聲波透射法檢測灌注樁.ppt

灌注樁檢測 -聲波透射法 河北省交通規(guī)劃設計院試驗檢測室 （河北銳志交通技術咨詢有限公司） 陳耀輝,首先需要了解的三個內容：,1.建筑樁基的幾個術語 2.建筑地基的概念 3.灌注樁的施工,需要了解的內容-1.建筑樁基的幾個術語,基 樁 Foudation pile ：樁基礎中的單樁 。 樁身完整性 Pile integrity：反映樁身截面尺寸相對變化、樁身材料密實性和連續(xù)性的綜合性指標。 樁身缺陷 Pile defects：使樁身完整性惡化，在一定程度上引起樁身結構強度和耐久性降低的樁身斷裂、裂縫、縮頸、夾泥(雜物)、空洞、蜂窩、松散等現(xiàn)象的統(tǒng)稱。,需要了解的內容-1.建筑樁基的幾個術語,超聲波法ultrasonic logging method 根據超聲波透射或折射原理，在樁身混凝土內發(fā)射并接收超聲波，通過實測超聲波在混凝土介質中傳播的歷時、波幅和頻率等參數(shù)的相對變化來判定樁身完整性的檢測方法。,需要了解的內容-2.建筑地基的概念,建筑地基分為天然地基和人工地基。無需經過處理可以直接承受建筑物荷載的地基稱為天然地基，反之，需通過地基處理技術處理的地基稱為人工地基。,廣義上講，人工地基可分為：,（1）均質地基、多層地基：通過改良或置換，改善地基土的物理力學性質，提高地基土的抗剪強度、增強土體的壓縮模量或減少土的滲透性。 （2）復合地基：通過在地基中設置豎向或水平增強體，增強體與原地基形成復合地基，以提高地基土承載力、減少地基沉降。 （3）樁基礎：在地基中設置樁，通過基樁將荷載傳遞到深層土體中。,需要了解的內容-3.灌注樁的施工,（一）設計分類： 1、摩擦樁： （1） 承載原理：主要考慮樁周土體摩擦承載。 （2） 影響因素：樁周土層土質、設計樁長及樁徑，樁底承載力一般僅考慮10%左右。 2、端承樁： （1） 承載原理：主要考慮樁底巖體支撐。 （2） 影響因素：樁底巖層強度及嵌入深度、樁體自身強度、 剛度。,鉆孔灌注樁,特點： 施工噪音和振動小。 不需大型設備，施工進度快。適應性強。 直徑大，樁長，因而承載力大。 水下、地下施工，質量難以保證。,鉆孔灌注樁：是采用不同的鉆孔方法，在土中形成一定直徑的井孔到設計底標高后，將預好的鋼筋籠骨架吊入井孔中，然后灌注混凝土而形成的基礎。,鉆孔,澆筑砼,安放鋼筋籠,補充：灌注樁的施工,成孔工藝：,1 、鉆孔+泥漿護壁： （1） 正循環(huán)： A、原理：鉆孔過程中，鉆桿內泵壓水沖，泥漿外溢排出。 B、特點：適合砂土地質，易護壁，但速度慢、沉渣不易清除。 （2） 反循環(huán)： A、原理：鉆孔過程中，鉆桿內泵吸泥漿排出。 B、特點：適合粘土地質，速度快，便于清理沉渣，但易塌孔。 2、沖抓、沖擊+開挖： 特點：適合有巖層樁、短樁、擴孔樁等。,補充：灌注樁的施工,常見缺陷：,1、 水下灌注（7種） ： （1） 斷樁（全斷面夾泥或夾砂） （2） 局部截面夾泥或縮頸 （3） 集中性氣孔 （4） 分散性泥團及“蜂窩”狀缺陷 （5） 樁底沉渣或泥漿沉渣層過厚 （6） 樁頭低強區(qū) （7） 樁孔深度不夠,補充：灌注樁的施工,常見缺陷：,2、干孔灌注（4種）： （1） 因地下水漏入而形成的 砼層狀離析，嚴重時成斷樁 （2） 砼局部嚴重離析 （3） 因護筒滲漏而形成的局部夾泥或“蜂窩”狀缺陷 （4） 樁底沉渣,聲波透射法測樁 交 流 學 習 資 料,檢測過程示意圖,目 錄,第一章 聲學基礎 第二章 儀器設備 第三章 準備工作 第四章 室內分析 第五章 現(xiàn)場操作 第六章 工程實例,第一章 聲學基礎,1.1.1 混凝土超聲波檢測技術的發(fā)展,混凝土超聲檢測技術因其用途廣泛、探測距離大、完全不破壞結構物等優(yōu)點，迅速在國內外普及推廣，成為應用最廣泛的混凝土無破損檢測方法。 