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环境与工程地球物理讲义. 声波透射法检测技术 第三部分 现场检测技术. 一、超声波检测砼灌注桩的几种方式. 根据声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，分为： （一）桩内跨孔法或双孔法： 发射探头和接收探头分别置于两根（或两根以上）管道中，超声脉冲穿过两管道之间的混凝土，超声波束从发射探头到接收探头所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布置合理。. （二）桩内单孔透射法
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环境与工程地球物理讲义 声波透射法检测技术 第三部分 现场检测技术
一、超声波检测砼灌注桩的几种方式 根据声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，分为： （一）桩内跨孔法或双孔法： 发射探头和接收探头分别置于两根（或两根以上）管道中，超声脉冲穿过两管道之间的混凝土，超声波束从发射探头到接收探头所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布置合理。
（二）桩内单孔透射法 钻孔取芯后形成一个检测孔道，采用单孔测量。超声波从水中及混凝土中分别绕射到接收探头，所得到的接收信号为水及混凝土中传播而来的信号叠加，分析这一叠加信号，并测出不同声通路的声时、波高、频率等物理量，即可分析孔道周围混凝土（8-10cm）的质量情况。 用这一方式进行检测时，必须进行波形分析，排除管中的混响干扰，测量较为困难，而且检测有效范围不大，当孔中有钢质套管时，则不能用单孔测量。
（三）桩外孔透射法 当上部结构已施工，在桩内无法检测时，可在桩外的土层中钻一孔，埋入套管作为检测通道。强功率的低频发射探头，超声脉冲沿桩身向下传播，增压式接收探头从桩孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身并穿过桩与测孔之间的土进入接收换能器，逐段测读各物理量，即可作为分析桩身质量的依据。同于超声脉冲在混凝土及土层中的衰减现象，这种方法的可检深度受仪器穿透能力的限制。
砼原材料性质及配合比； 龄期 温、湿度等更化环境 施工工艺 二、砼的声学参数及检测 • 检测中常用的声学参数包括：声速、波幅、频率、波形。 • （一）声学参数与砼质量的关系 • 声 速 影响声速的因素： 砼的强度 砼内部的缺陷
波 幅 波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一。与砼的粘塑性有关，波幅越低，衰减越大。 当砼中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。 波幅可直接在接收波上观察测量，一般只测量首波（即接收信号的前半个周期）的波幅为准。 波幅与砼的质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏感，是判断缺陷的重要参数。
接收频率 脉冲声波是复频波，具有多种频率成份； 在砼中各种频率成分的衰减程度不同，高频衰减比低频快，导致频漂； 接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量；缺陷越大，由于衰减严重，主频也会明显降低； 接收波频率一般以首波的第一个周期为准（现场直接在示波器读出，或用频谱分析得到）
波 形 当砼内存在不同的缺陷时，由于声脉冲在缺陷界面处的反射折射等，形成波线不同波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波形转换等原因，使用得接收的声时不同，接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加，导致波形畸变； 接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据。
声波穿过正常砼后的接收波形特征： • 首波陡峭，振幅大； • 第一周波的后半周即达到较高振幅，包络线呈半园形； • 第一个周期的波形无畸变。
声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征： • 首波平缓，振幅小； • 第一周波的后半周甚至第二个周期，幅度增加仍不够，接收波形的包络线呈喇叭形； • 第一、二个周期的波形有畸变。
判定砼质量的几种声学参数的比较： • 声速：较稳定，重复性好，受非缺陷因素小，同一根桩的不同剖面、同一工程的不同桩之间可以比较；但对缺陷的敏感度不及波幅。 • 波幅（首波幅值）对缺陷很敏感，判定缺陷的重要参数；但它受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等因素影响，不稳定，只能用于同一测点的比较，在同一桩的不同剖面或不同桩之间没有可比性。
