超聲波樁基檢測培訓課件

公路工程基樁檢測的規(guī)定：

（JTJ/TF81-01-2004）

1、公路工程基樁應進行100％的完整性檢測，各種方法的選定應具有代表性和滿足工程檢測的特定要求；

2、重要工程的鉆孔灌注樁應埋設聲測管，檢測的樁數(shù)不應少于50％；

3、高應變動測法的抽檢率可由工程設計或監(jiān)理單位酌情決定，但不宜少于相近條件下總樁數(shù)的5％且不少于５根。

9/20/20241超聲波樁基檢測超聲波法：

是在樁身預埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，或單孔中發(fā)射，可以測出被測混凝土介質的參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會波產生繞射、反射和折射，因而達到接收換能器時，根據(jù)聲時、波幅及主頻等特征參數(shù)的變化來判別樁身的完整性。鑒于目前公路橋梁工程大量使用大直徑樁和超長樁，該方法將越來越多的使用在基樁的檢測中。9/20/20242超聲波樁基檢測分四個部分講解：聲學理論檢測技術測試方法工程實例9/20/20243超聲波樁基檢測第一部分聲學理論聲學基礎聲波在介質中的傳播速度聲波在介質界面上的反射與透射聲波在傳播過程中的衰減混凝土中的聲波特性9/20/20244超聲波樁基檢測一、聲學基礎

1、波動波動是物質的一種運動形式，波動可分為兩大類：一類是機械波，它由于機械振動在彈性介質中引起的波動過程，例如；水波、聲波、超聲波等；另一類是電磁波，它是由于電磁振蕩所產生的變化電場和變化磁場在空間的轉播過程，例如無線電波、紅外線、紫外線、可見光、雷達波等。9/20/20245超聲波樁基檢測聲波:是彈性介質的機械波。人們所能聽到聲波頻率范圍是20～20KHz，即可聞聲波。當聲波頻率超過20～20KHz時，人耳就聽不到了，這種聲波就叫超聲波，其頻率范圍是20K～100MHz；當頻率低于20Hz的叫

次聲波，人耳也聽不到。各種聲波的頻率范圍見下表。9/20/20246超聲波樁基檢測各種聲波的頻率范圍（Hz）

次聲波可聞聲波超聲波特超聲波0～2020～20K20K～100M＞100M

在混凝土中超聲檢測使用的頻率一般在20KHz～200KHz范圍內。9/20/20247超聲波樁基檢測2、諧振動物體在一定位置附近作來回重復運動稱為振動，例如擺的運動、汽缸中活塞的運動、彈簧振子的運動等，這些是可以直接看到的振動。又例如一切發(fā)聲體的運動、在高頻電壓激勵下壓電晶體的運動，這些是不易或不能直接看到的振動。

相互間由彈性力聯(lián)系著的質點所組成的物質，稱為彈性介質。需要進行超聲檢驗的大量固體構件都是彈性介質。彈性介質是由相互間用小彈簧聯(lián)系著的質點所組成。如圖1-1所示。若這種介質中任何一個質點離開了平衡位置，則會產生使它恢復到平衡位置的力，這就是彈性力。9/20/20248超聲波樁基檢測圖1-1彈性介質模型圖1-2彈簧振子的振動

1-質點：2-小彈簧

9/20/20249超聲波樁基檢測進一步來說明諧振動

可以用彈簧振子來說明諧振動。如圖1-2所示，彈簧左端固定，右端系一物體。為使討論較為簡單，設彈簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力對運動的影響。設物體在位置0時，彈簧作用在物體上的力是零。這個位置就是物體的平衡位置，若把物體向右移動到位置B，這時彈簧被拉長，相應地有指向左方即向平衡位置的彈性力作用在物體上，使物體返回平衡位置。當物體回到平衡位置時，彈簧的彈力等于零，但物體在返回時獲得了速度，由于慣性，它將繼續(xù)向左移動。當物體在平衡位置左邊時，彈簧被壓縮，物體所受彈性力是指向右方，即平衡位置。這時彈性力作用是阻礙物體運動，直至物體停止在位置C。在這以后，物體在彈性力的作用下向右移動，情況和上述向左移動相似。這樣，在彈簧的彈性力作用下，物體在平衡位置的左右作重復運動，即振動。

9/20/202410超聲波樁基檢測取平衡位置0為X軸的原點，并設X軸的正向向右根據(jù)胡克定律，物體所受的彈性力F與物體位移x（即彈簧的變形量）的關系為：

F=-kx(1.1)式中：k——彈簧的彈性系數(shù)；-——力和位移的方向相反。設物體的質量為m根據(jù)牛頓第二定律（），它的速度為：

(1.2)9/20/202411超聲波樁基檢測因為k和質量m都是常數(shù)，所以它們的比值可以用一恒量F表示,即：

(1.3)式中：ω——角頻率或圓頻率。代入上式，得：

a=-ω2x

(1.4)從上式看出，上述振動的特征是：物體的加速度和位移成正比且方向相反，這種振動稱為諧振動。物體在彈性力作用下發(fā)生的運動是諧振動。諧振動是最簡單最基本的振動。任何復雜振動都是由許多不同頻率的諧振動所合成的。9/20/202412超聲波樁基檢測因為=,又得：+ω2x=0(1.5)根據(jù)微分方程理論，上式的解為：

x=Acos(ωt+

)(1.6)式中

A,

——兩個恒量；

A——振幅，它是質點離開平衡位置的最大位移；

t+

——振動的相位。這是諧振動中位移x和時間t的關系式，稱為諧振動的運動方程式，簡稱諧振動方程式。

9/20/202413超聲波樁基檢測3、波的產生與傳播在彈性介質中，任何一個質點機械振動時，因為這個質點與其鄰近的質點間有相互作用的彈性力聯(lián)系著，所以它的振動將傳遞給與之相鄰近的質點，使鄰近的質點也同樣地發(fā)生振動，然后振動又傳給下一個質點，依次類推。這樣，振動就由近及遠向各個方向以一定速度傳播出去，從而形成了機械波。從上述可知，機械波的產生，首先要有做機械振動的波（聲）源，其次要有傳播這種機械振動的介質。例如，把石子投入平靜的水中，在水面上可以看到一圈圈向外擴展的水波。9/20/202414超聲波樁基檢測再舉二個實例