應用情況 國外始于上世紀40年代后期； 國內始于上世紀50年代中期，1980年代用于樁基檢測，掀起了新一輪應用高潮。,1.1.2 超聲波測樁技術規(guī)范,建設部標準 基樁低應變動力檢測規(guī)程 （JGJ/T 93-95） 中國工程建設標準化協(xié)會標準 超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程（CECS 21:2000） 國家標準 建筑地基基礎設計規(guī)范（GB50007-2002） 建設部標準 建筑基樁檢測技術規(guī)范（ JGJ 106-2003） 交通部標準公路工程基樁動測技術規(guī)程（JTG/T F81-01-2004）,1.2.1 超聲波波形,聲波是物體機械振動時迫使周圍介質也發(fā)生振動并使振動向外傳播而形成的一種波動。 接收換能器接收到的由聲源傳過來的聲波，是該點在聲波作用下的振動過程。 振動大小和方向隨時間而變化的過程曲線稱為波形。超聲儀屏幕上的圖線就是傳播到接收換能器所在位置的聲波的波形。,1.2.2 波形參數(shù),周期T:相位相同的相鄰的波 之間所經歷的時間； 頻率f :周期的倒數(shù)，Hz； 振幅A :波動的幅度，表征波 的強弱，以屏幕上波高度的毫 米數(shù)、輸出電壓值或分貝（ dB）表示； 波長:聲波波動一次所傳播 的距離； 聲時t:首波對應的時間，us； 波速v 單位時間波傳播的距 離，m/s。,1.2.2 波形參數(shù),1.3 波的分類,縱波(P波) 介質質點的振動方向與波的傳播方向一致。 縱波的傳播是依靠介質時疏時密（即時而拉伸，時而壓縮）使介質的容積發(fā)生變形引起壓強的變化而傳播的，和介質的容變彈性有關。任何彈性介質（固體、液體、氣體）在容積變化時都能產生彈性力，縱波可以在任何固體、液體、氣體中傳播。,1.3 波的分類,橫波(S波) 介質質點的振動方向與波 的傳播方向垂直。 橫波的傳播是使介質產生剪切變形時引起的剪切應力變化而傳播，和介質切變彈性有關。由于液體、氣體無一定形狀，其形狀發(fā)生變化時不產生切變應力，所以液體、氣體不能傳播橫波 ,橫波只能在固固體中傳播。,1.3 波的分類,表面波 沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，它是由縱 波和橫波組合而成，又稱瑞利波，R波。 通常的超聲換能器置于混凝土表面發(fā)射時 ，振動狀況復雜，既有縱向振動又有橫向 振動，發(fā)射出的超聲波既有縱波,也有橫 波和表面波。,地震波屬于哪種波？,地震發(fā)生時,首先是從震源 P波（縱波）跟S波（橫波）2個地震波發(fā)生。P波在地殼的淺層以毎秒約6km的速度, S波以毎秒3.5km的速度傳播. 因為P波跟S波傳播的速度不同、首先會感覺到（P波）的小小的晃動、然后是大的晃動（S波）開始。離震源越遠這個間隔就越長。另外震源比較淺的地震、在地表傳播的叫表面波.大的搖晃會跟在S波后面出現(xiàn).,1.4 聲波在介質中的傳播速度,同一種類型的波，在同一種介質中，邊界條件不同，傳播速度也不同。