主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖面内各测点的相对比较，在不同剖面或不同桩之间不具可比性，不太稳定，一般作为声速、波幅的辅助判断。 主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖面内各测点的相对比较，在不同剖面或不同桩之间不具可比性，不太稳定，一般作为声速、波幅的辅助判断。 • 接收波形对砼内部缺陷较敏感，现场检测时，除了逐点读取首波的声时、波幅外，还应密切观察接收波的形态，它反映了接、收换能器之间声波在砼各种声波传播路径上的总体能量。
（二）声学参数的现场检测 • 声 速 根据测距和声时来计算，因此声速的测度精度取决于测距与声时的测量精度。 测距即是声测管外壁间的距离，一般用卷尺在桩顶面度量，这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距。 因此，声测管的平行度对声速测试的影响相当大。
声 时 声时：在被测介质中传播一定声距所需的时间。 １． 手动测读 ２． 自动测读
波 幅 表示首波信号能量的大小。 一般用分贝（dB）表示法，将测点首波信号峰值与某一固定信号量值的比值取对数后的量值作为该测点波幅的分贝值。
频 率 周期法（模拟式声波仪）： 频谱分析法（数字式声波仪）
三、现场检测 • （一）声测管的埋设要求 • 平面布局 D<=800 800<D<=2000 D>2000 有效检测区 盲区 检测剖面编组：1-2; 1-2, 1-3,2-3; 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3-4;
平行度（直接影响检测结果的可靠性和试验的成败） 平行度（直接影响检测结果的可靠性和试验的成败） • 管材的选择 • 为了使探头能达到检测部位，必须预留若干检测通道。因此，在采用超声检测时，必须在灌注混凝土前预埋声测管，混凝土硬化后无法抽出，该管道即成为桩的一部分，也是声通路的一部分，影响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局，决定了检测的有效面积和探头提拉次数。所以声测管的预埋是影响检测方式和信号分析判断的基本问题。 • 声测管材质的选择应考虑声能损失和安装定位的。
根据计算和试验，采用钢管时，双孔测量的声能通过率只有0.5%，塑料管则为42%，可见采用塑料管时接收信号比采用钢管时强。但由于在地下水泥水发热不易发散，而塑料温度变形系数较大，当混凝土硬化后塑料管因温度下降而产生纵向和径向收缩，致使混凝土与塑料管局部脱开，容易造成误判。根据计算和试验，采用钢管时，双孔测量的声能通过率只有0.5%，塑料管则为42%，可见采用塑料管时接收信号比采用钢管时强。但由于在地下水泥水发热不易发散，而塑料温度变形系数较大，当混凝土硬化后塑料管因温度下降而产生纵向和径向收缩，致使混凝土与塑料管局部脱开，容易造成误判。 试验证明，钢管的界面损失虽然较大，但仍有足够大的接收信号，而且安装方便，可代部分钢筋截面，还可作为以后桩底压浆的通道，所以采用钢管作声测管是合适的。 塑料管的声能透过率较高，如能保证它与混凝土良好粘结的前提下，效果更佳。
注意事项： • 声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥浆在1MPa压力下不会渗入管内，且上端应加盖。 • 声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应互相平行。 • 在检测管内应注满清水。 • 现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间
（二）测试方法步骤 • 平测普查： • １．将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，并按顺时针方向进行剖面编码； • ２．将发、接换能器分别置于某一剖面的二声测管中，并放至桩的底部，保持相同的标高； • ３．自下而上将发、接换能器以相同的步长（一般不宜大于250mm）向上提升。每提升一次，进行一次测试，实时显示和记录测点的声波信号的时程曲线，读取声时、首波幅和周期值（模拟式）或显示频谱曲线和主频值（数字式）； • ４．在同一桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变，从而使测得的数据有可比性。
对可疑测点的细测（加密平测、斜测、扇形扫测） 对可疑测点的细测（加密平测、斜测、扇形扫测） • 根据声时、波幅及主频待等声学参数，找出可疑测点； • 加密平测：换能器提升步长为10-20cm，确定异常部位的纵向范围；
斜 测： 让发、接收换能器保持一定的高程差，在声测管内以相同步长同步升降测试，而不是象在平测那样将发、接收换能器在检测过程中始终保持相同的高程。（单向斜测、交叉斜测） 由于径向换能器在纵向测面内具有指向性，发、接收连线与水平线角度不能太大
局部缺陷 • 在平测中发现某测点处有异常（实线表示），进行斜测，在多条斜测线中，如果仅有一条测线（实线）测值异常，其余皆正常，则可以判定，这只是一个局部的缺陷。
缩颈 • 若在平测中发现某些测点处有异常（实线表示），进行斜测。如果斜线中仅在通过异常平测点发收处的实测值异常，而穿过两声测管连线中间部位的测线正常，则可判定桩的中心部位是正常的，缺陷应出现在桩的边缘，即在声测管附近，可能为缩颈。