彈性橫波：手握繩子一端上下振動，可以看到如圖

1-3的波向前傳播的過程，這就是彈性橫

波。

彈性縱波：用手迅速而有節(jié)奏地推拉彈簧的一端，

可以看到如圖1-4彈簧上有部分密集，部

分稀疏，部份疏密相間，且這種疏密相間

的狀態(tài)沿著彈簧向前傳播，這就是彈性縱

波。9/20/202415超聲波樁基檢測圖3.1-3繩子上的橫波圖3.1-4彈簧上的縱波9/20/202416超聲波樁基檢測4、波的種類波的種類是根據(jù)介質質點的振動方向和波的傳播方向的關系來區(qū)分的。它主要分為縱波、橫波、表面波等。(1)縱波：介質質點的振動方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，例如空氣、水中傳播的聲波就是縱波，如圖1-5所示。縱波又常稱“P”波?？v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，因此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，所以縱波可以在任何固體、液體、氣體中傳播。9/20/202417超聲波樁基檢測

圖1-5縱波

9/20/202418超聲波樁基檢測

(2)橫波：介質質點的振動方向與波的傳播方向垂直，這

種波稱為橫波，例如繃緊的繩子上傳播的波就是橫波，

如圖1-6所示。橫波又常稱“S”波。

橫波的傳播是使介質產生剪切變形時引起的剪切應

力變化而傳播的，因此和介質的切變彈性有關。由于液

體、氣體無一定形狀，當它們的形狀發(fā)生變化時，不產

生切變應力，所以液體、氣體不能傳播橫波，只有固體

才能傳播橫波。在氣體、液體中只有縱波存在。

9/20/202419超聲波樁基檢測圖1-6橫波

9/20/202420超聲波樁基檢測

（3）表面波：固體介質表面受到交替變化的表面張力，使介質表面的質點發(fā)生相應的縱向振動和橫向振動，結果使質點作這兩種振動的合成振動，即繞其平衡位置作橢圓振動。橢圓振動又作用于相鄰的質點而在介質表面?zhèn)鞑ィ@種波稱表面波，常以“R”表示。圖1-7為表面波傳播示意圖。圖中示出了瞬時的質點位移狀態(tài)。右側的橢圓表示質點振動的軌跡。由圖可知，質點只在xy平面內作橢圓振動而波在體表面（xz平面）沿x方向傳播。振動的長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。表面波傳播時，質點振動的振幅隨深度的增加而迅速減小。當深度等于2倍的波長時，振幅已經(jīng)很小了，因此，表面波多用于探測構件表面的情況。9/20/202421超聲波樁基檢測圖1-7表面波

表面波只能在固體中傳播。

9/20/202422超聲波樁基檢測5、波的形式

波的形式是根據(jù)波陣面的形狀來劃分的。如圖1-8所示，聲源在無限大且各向同性的介質中振動時，振動向各方面?zhèn)鞑?。傳播的方向稱為波線；在某一時刻振動所傳到各點的軌跡稱為波前；介質中振動相應相同的所有質點的軌跡稱為波陣面。在任一確定的時刻，波前的位置總是確定的，只有一個波前，而波陣面的數(shù)目則是任意多的。

9/20/202423超聲波樁基檢測圖1-8波線、波前、波陣面

（a）平面波；（b）球面波；（c）柱面波

1-波線；2-波前；3-波陣面9/20/202424超聲波樁基檢測

按波陣面的形狀可以把波分成平面波、球面波和柱面波。（1）平面波：波陣面為平面的波稱為平面波，其振源是一個作諧振動的無限大的平面。另外，從無窮遠的點狀聲源（點源）傳來的波，其波陣面可視為平面，也可稱為平面波。（2）球面波：波振面為球面的波稱為球面波，其振源是一個點狀聲源。（3）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波，其振源是一無限長的直柱形。9/20/202425超聲波樁基檢測6、波動方程

用數(shù)學方程式來描述一個前進中的波動，即描述介質中某質點相對于平衡位置的位移隨時間的變化，該數(shù)學方程式為波動方程。由于諧振動是最簡單的振動，所以由它產生的余弦波是最簡單、最基本的波。因此，先討論余弦振動在均勻介質中傳播過程所形成的余弦波波動方程。如1-9所示，設一平面余弦波在無吸收的無限均勻介質中沿x軸的正向傳播，波速為υ0、設0為波線上任意一點，并取其為坐標原點y軸為振動位移，若0點處質點作諧振動，從（1.6）式可知，其振動方程為：(1.7)式中：A—振幅；

—角頻率；

y0—質點在時間t時離開平衡位置的位移。9/20/202426超聲波樁基檢測圖1-9波動方程推導

9/20/202427超聲波樁基檢測

若是橫波，則位移方向與X軸垂直；如是縱波，則位移方向沿著X軸。設B為波線上另一任意點，離開原0的距離為x。因為振動從0點傳播到B點需要的時間為x/ν，所以B點處質點在時間t的位置等于0點處質點在時間(t-x／ν)的位移，即

（1.8）

9/20/202428超聲波樁基檢測(1．8)式表示，在波線上任意一點（距原點距離為x）處的質點在任一瞬時的位移，即沿x軸方向前進的平面余弦的波動方程。

波在一個周期T內（或者說質點完成一次振動）所傳播的路程為波長，用

表示。根據(jù)周期和波速的定義，三者關系為：

=νT(1.9)因為周期T與頻率f互為倒數(shù)，所以(4.1.9)式也可寫為：(1.10)

