基桩动测技术.doc

基桩的声波透射法一、基桩的声波透射法检测的原理1 .基本原理超声探测技术是利用频率很高的超声波（10-500KHZ）,来对混凝土构件进行探测的方法超声波法对大直径深长桩检测方法有效，准确度高，尤其适用于重点工程单桩独柱的桩基础检测超声波检测不受桩长的影响，由下而上逐点检测，直观反映桩身各个部位及其缺陷的确切位置大小及严重程度等信息超声波测试原理实质上是将电能转化为机械能，再由机械能转化为电能的••种能量转换过程具体来说就是由一个声源发生器（发射换能器）置于被测桩的一个声测管中,它把发射系统送来的电信号转换成脉冲并向桩身内幅射，声波在桩身混凝土中传播后到达另一个声测管被安置在其中的接收换能器接收接收换能器将声波转换成电信号,由接收放大器放大，并由数据采集系统将声信号离散化（按一定时间间隔采样），一方面将采集到的时间序列的数字信号存储，另一方面把它显示在显示器上加以观察、判读,即可作出被测混凝土的质量判断被存储的数据通过专用处理软件进行船强度的推算及缺陷的判断从显示器上可以读出首波幅值（DB）,初至时间（t）,由已知的探测距离（L）,便可以计算出超声波在混凝土中传播的波速*・上"根据混凝十•中波速波幅的变化情况，以及工程中桩试块波速强度的实验关系（岭一&）公式，即可对桩基混凝土的均质性和强度做出评价。

若混凝土的组成材料，工艺条件，均质性以及测试距离都一定时，首波幅值，超声波的传播速度，接收信号的频率应该基木一致如果混凝土中局部存在离析、夹泥、断裂、空洞和不密实等缺陷时，则在缺陷处声阻抗率小，波传播速度减低，还会产生波的反和绕射，与正常混凝土相比，就会出现声时偏长，波幅和频率降低等异常现象根据此类异常的大小、形态，结合工程地质条件就能综合混凝十•中缺陷的性质、位置、范围大小及严重程度声波检测的工作过程可用图1加以说明2 .声学参量与混凝土质量的相关关系2.1声波的传播速度由理论计算可知，匀质的无限体介质纵波声速如下式式中E为弹性模量，b为泊松比，Q为密度一般的混凝土密度大约在2400kg/m, 泊松比约为0.23左右，弹性模量约在3.84 x 10 Pa左右但灌注桩由于生产的特 殊性，其纵波声速为：水下灌注的声速在4000m/s 下;干作业灌注的声速在4000- 4500m/so其规律是：密实的、完整的混凝十•声速高，相反要低一些但是，当混凝 土质量不佳，或存在缺陷时，声速将与下列因素有关• 由于声波折射引起的声线拉长、视声速下降• 由于声波的反射、绕射也会使视声速降低• 如果夹层又是低声速的，声时会更为加大2.2声波的波幅与混凝土的质量关系由声学理论，声波在传播过程中，质点振动的幅度，随着传播距离的延伸，按指数 规律减小，也就是波幅的衰减规律如下：式中Am、A分别为发射点的波幅和传播了 L距离后接收点的波幅；e为自然对数的 底；a 为声衰减系数。

由此可见，声波是按指数规律衰减的，这就是声波传播的动力 学特征衰减系数与声波的频率的一次方或二次方有关（出现散射时与频率的四次方有 关），还与介质的物理性能有关致密的混凝土衰减系数小；疏松的混凝土、不均匀的混 凝土衰减系数Q增大；有缺陷的混凝土，因声波产生绕射、折射和来1口1反射使声线L拉 长a和L都加大，使波幅A的衰减会进一步加大由此可见，声波波幅对混凝土质量、匀质性、缺陷均能做出灵敏的反映但是必须在发射与接 收换能器的发收距相同，且保证换能器藕合条件一致的条件下，波幅的数据才是有效的, 也才有可比性.23声波波形与混凝土质量的关系在混凝土中接收到的声波波形与混凝七内部结构特征是有一定相关性和规律的• 正常的发射换能器发射的超声波特征一般情况下如图所示其特点是：从发射的那一刻，波幅从首波开始按指数规律增长， 增长到最大值后再按指数规律衰减到零• 密实、匀质混凝土接收超声信号的特征在匀质、密实混凝土中，声波传播路径简单，衰减较小，接收波形和发射换能器的发射波形相近，如图波形特点大体是脉冲波波幅按指数规律增长至最大再按指数规律衰减, 余振略长• 匀质性差或有缺陷时的接收声信号由于混凝土匀质性差,如漏振捣的部位、二次浇灌面，或存在异物、离析、蜂窝、空洞 等。