层状缺陷（断桩） • 若在平测中发现某些测点处有异常（实线表示），进行斜测。如果斜线中除通过过异常平测点发收处的测线值异常外，所有穿过两声测管连线中间部位的测值均异常，则可判定该声测管间缺陷已连成一片。 • 若三个测试剖面均在此高程处出现这种情况，且测值异常非常大，则可判定为夹泥层或断桩。
扇形扫查测量 • 在桩顶或桩底斜测范围受限制时，或为减少换能器的升降次数，作为一种辅助手段可用扇形扫查测量。一个固定，一个上下移动。由于扇形测量的测距不一样，因此各测点的波幅值没有可比性，只能根据相邻测点值的突变来发现测线是否遇到缺陷。
加对缺陷桩在桩横截面上的分布状况的推断 • 对单一检测剖面的平测、斜测结果进行分析，可以得到缺陷在该检测剖面上的投影范围。缺陷在空间的分布是一个规则的几何体，要进一步确定缺陷的范围（在横截面上的分布范围），必须综合分析各个检测剖面在同一高程或邻近高程上的测点的分析结果。 • 缺陷的纵向尺寸可以较准确地检测，而在横截面上的分布只能是一个粗略的推断。
环境与工程地球物理讲义 声波透射法检测技术 第四部分 检测数据分析与结果判定
一、测试数据的整理 主要是计算声速、波幅、频率。（如何计算？比较简单） 绘制声参数－深度曲线： 根据各剖面中的每个测点声参数的计算值和测点标高，可绘制出声速－深度曲线、波幅－深度曲线、主频－深度曲线。（综合判定分析）
二、数据的分析与判断 主要是计算声速、波幅、频率。（如何计算？比较简单） 绘制声参数－深度曲线： 根据各剖面中的每个测点声参数的计算值和测点标高，可绘制出声速－深度曲线、波幅－深度曲线、主频－深度曲线。（综合判定分析）
（一）声速的判别 《规范》中规定的两种方法：概率法、斜率法（PSD） （二）波幅的判别 《规范》中规定的两种方法：概率法 （三）主频的判别 由于接收信号的主频受诸如系统状态、耦合状况、测距等许多非缺陷因素的影响，其波动特征与正态分布也存在偏差，测试值没有波速稳定，对缺陷的敏感程度也不及波幅，在实测中很少应用。《规范》中只把它作为桩身缺陷判断的一个辅助判据。
（五）混凝土灌注桩的常见缺陷与声学参数的关系（五）混凝土灌注桩的常见缺陷与声学参数的关系 不同类型的缺陷使声学参数变化的特征也不同，目前总结了以下规律。 沉渣：属松散介质，对声波的衰减相当剧烈，声速与波幅剧烈下降； 孔壁坍塌或泥团：声速及波幅均下降，其程度视缺陷情况而定。 离析：粗骨料（本身波速高）大量堆积，往往造成这些部位声速值并不低，有时反而有所提高。声学界面多，反射、散射加剧，信号削弱，波幅下降； 气泡密集的砼：浇注导管提升过快造成，波速下降不大，但声波能量明明显衰减，接收波能量明显下降。
（六） 不同缺陷曲线实例： 1．完整桩 完整桩的波速、波幅（Vp－H、dB－H）特征如右图，该图为一根桩长29米，桩径1.5米的钻孔灌注桩超声波检测图。该桩平均波速4220m／s，平均波幅68.9dB。检测图中三支曲线波速、波幅均大于临界值，在平均波速波幅附近上下波动，非常直观反映出该桩是混凝土均质性较好的优质桩。
2．缺陷桩 a.夹泥离析断桩 其波速、波幅（Vp－H、dB－H）特征见右图，该桩长51米，桩径1.2米。从图中可以看出21.5米处三支波速曲线均出现与波幅（衰减值快）相对应较好的低速异常。对照工程地质钻孔情况，此深度为亚粘土不可能引起缩短，以此推断为断桩，后经施工方证实确为导管拔空引起的夹芯离析断桩。
b. 缩径桩 其波速、波幅（Vp－H、dB－H）特征见右图，该桩长30米，桩径1.5米。从图中可以看出18.5米处存在一低速异常区。后进一步采用多点发射，不同深度接收，又参照工程地质勘探资料此深度为流塑状淤泥层，因此推断为缩径桩，钻探三孔取芯查证确为缩径桩，桩中部混凝土连接较好，桩径1／4d部位缩径厚度80cm。
c.桩底部松散离析 波速、波幅（Vp－H、dB－H）特征见图四，该桩长29米，桩径1.5米。在桩底部均出现低速异常区，由图推断为桩底部松散离析，经施工单位证实清孔过程中发现中细石英砂砾，清孔不易清干净、加上第一斗混凝土料斗太小，不易把桩底沉渣上翻浮起引起混凝土松散离析现象。
d.局部缩径桩 波速、波幅（Vp－H、dB－H）特征见右图，该桩长29米，桩径1.5米。由于一予埋管堵塞仅测到一支超声波速波幅曲线在23.5米处发现异常；后补低应变动测，低应变曲线在11.7cm出现缺陷反射，桩底反射清楚，桩平均波速4030m／s。后来两种方法综合判别在23.5米处缩径。施工方证实该深度混凝灌注时，拔管不太顺利。
几点认识： 1 超声透射法检测基桩完整性，理论与实距证明，通过在桩内预埋声测管，进行超声脉冲发射检测，是可靠地检测大直径深长桩质量的可行方法。 2 超声检测不受桩长短的影响，由下而上逐点作等距离的测试，检测结果直观反映了桩身各个部位及其存在缺陷的确切位置，大小及严重程度等方面的质量信息。 3 “PSD判别法”（“声时·深度”曲线法）显示出许多优越性，成为我国桩基基础质量超声波检测的重要分析方法。 4．超声检测中发现的异常不能盲目定性、必须结合工程地质资料，施工资料，综合判别使结论更符合实际，有条件的地方可以结合低应变动测相互借鉴，互相印证。 5．目前国内已有单位将研究超声波成像，即工程声波CT，最后所得到被测介质的二维或三维透析图，能给出一个非常直观的效果。是本学科的发展方向与有所突破的切入点。
环境与工程地球物理讲义 声波透射法检测技术 第五部分 工程实例分析 （见复印材料）