這是波速、波長、頻率間的基本關系。

9/20/202429超聲波樁基檢測不同類型的波在傳播過程中速度各不相同，且其聲速還取決于固體介質的性質（密度、彈性模量、泊松比），所以聲速是表征介質聲學特性的一個參數(shù)。另外，聲通的大小還與固體介質的邊界條件有關。

二、聲波在介質中的傳播速度

9/20/202430超聲波樁基檢測1、縱波聲速

在無限大固體介質中傳播的縱波聲速：

(1.11)式中：E——楊氏彈性模量；γ——泊松比；ρ——密度。在有限固體介質中傳播時，則形成制導波，其速度變小。

9/20/202431超聲波樁基檢測

2、橫波聲速

在無限大固體介質中傳播的橫波聲速：

(1.12)

式中：G——切變彈性模量。

9/20/202432超聲波樁基檢測3、材料的彈性參數(shù)與聲速值

下表列出了部分材料的彈性參數(shù)與聲速值。部分材料的彈性參數(shù)、聲速和特性阻抗

表3.1-2通過對固體介質聲速的討論可以看出：9/20/202433超聲波樁基檢測通過對固體介質聲速的討論可以看出：（1）介質的彈性性能愈強即E或G愈大，密度ρ愈小，則聲速愈高。（2）把（1.11）、（1.12）兩式相除，得到縱、橫波速度之比：(1.13)

對于一般固體介質λ大約在0.33左右，故νp／νs≈2?；炷恋牟此杀冉橛?.20、0.30之間，因此νp／νs介于1.63～1.87之間，即在混凝土中，縱波速度為橫波速度的1.63～1.87倍。

9/20/202434超聲波樁基檢測

聲波在無限大介質中傳播只是在理論上成立。實際上任何介質總有一個邊界。當聲波在傳播中從一種介質到達另一種介質時，在兩種介質的分界面上，一部分聲波被反射，仍然回到原來介質中，稱為反射波；另一部分聲波則透過界面進入另一種介質中繼續(xù)傳播，稱為折射波（透射波）。聲波透過界面時，其方向、強度、波型均產生變化。這種變化取決于兩種介質的特性阻抗和入射波的方向?，F(xiàn)分垂直入射和傾斜入射兩種情況來討論。三、聲波在介質界面的反射與透射

9/20/202435超聲波樁基檢測1、垂直入射（1）單一的平面界面

當平面波垂直入射到一個光滑平面界面時，將產生一個與入射波方向相反的反射波和一個與入射波方向相同的透射波（圖1-10）。這是波入射到界面上時最簡單的情況。

9/20/202436超聲波樁基檢測9/20/202437超聲波樁基檢測先討論入射波、反射波和透射波聲壓之間的關系。在界面上，用反射波聲壓pr與入射波聲壓p0的比值表示聲壓反射率R，即：(1.14)

用透射波聲壓Pd與入射波聲壓p0的比值表示聲壓透射率D即：(1.15)界面兩側兩種介質的特性阻抗分別為Z1和Z2。9/20/202438超聲波樁基檢測

（2）異質薄層的反射與透射

當聲波在一種介質中傳播時，有時會遇到第二層介質的薄層，如混凝土裂縫就是這種情況。這種情況下將產生多次反射與透射，情況要更復雜一些。9/20/202439超聲波樁基檢測2、傾斜入射

當聲波在一種介質中傾斜入射到另一介質界面時，將產生方向、角度及波形的變化。和光的傳播類似，聲波在界面上方向和角度的變化服從反射定律和折射定律，如圖1-11。9/20/202440超聲波樁基檢測

反射定律：入射角（i）的正弦與反射角（β）

的正弦之比等于入射波與反射波速度之比。由

于入射波與反射波在同一介質中，其速度相等，

所以入射角等于反射角（i=β）。

折射定律：入射角（i）的正弦與折射角（θ）

的正弦之比等于入射波與折射波速度之比，即：

(1.16）9/20/202441超聲波樁基檢測圖1-11流體界面上聲波的反射與折射

圖1-12固體界面上聲波的反射與折射9/20/202442超聲波樁基檢測以上情況可以在流體（氣體、液體）的分界面看到。在這種情況下，介質中只有單一的波-縱波出現(xiàn)。在固體介質分界面的情況則復雜一些。當一種波（例如縱波）入射到固體分界面時，不僅波方向發(fā)生變化且波型也發(fā)生變化，分離為反射縱波、反射橫波，折射縱波和折射橫波。各類波的傳播方向（即反射角與折射角）各不相同，如圖1-12所示。各種類型波的傳播方向的變化亦符合幾何光學中的反射定律和折射定律。其數(shù)學表達式如下：(1.17)

ν1p,ν2p——縱波在第一、二介質中的傳播速度；ip,βp，θp——縱波入射角、反射角、折射角；

βS，θS——橫波反射角、折射角。9/20/202443超聲波樁基檢測增大入射波的入射角，則折射波的折射角亦隨之增大。如果入射波是縱波，且ν1p<ν2p則由（1.15）式可知，θp>ip,即折射角大于入射角。當ip增大，θp也增大，當θp＝90°時，此時的入射角叫第一臨界角，用符號i1；表示。顯然，當入射角大于第一臨界角時，第二種介質中只有折射橫波存在，如圖1-13。這是一種獲得橫波的方法。第一臨界角(1.18)當θ=90°時，此時的入射角叫第二臨界角，用符號i2表示，如圖1-14。第二臨界角(1.19)

9/20/202444超聲波樁基檢測圖1-13第一臨界角圖1-14第二臨界角9/20/202445超聲波樁基檢測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的現(xiàn)象為衰減。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。因此研究聲波在介質中的衰減情況將有助于探測介質的內部結構及性能。四、聲波在傳播過程中的衰減