,1.4 聲波在介質中的傳播速度,1.4 聲波在介質中的傳播速度,樁基檢測時，聲波透射法及低應變 反射波法測得的波速為什么不同？,1.5 聲波在介質界面的反射和折射,聲波在傳播過程中，由一種介質到達另一種 介質，在兩種介質的分界面（界面）上，聲波會 發(fā)生方向和能量的變化：一部分聲波被反射回到 原來介質中，稱為反射波；另一部分聲波透過界 面在另一種介質中繼續(xù)傳播，稱為折射波。 反射系數(shù)與透射系數(shù)的大小取決于兩種介質 的聲學特性，具體來說取決于介質的特性阻抗Z。 特性阻抗Z表征介質的聲學特性，其值為介質 的密度和波速的乘積，即Z=v,1.5 聲波在介質界面的反射和折射, R+T=1，符合能量守恒定律； Z1= Z2時，R=0，T=1，即當 兩種介質特性阻抗相等時，聲 波全部透過界面，無反射； 兩種介質特性阻抗相差懸殊時 （Z1 Z2或Z1 Z2），R1 ，T0，即聲波能量在界面 絕大部分被反射，難于進入第 二種介質。,1.5 聲波在介質界面的反射和折射,為什么換能器和被測體之間需要耦合 介質（黃油、水等） ？ 鋼、混凝土一類固體介質特性阻抗較 大，液體一類介質次之，空氣的特性阻 抗最小，因此，在空氣與固體介質界面 上，聲波很難通過，絕大部分被反射。 超聲波為什么可以探測裂縫？,1.6 聲波在傳播過程的衰減,聲波在介質中傳播過程中，其振幅將隨 傳播距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為 衰減。 聲波在任何介質中傳播都有衰減存在。 聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所 使用的超聲頻率及傳播距離，也取決于被檢 測材料的內部結構及性能。,1.6.1 固體材料中聲波衰減的原因,1.吸收衰減a 聲波在固體介質中傳播時，由于介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦，從而使一部分聲能轉變?yōu)闊崮?；同時，由于介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質的吸收現(xiàn)象。介質的這種衰減稱為吸收衰減。 2. 散射衰減s 介質中存在顆粒狀結構而導致的聲波衰減。 3. 擴散衰減 超聲波束都有一定的擴散角。波束擴散使得聲波能量逐漸分散，單位面積的能量隨傳播距離增加而減弱。,1.6.2 聲波衰減的表示,1.7 混凝土超聲檢測中應用的超聲波,重復間斷發(fā)射 發(fā)射換能器 發(fā)出的超聲波不是連續(xù)不斷 的，而是以一定重復頻率 (100Hz或50Hz)間斷地發(fā)射出 一組組超聲脈沖波。 脈沖超聲波是復頻波 由許多不同頻率的余弦波組 成。其固有的主頻率就是換能器上的標稱頻率。 頻漂 由于聲波的衰減與頻率有關，頻率越高,衰 減越大，脈沖超聲波傳播時由于衰減將引起主頻率 向低頻側的漂移。,第二章 儀器設備,2.1 數(shù)字式超聲儀,2.1.1 數(shù)字式超聲儀,數(shù)字式超聲儀優(yōu)點 接收信號被轉化為數(shù)字量，便于對信號（包括測試結果和整個波形）的存儲和重現(xiàn)； 信號為數(shù)字量，可方便地對信號進行各種后處理。