长时，对缺陷的判断要慎重，要注重收集地质资料，了解出现异常的部位的地层情况；还要进一步收集、了解现场施工过程的细节； 应当注重采用反射波法验证测试。,10. 严重缩径检测实例,10.
26、 严重缩径检测实例,11. 断桩的实测记录,右图是：桩长72m、桩径1500mm三个声测剖面在43-46m处 都出现声速和波幅均超过临界值，如此大范围的异常，显然是出现塌孔造成才断桩。是二次浇灌面，的可能性较大。,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,12. 声测管弯曲时的,声测曲线,声测管弯曲的部分为何声速提高，波幅会减小？,下面的实验可说明原因,七. 跨孔声波透射检测基桩完整性实例,八. 跨孔声波透射法的优势与缺憾, 优势 在桩身内逐点测试反映的情况细腻； 可半定量推断出缺陷的分布及尺寸； 不受桩长、桩径限制； 可定量推断桩顶低强区和桩底沉渣厚度； 桩顶不露出地面即可检测，方便施工。 缺憾
27、 必须预先埋设检测管； 无法检测一般缩径，严重缩径时易误判。,九 跨孔声波透射法的新技术1,跨孔声波透射法检测基桩完整性的仪器、换能器、分析处理软件在不断的改进更新。 近来最新的分析处理软件，可将声波投射法将一根被测桩的全貌，以三维图像的形式直观的展现出来。 图像化显示全桩身密实性分布，界定桩身不密实性缺陷范围，测试结果直观清晰，降低了繁琐复杂的后期综合分析难度，测试精度、测试效率同时得到大幅度的提高。,这项发明是建立在检测设备的更新。代表了现场检测仪器的自动化、智能化、图像化的发展方向。,是北京市康科瑞工程检测技术公司最新推出的产品,九 跨孔声波透射法的新技术,三维成像声波测桩仪将一维测试提
28、升为二维测试和三维分析，增加了水平断面的分辨力其技术优势对于大直径桩的测试效果尤为明显。, 三维成像声波测桩仪,九 跨孔声波透射法的新技术,自动化的测试方法,九 跨孔声波透射法的新技术,声波透射法仪器界面,九 跨孔声波透射法的新技术,蓝色系色谱值为正常，蓝色越深表示密实性越高；红色系色谱值为异常，红色越深表示缺陷异常越严重。,软件分析处理后的测试结果,九 跨孔声波透射法的新技术,九 跨孔声波透射法的新技术,主要技术指标,声时测量范围：0.125600s声时测量相对误差e： 标准试块：er11.0， 测空气声速：er20.5接收系统频响：10350kHz接收灵敏度： 30V幅度测量范围： 0144dB发射脉冲电压：250、500、1000V换能器同步误差0.5%，且100m内部不大于10cm换能器高程误差0.5%，且100m内部不大于10cm测点间距：550cm可选图像纵向分辨率：取决于矩阵行间距，根据桩长取值范围宜为520cm图像水平分辨率：取决于矩阵列间距，根据桩径大小取值范围宜为510cm,结束！,谢谢,