9/20/202446超聲波樁基檢測

固體材料中聲波衰減主要有以下幾個方面的原因：

（1）吸收衰減：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)闊崮堋?/p>

（2）散射衰減：當介質中存在顆粒狀結構（如固體介質中的顆粒、缺陷、摻雜物等）而導致聲波能量的衰減。如在混凝土中一方面其中的粗骨料構成許多聲學界面，使聲波在這些界面上產生多次反射、折射和波型轉換；另一方面微小顆粒在超聲波的作用下產生新的震源，向四周發(fā)射聲波，使聲波能量的擴散到達最大。

（3）擴散衰減：聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波束都有一定的擴散角。波束的擴散，導致能量的逐漸分散，從而使單位面積的能量隨傳播距離的增加而減弱。9/20/202447超聲波樁基檢測

致密、強度高的混凝土聲衰減系數(shù)小，相對接收波幅大；強度低或存在缺陷混凝土衰減系數(shù)大，相對接收波幅小。當混凝土質量差或存在缺陷時接收到的聲信號中高頻已損失，頻率變低。

9/20/202448超聲波樁基檢測五、混凝土中的聲波特性

聲學原理中所討論的聲波指的都是連續(xù)的余弦波，而實際上超聲儀發(fā)射換能器所發(fā)射的超聲波卻是脈沖超聲波。9/20/202449超聲波樁基檢測

脈沖超聲波有以下特點：

（1）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，如圖1-15所示。這就是所謂超聲脈沖波。

雖然脈沖波與連續(xù)波不一樣，但是前面所推導的單一界面的反射率和透射率公式仍然能適用。至于異質薄層的反射率和透射率的公式只有在異質薄層相對于脈沖寬度很窄時（例如裂縫），脈沖波相當于連續(xù)波時，該式才適用。

9/20/202450超聲波樁基檢測（2）脈沖超聲波不具有單一頻率而是所謂復頻波。

也就是說，這一組超聲波由許多不同頻率的余弦波組成。當然，它也有其固有的主頻率，這就是換能器上的標稱頻率。這種復頻超聲波在有頻散現(xiàn)象的介質中傳播時，各種頻率成分的波將以不同速度傳播，這就使得脈沖波形將隨傳播距離的增大而發(fā)生畸彎，變成如圖1-16所示，脈沖開始部分的頻率比后面部分要高，后面愈來愈平坦變寬。9/20/202451超聲波樁基檢測圖1-15超聲脈沖波圖1-16脈沖傳播過程中的畸變

9/20/202452超聲波樁基檢測

由于聲波的衰減與頻率有關，頻率越高衰減越大，因此在脈沖超聲波傳播時由于衰減將引起主頻率向低步側的漂移，即所謂頻漂。

9/20/202453超聲波樁基檢測第二部分檢測技術超聲波檢測混凝土缺陷的基本原理超聲波檢測混凝土灌注樁完整性方法的適用范圍超聲波檢測儀器與設備9/20/202454超聲波樁基檢測

采用超聲脈沖檢測混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數(shù)的相對變化來判定混凝土的缺陷。一、超聲波法檢測混凝土缺陷的基本原理9/20/202455超聲波樁基檢測超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實度有直接關系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實，相反則混凝土不密實。當有空洞或裂縫存在時，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)過缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發(fā)生畸變。9/20/202456超聲波樁基檢測根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學參數(shù)測量值和相對變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。9/20/202457超聲波樁基檢測二、超聲波檢測混凝土灌注樁完整性方法的適用范圍

基樁聲波透射法是一種檢測混凝土灌注樁完整性的有效手段，它是利用聲波的透射原理對樁身混凝土介質狀況進行檢測，因此僅適用于在灌注成型過程中已經(jīng)埋了兩根或兩根以上聲測管的基樁。

9/20/202458超聲波樁基檢測

在樁身預埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，或單孔中發(fā)射并接收，可以測出被測混凝土介質的聲學參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會產生繞射、反射和折射，因而到達接收換能器的聲時、波幅及主頻發(fā)生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數(shù)來判別樁身的完整性。9/20/202459超聲波樁基檢測對跨孔透射法，當樁徑較小時，聲測管間距也較小，其測試誤差相對較大，同時預埋聲測管可能引起附加的灌注樁施工質量問題。因此，超聲波檢測方法適用于檢測直徑不小于800mm的混凝土灌注樁的完整性，它包括跨孔透射法和單孔折射法。單孔折射波法是根據(jù)上部結構對基樁的質量要求，檢測鉆芯孔孔壁周圍的混凝土質量。9/20/202460超聲波樁基檢測用超聲波法檢測鉆孔灌注樁完整性的優(yōu)點在于結果準確可靠，不受樁長、樁徑限制，無盲區(qū)（聲測管范圍內都可檢測），可測樁頂?shù)蛷妳^(qū)和樁底沉渣厚度，樁頂不露出地面即可檢測，方便施工，也可粗略估測混凝土強度。

9/20/202461超聲波樁基檢測1、超聲波儀超聲波儀是混凝土灌注樁缺陷檢測的基本裝置。它的作用是產生重復的電脈沖并激勵發(fā)射換能器。發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合進入混凝土，在混凝土中傳播后被接收換能器接收并轉換為電信號，電信號送至超聲儀，經(jīng)放大后顯示在示波屏上。自60年代開始生產第一代電子管超聲儀至今已發(fā)展為第四代智能數(shù)字式超聲儀，見下表：三、超聲波檢測儀器與設備

9/20/202462超聲波樁基檢測超聲波儀的發(fā)展概況

超聲波儀的發(fā)展概況表3.2-19/20/202463超聲波樁基檢測超聲波儀的發(fā)展概況表3.2-1超聲檢測系統(tǒng)應包括三大部分：即接收信號放大器，數(shù)據(jù)采集及處理存儲器和徑向振動換能器等。為了提高現(xiàn)場檢測及室內數(shù)據(jù)處理的工作效率，保證檢測結果的準確性和科學性，聲波測試儀器必須具有實時顯示波形、分析功能及一發(fā)雙收等功能。聲波發(fā)射應采用高壓階躍脈沖或矩形脈沖，其電壓最大值不應小于1000V，且分檔可調。數(shù)字式超聲波儀的基本工作原理框圖見圖2-1所示。9/20/202464超聲波樁基檢測圖2-1數(shù)字式超聲儀的基本原理