目前常進行的是對信號作頻譜分析； 信號已變成不同幅值（電壓）的離散量，根據信號幅值的前后變化情況可以判斷出接收信號到達的起點，即實現(xiàn)用軟件進行的聲時和振幅自動判讀。 數(shù)字式超聲儀以計算機為主體，許多測試規(guī)程規(guī)定的數(shù)據處理、計算均可編制成軟件在儀器上運行，直接獲得測試的初步結果。,2.1.2 對超聲儀的要求,1. 應包括信號放大器、數(shù)據采集及處理存 儲器、徑向振動換能器； 2. 具有一發(fā)雙收功能； 3. 聲波發(fā)射應采用高壓階躍脈沖或矩形脈 沖，電壓最大值不應小于1000V，且分檔 可調。,2.1.2對接收放大與數(shù)據采集的要求,1. 接收放大器的頻帶寬度為5200kHz，增益不應 小于100dB，放大器的噪聲有效值不大于2V； 波幅測量范圍不小于80dB，測量誤差小于1dB。 2. 計時顯示范圍應大于2000s，精度優(yōu)于0.5s ，計時誤差不應大于2%。 3. 采集器模-數(shù)轉換精度不應低于8 bit，采樣頻率 不應小于10MHz，最大采樣長度不應小于32kB。,2.1.3 換能器原理,換能器 應用超聲波檢測混凝土，首先要解決超聲 波的產生和接收，再進行測量。采用換能器產生 和接收超聲波。 發(fā)射換能器： 采用最方便的能量電能，將它 轉化為超聲能量，即產生出超聲波。 接收換能器 ：當超聲波在混凝土中傳播后，為了度 量超聲波的各種聲學參數(shù)，將超聲能量轉化為最 容易量測的量電量。,2.1.4 壓電效應,正壓電效應 對某些不顯電性的電介質施加壓 力，引起介質內部正負電荷中心發(fā)生相對位移 而極化，導致介質兩端上出現(xiàn)符號相反的束縛 電荷。正壓電效應被用來接收超聲波。 反壓電效應 將具有壓電效應的介質置于電場 內，由于電場作用引起介質內部正負電荷中心 發(fā)生位移，這位移在宏觀上表現(xiàn)出產生了應變 。反壓電效應被用來發(fā)生超聲波。,2.1.5 壓電材料,2.1.6 換能器種類,2.1.7 常用換能器構造,2.2.8 對徑向換能器的要求,1. 徑向水平面無指向性； 2. 諧振頻率宜大于25kHz； 3. 1MPa水壓下能正常工作；101.97m 4. 收、發(fā)換能器的導線均應標注長度，標注允許 偏差不應大于10mm； 5. 接收換能器宜帶有前置放大器，頻帶寬度宜為 560kHz； 6. 單孔檢測采用一發(fā)雙收換能器，發(fā)射換能器至 接收換能器的最近距離不應小于30cm，兩接收 換能器的間距宜為20cm。,第三章 準備工作,3.1.1 聲波透射法測樁原理,聲波透射法定義： 在預埋聲測管之間發(fā)射 并接收聲波，通過實測 聲波在混凝土 介質中的 傳播時間、頻率和波幅 衰減等聲學參數(shù)的變化 對樁身完整性進行檢 測的方法。,聲測管的要求,1.混凝土灌注樁用鋼薄壁聲測管及使用要求（JT/T 705-2007 )；,2.聲測管型號表示方法,3.聲測管技術參數(shù)：,3.1.1聲波透射法測樁的優(yōu)點,檢測細致，通過加密、斜測、CT掃描，檢測可做到準確可靠； 不受樁長、樁徑限制，已測最大樁長110m，最大樁徑 3.0m ； 無盲區(qū)，可檢測樁頂?shù)蛷妳^(qū)和樁底沉渣厚度； 不受缺陷數(shù)量限制； 通過測量波速可估算樁身混凝土強度； 勿需開挖，聲測管露出地面（或水面）即可檢測。