9/20/202465超聲波樁基檢測超聲波儀除了產生、接收、顯示超聲波外，還必須量測超聲波的有關參數(shù)，如聲傳播時間、接收波振幅、頻率等。其接收放大器與數(shù)據(jù)采集器的主要技術指標要求如下：9/20/202466超聲波樁基檢測(1)儀器接收放大器頻率響應范圍（頻帶）應有足夠寬度，一般為5～200kHz，其下限不宜降低，否則不利于濾去因換能器絕緣性能降低而產生的低頻信號，造成自動判讀時丟波和錯判現(xiàn)象。增益不應小于100dB，放大器的噪聲有效值不大于2μs，波幅測量范圍不小于80dB，測量誤差小于1dB。(2)為滿足最大測距的要求，儀器的計時顯示范圍應大于2000μs，保證有足夠的掃描延遲時間及聲時顯示位數(shù)，并應具有良好的穩(wěn)定性，聲時顯示調節(jié)在20～30μs范圍內，2小時內聲時顯示的漂移應不大于±0.2μs，且不允許發(fā)生間隔跳動。

9/20/202467超聲波樁基檢測(3)

儀器應有較好的接收靈敏度（即對微弱信號的接收分辨能力）。一般要求接收靈敏度≤50μν，該參數(shù)取決于儀器的放大能力和信噪比水平，提高靈敏度可以加大穿透距離，提高對微弱信號的識別能力。為滿足混凝土試件聲速測量精度的要求，測時最小分辨度為0.5μν，計時誤差不大于2％。(4)采集器模數(shù)轉換精度不應低于8bit，采樣頻率不應小于10MHz，最大采樣長度不應小于32kB。

9/20/202468超聲波樁基檢測(5)儀器宜具有示波屏顯示波形和游標測讀功能，以便較準確的測讀聲時、振幅及頻率等參數(shù)。若采用整形自動測讀時，檢測混凝土測距不宜超過lm（以軟件判別方法自動測讀的智能超聲儀除外）。(6)為了提高現(xiàn)場測試效率，儀器應有自動測讀、信號采集、存儲和處理系統(tǒng)，適于一般現(xiàn)場測試情況下的溫度、電源變化條件。9/20/202469超聲波樁基檢測

常用換能器按波型不同分為縱波換能器與橫波換能器，分別用于縱波與橫波的測量。目前，一般檢測中所用的多是縱波換能器。以發(fā)射和接收縱波為目的的換能器，又分為平面換能器、徑向換能器以及一發(fā)多收技能器，見圖2-2。

2、徑向振動換能器

9/20/202470超聲波樁基檢測圖2-2換能器的分類

9/20/202471超聲波樁基檢測

換能器的種類需根據(jù)被測結構物的測試要求和測試條件確定。測樁所用的換能器應是柱狀徑向換能器，其主頻宜為25～50kHZ，長度宜為20cm。收、發(fā)換能器的導線均應有長度標注，其標注允許偏差不應大于10mm。為提高接收換能器的靈敏度，可在換能器中安裝前置放大器。前置放大器的頻帶寬度宜為5～50kHz。由于換能器在深水中工作，其水密性應滿足在1MPa水壓下不漏水。9/20/202472超聲波樁基檢測換能器頻率的選擇需綜合考慮測距、聲波的衰減程度、測試精度等。測距越大，衰減越大，選用換能器的頻率越低；混凝土質量越差，強度越低，齡期越短，對聲波的衰減越大，使用頻率越低；在滿足首波幅度測讀精度的條件下，宜選用較高頻率換能器。對于一般的正?；炷?，換能器頻率選擇可參見表2-2。

9/20/202473超聲波樁基檢測表2-2換能器的分類

9/20/202474超聲波樁基檢測單孔檢測采用一發(fā)雙收一體型換能器，其發(fā)射換能器至接收換能器的最近距離不應小于300mm，兩接收換能器的間距宜為200mm。9/20/202475超聲波樁基檢測

3、聲測管聲測管是進行超聲脈沖法檢測時換能器進入樁體的通道。它是灌注樁超聲脈沖檢測系統(tǒng)的重要組成部分。它在樁內的預埋方式及其在樁的橫截面上的布置形式，將直接影響檢測結果。因此，需檢測的樁應在設計時將聲測管的布置和埋置方式標入圖紙，在施工時應嚴格控制埋置的質量，以確保檢測工作順利進行。

9/20/202476超聲波樁基檢測

（1）聲測管的選擇，以透聲率較大、便于安裝及費用較低為原則?？紤]到公路基樁大多數(shù)是大樁、長樁，加上混凝土的水化熱作用及鋼筋籠安放和混凝土澆注過程中存在較大的作用力，容易造成檢測管變形、斷裂，從而影響檢測工作的順利進行。因此，聲測管應采用強度較高的金屬管。（2）聲測管常用的內徑規(guī)格是50～60mm。為了便于換能器在管中上下移動，聲測管的內徑通常比徑向換能器的外徑大10mm；當對換能器加設定位器時，聲測管內徑應比換能器外徑大20mm。9/20/202477超聲波樁基檢測（3）在聲波透射法檢測中，超聲波特征值僅與收、發(fā)檢測管間連線兩邊窄帶區(qū)域（聲測剖面）的混凝土質量密切相關。當灌注樁的直徑增大時，每組聲測管間超聲波的混凝土檢測范圍占樁截面積比例減小，不能反映樁身截面混凝土的整體質量狀況，因此，聲測管的數(shù)量及布置方法決定了樁身混凝土實際的檢測面積和檢測范圍，對直徑大的樁必須增加聲測管的數(shù)量。一般樁徑小于800mm時，沿直徑布置兩根聲測管，構成一個聲測剖面；樁徑為800～1500mm時，應按等邊三角形均勻布置三根聲測管，構成三個聲測剖面；樁徑大于1500mm時，應按正方形均勻布置四根聲測管，構成六個聲測剖面，如圖2-3圖中的陰影區(qū)為檢測的控制面積。9/20/202478超聲波樁基檢測

圖2-3聲測管布置方式

9/20/202479超聲波樁基檢測

（4）由于聲測管間距隨深度的變化難以確定，各深度處的聲速只能采用樁頂二根聲測管的距離來計算，因此，為減少偏差必須將聲測管牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內側，并在相鄰聲測管之間焊接等長水平撐桿，保持管與管之前互相平行且定位準確。為避免產生漏漿、漏水和因焊渣造成管內堵塞問題，聲測管不應采用對焊方法連接，而應采用螺紋連接，聲測管埋設至樁底并封閉，管口高出樁頂面300mm以上并加蓋。（5）根據(jù)公路工程的特點和便于了解樁身缺陷存在的方位，聲測管埋設時宜將其中一根對準線路前行方向。以路線前進方向的頂點為起始點，按順時針旋轉方向進行編號和分組，每二根編為一組。9/20/202480超聲波樁基檢測第三部分測試方法測試方法檢測數(shù)據(jù)分析與評定樁身混凝土質量評價檢測報告9/20/202481超聲波樁基檢測

1、檢測前的準備（1）在檢測前應進行現(xiàn)場調查，多方面收集基樁的技術資料，如工程地質資料、基樁設計圖紙和施工記錄、監(jiān)理日志等，了解施工工藝及施工過程中出現(xiàn)的異常情況，這對判定異常信號產生的真實原因十分有益。同時還應根據(jù)調查結果和檢測的目的，制定相應的檢測方案。檢測方案包括：工程概況，目的與任務，方法與技術，儀器設備，檢測場地要求，檢測人員和時間安排，檢測報告等。

一、測試方法9/20/202482超聲波樁基檢測

（2）檢測的時間應滿足混凝土強度齡期的要求。為保證檢測結果的可靠性，同時考慮到混凝土在齡期14天后的超聲波波速等特性參數(shù)變化已經(jīng)趨于平緩，一般要求超聲波檢測混凝土灌注樁的齡期應大于14天。（3）檢測前應沖洗聲測管，以保證換能器在全程范圍內升降順暢。聲測管內灌滿清水做為偶合劑，因聲測管中的渾濁水將明顯甚至嚴重加大聲波衰減和延長傳播時間，給聲波檢測結果帶來誤差。對利用取芯孔進行單孔超聲波混凝土質量檢測，在檢測前也應進行孔內清洗，取芯孔的垂直度誤差不應大于0.5％。9/20/202483超聲波樁基檢測

（4）標定超聲波檢測儀從發(fā)射至接收儀器系統(tǒng)產生的系統(tǒng)延遲時間t0。將發(fā)、收換能器平行置于清水中的同一高度，其中心間距從400mm左右開始逐次加大兩換能器之間的距離，同時定幅測量與之相應的聲時，再分別以縱、橫軸表示間距和聲時作圖，在聲時橫軸上的截距即為t0。為保證測試精度，兩換能器間距的測量誤差不應大于0.5％，測量點不應少于5個點。（5）用直徑明顯大于換能器的圓鋼疏通聲測管，并記錄深度，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。9/20/202484超聲波樁基檢測

2、測試裝置形式灌注樁的測試裝置形式主要有：1）水平同步平測，一對換能器分別置于兩個對應聲測管中，位于同一高度進行測試；2）等差同步斜測，一對換能器分別置于兩個對應聲測管中，但不在同一高度，保持一定高程差進行測試；3）扇形掃測，一對換能器分別置于兩個對應聲測管中，保持一個換能器高度位置固定，另一個換能器以一定的高程差上下移動進行測試，如圖3-1。9/20/202485超聲波樁基檢測

圖3-1測試裝置示意

9/20/202486超聲波樁基檢測3、檢測方法（1）徑向換能器在水平方向具有一定的指向性，為了保證測點間聲場對樁身混凝土的覆蓋面，防止缺陷的漏檢，上、下相鄰兩測點的間距宜為250mm。測試時，發(fā)射與接收換能器以相同標高同步升降，測試中，對收、發(fā)換能器所在的深度隨時校準，其累計相對高程誤差控制在20mm以內，避免由于過大的相對高程誤差而產生較大的測試誤差。9/20/202487超聲波樁基檢測

（2）聲波透射法檢測混凝土灌注樁質量中，聲時和波幅是兩個重要指標，其中波幅對混凝土內部缺陷的反應往往比聲時更具敏感性。在實際檢測中，波幅是一個相對量，而聲時又是根據(jù)波形的起跳點來確定的。因此，為了使不同位置處的檢測數(shù)據(jù)具有可比性和應用價值，在同一根樁的檢測過程中，聲波發(fā)射電壓和放大器增益等參數(shù)應保持不變，并進行等幅測試。

9/20/202488超聲波樁基檢測

（3）對聲時值和波幅值的可疑點應進行復測。對于聲時值和波幅值出現(xiàn)異常的部位，應采用水平加密、等差同步或扇形掃測等方法進行細測，結合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。其中水平加密細測是基本方法，而等差同步和扇形掃測主要用于確定缺陷位置和大小，其發(fā)、收換能器連線的水平夾角一般為30°～40°。9/20/202489超聲波樁基檢測（4）常規(guī)超聲波測試方法可以得到灌注樁沿樁長方向的粗略質量分布情況。CT層析成像技術配有專門的分析軟件，適宜于對局部可疑區(qū)域或重要結構進行重點加密細測，并可對樁身缺陷進行定量分析，其方法測試流程圖見圖3-2。（5）同一根樁中有三根以上聲測管時，以每兩個管為一個測試剖面分別測試。并在測試過程中保持測試系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)不變。