,3.2 超聲波法測樁規(guī)范,3.2 超聲波法測樁規(guī)范,抽檢數(shù)量 JGJ/T F81-01-2004 規(guī)定：重要工程的鉆孔灌注樁應埋設聲測管，檢測樁數(shù)不少于50%。,3.3 檢測工作程序,3.4 聲測管的安裝埋設,混凝土灌注樁用鋼薄壁聲測管及使用要求 JT/T 705-2007,3.5 聲測管的安裝埋設,3) 聲測管的聯(lián)結 優(yōu)先采用螺紋聯(lián)結 套筒聯(lián)結，不得對焊,3.4 聲測管的安裝埋設,4) 聲測管數(shù)量及布置 JGJ/T F81-01-2004： 800mm D 1500mm，3根；D1500mm，4根。,3.4 聲測管的安裝埋設,5) 聲測管安裝 1. 管口加蓋 2. 管底封閉 3. 管中灌水 4. 管子綁牢 5. 管間平行 管口高出樁頂300mm以上； 埋設至樁底； 牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內側。,第四章 室內分析,4.1.1 透射法聲速計算,計算實際聲時值時，應扣除兩部分時間： 1) 聲波檢測系統(tǒng)延遲時間t0； 2) 聲時修正值t，包括兩部分: a) 超聲波在聲測管水中的傳播時間tw； b) 超聲波在聲測管管壁中的傳播時間tt。 t = ti -t0 -tw -tt vi = L /t,4.1.2 單孔折射法聲速計算,t = t2 -t1 vi = h /t t 兩個接收換能器間聲時差； t1近道接收換能器聲時； t2遠道接收換能器聲時； vi 第i測點的聲速值； h 兩個接收換能器間距離。,4.2 缺陷分析方法,4.2.1 異常測點判斷概率法,4.2.1 異常測點判斷概率法,4.2.1 異常測點判斷概率法,4.2.1 異常測點判斷概率法,步驟3 將vn-k與異常判斷值vD比較，當vn-kvD時， vn-k及其以后的數(shù)據均為異常，去掉vn-k，對數(shù)據v1vn-k-1 重復步驟1、步驟2，直到vi序列中余下的全部數(shù)據滿足vi vD JGJ/T F81-01-2004舍棄明顯的波速異常值后試算,4.2.1 異常測點判斷概率法,4.2.1 異常測點判斷概率法,4.2.2 異常測點判斷PSD法,4.2.3 波速低限值判據,當檢測剖面n個測點的波速值普遍偏 低且離散性很小，采用波速低限值判據 vi vL vL波速低限值，由預留同條件混凝土 試件的抗壓強度與聲速對比試驗結果，結 合本地區(qū)實際經驗確定,4.2.4 聲測管管距問題及修正,規(guī)范要求聲測管平行，實際上很難做到。 極限狀況下兩根聲測管靠到一起。 管口測量值并不能代表每一深度的實際管距。,大廣高速京衡段LQ15合同K157+320分離立交橋 0B-5#基樁,1-3 剖面31.3-35m處波速變化,4.2.5 用振幅判斷缺陷,4.3 缺陷區(qū)域判斷 陰影重疊法,將所有相交的缺陷 陰影區(qū)進行疊加，其交 陰影重疊法原理 叉重疊所圍成的區(qū)域， 稱為缺陷陰影區(qū)，即為 缺陷的范圍。,4.3 缺陷區(qū)域判斷陰影重疊法,4.3 缺陷區(qū)域判斷陰影重疊法,張涿高速公路 保定段LJ-S3合同小西河大橋右7-1,1-2,1-3,1-4,病害位于14.9-15.1m之間 向樁中心約為18cm左右,1-3 剖面 波列圖,4.3 缺陷區(qū)域判斷陰影重疊法,4.4.1 缺陷性質的判斷,1. 樁底沉渣 -聲速低，波幅衰減嚴重； 2. 