9/20/202490超聲波樁基檢測

圖3-2混凝土灌注樁的測試流程

9/20/202491超聲波樁基檢測

目前樁身混凝土缺陷判別主要依據(jù)于實測聲速、波幅及其隨深度的變化曲線并根據(jù)聲速判據(jù)、波幅判據(jù)和PSD判據(jù)綜合分析樁身質量及混凝土缺陷程度。二、檢測數(shù)據(jù)分析與評定

9/20/202492超聲波樁基檢測

1、判斷樁內缺陷的基本物理量在鉆孔灌注樁的檢測中所依據(jù)的基本物理量有以下四個：

（1）聲速：超聲波在混凝土中傳波的速度。當超聲波在傳播過程中遇到混凝土缺陷時將產生繞射，此時超聲波在混凝土中傳播的時間加長，計算出的聲速也降低。一般來說聲速指標比較穩(wěn)定，重復性好，數(shù)據(jù)有可比性，但對樁身缺陷反應不夠敏感。9/20/202493超聲波樁基檢測

（2）波幅：超聲波在缺陷界面產生反射、散射，能量衰減，波幅降低。采用波幅指標進行缺陷判斷時，要求波幅值有可比性。即儀器、換能器、信號線等測試系統(tǒng)不變，發(fā)射電壓、采樣頻率等測試參數(shù)不變，測距相同，測試角度相同，這樣的測試數(shù)值才有可比性。波幅變化受表面耦合狀態(tài)的影響較大，因此應保持傳感器與混凝土灌注樁之間有良好的耦合狀態(tài)。波幅變化對樁身缺陷的反應就比較很敏感。9/20/202494超聲波樁基檢測

（3）主頻（或頻譜）：超聲脈沖是復頻波，具有多種頻率成分，當它穿過混凝土后，各頻率成分在遇到缺陷時衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴重，因而使接收信號的主頻率向低頻端漂移（頻移）。9/20/202495超聲波樁基檢測（4）波形畸變：由于超聲脈沖在缺陷界面反射和折射，形成波線不同的波束，這些波束由于傳播路徑不同，或由于界面上產生波型轉換而形成橫波等原因，使得到達接收換能器的時間不同，因而使接收波成為許多同相位或不同相位波束的疊加波，導致波形畸變。實踐證明，凡超聲波在傳播過程中遇到缺陷，其接收波形往往產生畸變，所以波形畸變可作為判斷缺陷的一個參考依據(jù)。但是，波形畸變的原因很多，某些非缺陷因素也會導致波形畸變，運用時應慎重分析。關于波形畸變后采取怎樣的分析技術，還有待進一步研究。9/20/202496超聲波樁基檢測

2、聲時修正值的計算當聲波從某一聲測管傳播至另一聲測管時，將通過耦合的水和金屬聲測管，因此必須進行聲時修正。其聲時修正的計算公式：

(3.1)式中：t‘——聲時修正值（μs）；

D——聲測管外徑（mm）；

d'——聲測管內徑（mm）；

d'——換能器外徑（mm）；

νt——預埋聲測管的聲速值（km/s）；

νw——水的聲速值（km／s）。對鋼質聲測管，波速一般可取5800m／s；20°C時水的聲速可取1480m/s。9/20/202497超聲波樁基檢測

3、聲時初讀數(shù)的計算超聲波在預埋聲測管之間傳播，所測得的走時包括：超聲系統(tǒng)聲時初讀數(shù)、超聲波在聲測管的耦合水里傳播的聲時、超聲波在聲測管中傳播的聲時、超聲波在混凝土中傳播的聲時。為了準確計算灌注樁的混凝土波速，應對實測聲時讀數(shù)進行預處理，一般采取實測聲時減去聲時初讀數(shù)的方法，獲得超聲波在混凝土中傳播的實際聲時。該聲時初讀數(shù)的計算公式是：(3.2)式中：t0——超聲系統(tǒng)聲時初讀數(shù)；

t'——聲時修正值（μs）。9/20/202498超聲波樁基檢測

4、聲時、聲速和聲速平均值

聲時、聲速和聲速平均值應按下列公式計算，并繪制聲速-深度曲線、波幅-深度曲線。(3.3)(3.4)(3.5)

式中:ti——超聲波第i測點聲時值（μs）；

t0——聲波檢測系統(tǒng)延遲時間（μs）；

νi——第i個測點聲速值（km／s）；

l——兩根檢測管外壁間的距離（mm）；

νm——混凝土聲速平均值（km／s）；

n——測點數(shù)。

9/20/202499超聲波樁基檢測

鑒于目前所用的換能器頻帶窄和用頻率判定樁身混凝土缺陷的方法還不成熟。因此，未將聲波頻率-深度曲線作為樁身混凝土完整性的主要判定指標之一。9/20/2024100超聲波樁基檢測5、單孔折射法為了測試單根聲測管或驗證取芯孔周圍的混凝土質量，往往采用一發(fā)雙收的一體化徑向還能器。測試時，其聲時、聲速值應按下列公式計算：(3.6)(3.7)式中：νi——第i測點的聲速值（km/s）Δt——兩個接受換能器間的聲時差(μs);

t１——近道接收換能器聲時(μs);

t2——遠道接收換能器聲時(μs);

h——兩個接收換能器間的距離（mm）。9/20/2024101超聲波樁基檢測

三、樁身混凝土質量評價

1、強度評價混凝土強度的評價是建立在波速與混凝土物理力學指標之間相關性的基礎上。聲速可通過混凝土彈性模量與其力學強度的內在聯(lián)系，與混凝土抗壓強度建立相關關系，并推定混凝土的強度。表3-1表示混凝土強度與聲速之間的相關關系。當聲速小于3500m／s時，說明混凝土質量較差。9/20/2024102超聲波樁基檢測

混凝土強度與聲速關系參考表表3-19/20/2024103超聲波樁基檢測

在恒定泊松比情況下，混凝土彈性模量與壓縮波速度的經(jīng)驗關系如圖3-3所示，混凝土的抗壓強度與彈性模量的關系如圖3-4所示。在已知混凝土構件的彈性波速度層析圖后，根據(jù)圖3-3可換算出混凝土的彈性模量，再根據(jù)圖3-4可換算出混凝土的抗壓強度并評定混凝土的質量。9/20/2024104超聲波樁基檢測

圖3-3混凝土彈性模量與波速關系圖3-4彈性模量與抗壓強度關系9/20/2024105超聲波樁基檢測

目前，在國內一般采用統(tǒng)計方法建立專用曲線或數(shù)學表達式，如兩種非線性的數(shù)學表達式，其中e為動彈性模量，v為波速，為立方體抗壓強度，A、B、C為經(jīng)驗系數(shù)。9/20/2024106超聲波樁基檢測

2、樁身混凝土缺陷聲速判據(jù)

聲速臨界值的確定基于概率法，即無缺陷的混凝土聲速測值雖因其本身的不均勻性造成一定的離散性，但符合正態(tài)分布；由缺陷造成的低聲速值-異常值不符合正態(tài)分布。因此，確定臨界值時必須采用正常混凝土的聲速平均值及標準差，否則，求得的聲速平均值將偏小，易造成漏判。同時還應分析考慮聲測管間不平行產生的誤差影響。聲速是材料的基本物理量之一，它與混凝土強度相關，實測聲速應大于或等于聲速低限值。聲速低限值由同條件混凝土試件做強度和速度對比試驗，結合地區(qū)經(jīng)驗確定。聲速低限值相對應的混凝土強度不宜低于0.9R（R為混凝土設計強度），若試件為鉆孔芯樣，則不宜低于0.85R。9/20/2024107超聲波樁基檢測

當實測混凝土聲速值低于聲速臨界值時應將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.8)

式中：νi——第i個測點聲速值（km/s）;

νD——聲速臨界值(km/s);9/20/2024108超聲波樁基檢測聲速臨界值采用正?；炷谅曀倨骄蹬c2倍聲速標準差之差，即：(3.9)(3.10)(3.11)

式中：νD——聲速臨界值（km/s）;

——正?；炷谅曀倨骄?km/s);

σν——正?；炷谅曀贅藴什?；

νi——第i個測點聲速值(km/s)

n——測點數(shù)。9/20/2024109超聲波樁基檢測

當檢測剖面n個測點的聲速值普遍偏低且離散性很小時，宜采用聲速低限值判據(jù)。即實測混凝土聲速值低于聲速低限值時，可直接判定為異常。(3.12)式中：νi——第i個測點聲速值(km/s);νL——聲速低限值(km/s)。聲速低限值應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(jīng)驗確定。9/20/2024110超聲波樁基檢測

3、樁身混凝土缺陷波幅判據(jù)

波幅是相對測試，也曾有人試圖用概率統(tǒng)計理論來確定臨界值，但由于樁身混凝土內部結構的變異性很大而難以找出較強的波幅統(tǒng)計規(guī)律性，因而實際中多是根據(jù)實測經(jīng)驗將波幅值的一半定為臨界值。

9/20/2024111超聲波樁基檢測

用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值，當實測波幅低于波幅臨界值時，應將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.13)(3.14)式中：AＤ——波幅臨界值（dB）；Am——波幅平均值（dB）；Ai——第i個測點相對波幅值（dB）。

9/20/2024112超聲波樁基檢測

PSD法是基于缺陷處聲時的變化引起聲時深度曲線的斜率明顯增大，而聲時差的大小又與缺陷程度密切相關，因此兩者之積對缺陷的反映更加明顯，即(3.15)3、樁身混凝土缺陷波幅判據(jù)

9/20/2024113超聲波樁基檢測

采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當PSD值在某測點附近變化明顯時，應將其作為可疑缺陷區(qū)。(3.16)式中：ti——第i個測點聲時值（μs）;ti-1——第i－１個測點聲時值(μs);zi——第i個測點深度(m);zi-1——第i－l個測點深度（m）。9/20/2024114超聲波樁基檢測

5、混凝土聲速、波幅和PSD值出現(xiàn)異常對于混凝土聲速和波幅值出現(xiàn)異常并判為可疑缺陷區(qū)的部位，應采用水平加密、等差同步或扇形掃測等方法進行細測，結合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。對聲速、波幅和PSD值超越臨界值異?；蛲蛔儠r，應對缺陷處進行細測。同時結合波形、施工工藝和施工記錄等有關資料進行綜合分析，以確定樁身混凝土缺陷的位置和程度。當聲速普遍低于低限值時，應通過鉆孔取芯法檢驗基樁的混凝土強度。9/20/2024115超聲波樁基檢測

6、支承樁或嵌巖板對支承樁或嵌巖樁，宜同時采用低應變反射波法檢測樁端的支承情況。由于超聲波只能檢測樁身部分的混凝土質量，對于支承樁或嵌巖樁，宜同時采用低應變反射波法檢測樁端的支承情況，確?；鶚冻休d力滿足設計要求。9/20/2024116超聲波樁基檢測

7、樁身完整性類別判定Ⅰ類樁：各聲測剖面每個測點的聲速、波幅均大于臨界值，波形正常。Ⅱ類樁：某一聲測剖面?zhèn)€別測點的聲速、波幅略小于臨界值，但波形基本正常。Ⅲ類樁：某一聲測剖面連續(xù)多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值，PSD值變大，波形畸變。IV類樁：某一聲測剖面連續(xù)多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴重畸變。9/20/2024117超聲波樁基檢測

四、檢測報告試驗檢測報告應包含下列內容：

1．工程地質勘察報告；2．工程樁位