層狀缺陷- 聲速與波幅明顯下降，樁身 則為斷樁，樁頭則超高不夠； 3. 孔壁坍塌或泥團 -若包裹聲測管則波幅 衰減嚴重，斜測可分辨。 4. 混凝土離析 -石多漿少，聲速不降，波幅減 小;漿多石少，波幅不降，聲速下降。 5. 蜂窩- 聲速下降不大，波幅明顯衰減。,4.4.2 樁身完整性評價JTG/T F81-01-2004,4.5.1 檢測報告內容通用部分,1. 委托方名稱，工程名稱、地點，建設、勘察、設計、監(jiān)理和施工單位，基礎，結構型式，層數(shù)，設計要求，檢測目的，檢測依據，檢測數(shù)量，檢測日期； 2. 地質條件描述，包括土層分布及物理力學指標； 3. 受檢樁的樁號、樁位和相關施工記錄； 4. 檢測方法，檢測儀器設備，檢測過程敘述； 5. 受檢樁檢測數(shù)據，實測與計算分析曲線、表格和匯總結果； 6. 與檢測內容相應的檢測結論； 7. 檢測中異常情況的說明，檢測機構認為有必要說明的問題。,4.5.2 檢測報告內容,除超聲波法單樁檢測報告單中的內容外，檢測 報告還應包括： 1) 受檢樁各聲測剖面聲速深度曲線、波幅深 度曲線，并將相應判據臨界值所對應的標志線繪制于同一坐標系； 2) 當采用PSD值進行輔助分析判定時，繪制PSD曲線 ； 3) 樁缺陷位置及程度的分析說明,4.5.3 檢測報告示例,4.5.4 報告簽章,檢測、分析、校核、審批人員（技術負 責人）簽名； 加蓋機構報告專用章（包括騎縫章）； 加蓋計量認證章（CMA章）。,4.5.5 驗證檢測,對于聲波透射法檢測結果有爭議時重新檢測 鉆芯法驗證 靜載試驗（不常用）,第五章 現(xiàn)場操作,5.1 檢測前的準備工作,檢測前的準備應符合下列規(guī)定： 1） 被檢樁的混凝土齡期應大于14d； 2）聲測管內應灌滿清水，且保證通暢； 3）標定超聲波檢測儀發(fā)射至接收的系統(tǒng)延遲時間t0； 4）準確量測聲測管的內、外徑和兩相鄰聲測管外壁間的距離，量測精度為1mm； 5）檢查換能器扶正器是否完好、合適； 6）取芯孔的垂直度誤差不應大于0.5%，檢測前應進行孔內清洗。,水泵灌水后不能立即檢測,5.1 檢測前的準備工作,檢測前還應收集的信息： 1）了解灌注樁有關技術資料，包括地質資料、 樁長、樁徑、混凝土設計標號、齡期；灌注 樁施工情況，有無異常等； 2）記錄樁底及樁頂?shù)脑O計標高； 3）測量聲測管管口標高和每根聲測管的管底標 高； 4）繪出各聲測管方位圖。,5.2 檢測剖面的編號及檢測次序,5.3 記錄表,5.4 標定t0及聲時修正,5.4 標定t0及聲時修正,5.4 標定t0及聲時修正,5.4 標定t0及聲時修正,5.4 標定t0及聲時修正,5.4.4 聲時修正 聲時修正值一般在分析時扣除，如要 機內扣除，需在正式測量前，在儀器原 “零聲時”基礎上，手工再加上計算得到 的t，分析時不需再扣除 t。,5.5 現(xiàn)場檢測,（1）現(xiàn)場檢測要求 測點間距不宜大于250mm。發(fā)射與接收換能器 應以相同標高同步升降，其累計相對高差不應大于 20mm，并隨時校正； 在對同一根樁的檢測過程中，聲波發(fā)射電壓應保 持不變； 對于聲時值和波幅值出現(xiàn)異常的部位，應采用水 平加密、等差同步或扇形掃描等方法進行細測， 結合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴 重程度。,5.5 現(xiàn)場檢測,（2）儀器調試 將換