声波传播到这些部位，将发生折射、反射再折射、绕射等，于是从不同路径传播到 达接收点的声波信号叠加后被接收换能器接收，波形如图A 41.3.仅从声速、波幅、波形（频率）无法直接推断桩的完整性由于混凝土是非均匀介质，其强度、密实度是不均匀的鉴于声速与混凝土的强度、 密实度有着密切的相关关系，故混凝土中声速的分布必也是不均匀的正常混凝土的不 均匀，应当是随机的，属随机误差，其分布符合正态分布但是，当混凝土中存在缺陷 时，不再是随机的，而是属于过失误差要区分是随机的还是过失的，便要用数理统计 的办法来区分，这就是现行颁发的基桩完整性检测规程中，声波透射法确定有无缺陷的 声速、波幅临界值的依据需要说明的是，由声速、波幅参量确定了缺陷临界值后，便可以把混凝十.灌注桩桩 身中存在的缺陷部位划分出-来，但却无法推定缺陷的类别，有时甚至还难于对缺陷加以 推定这是因为由声速和波幅来确定缺陷的测试属于相对比较测量法，另外由声速、波 幅推定出的缺陷是多解的，其解不是唯一的，可由图的实例加以说明图中最下面的曲线是发射的子波，最上两条曲线是完整部位的接收波形，第三条是 匀质差的接收波形，第四条是严重缩径部位的接收波形，第五条是离析部位的接收波形, 第六条是什么缺陷不详>e.，・•A ・tS f M田7,仅从声遂衰号无法对以■走由图中给出的声速值可见，声速在4000m/s 下，且波形与子波相近的属完整混凝 土，显然是好分辨的；而存在缺陷部位的声速约在3500m/s 下，但波形便不太有规律, 很难直接由波形来推断属何种缺陷。

所以，对缺陷类别的判定，仅从声时、波幅值超过 临界值和波形的形状是无法确定的这样，便需要其它的“旁证”材料，即灌注桩生产 过程的全部施工资料由图中的第一至第六条曲线的波形还可看出波形频率（或周期）的变化，与第七条 曲线的发射了•波相比，可看出完整混凝土部位的信号频率与子波相近，有缺陷部位频率 降低4 .桩身完整性的推断解释必须掌握灌注桩全部制作过程的技术资料和档案上面论述了依靠声速f （或声时t ）、波幅A及波形，来分析推断桩身完整性是得 P不出缺陷类别的，有时还会出现错误的判断其原因是：声波透射法和其它的物理检测 方法一样，存在多解性即：• 当桩身存在离析、蜂窝、空洞、夹泥、缩径等缺陷，无法从声时（声速）、波幅的异 常值和波形来区分它们到底是何种缺陷；• 在检测管局部没有被混凝土包裹住的部位，会使透射波的声时加长、波幅下降，有 时甚至收不到波形，于是会误判为桩身存在缺陷；• 桩身严重缩径到检测管外露时，使透射波的声时、波幅均出现严重异常，会误判为 桩身严重缺陷解决上述多解性的方法是：在检测之前，收集与掌握基桩全部制作过程的技术资料、档 案，包括：淤工程场地的工程地质勘察报告、水文地质概况；淤 灌注桩的成孔方式、工艺过程；淤 灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、方式、施工记录。

只有掌握上述技术资料，做为分析判断桩身完整性、有无缺陷、是何种缺陷的佐证, 才有可能比较正确的对桩身完整性及缺陷性质做出推断解释例如：• 由成孔方式（是人工挖孔，还是钻孔）可推断缺陷是否可能夹泥；• 由地下水文条件及混凝土灌注方法、施工记录来判断缺陷是否可能离析；• 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断桩；• 由地层中的黏土层及黏土的塑性指数（软硬程度）；终孔后距离浇灌时间的长短, 判断是否可能出现严重缩径使检测管外露从而排除这个部位的桩身是否存在 其它缺陷，避免误判后抽芯打不到缺陷的尴尬局面由此可见，掌握灌注桩生产过程的全部施工资料，再采用逐一排除法，有助于对声 波透射法推断桩身缺陷性质图中给出缺陷性质，都是在掌握了灌注桩生产过程的全部 施工资料后做出的；图中第六条曲线作不出缺陷类别（缺陷不详），是因为缺少灌注桩生题回答内容得分产过程的全部施工资料声波透射法采用的频率高，波长短，故该方法分辨率高，对缺陷的反应灵敏，可定 量分析出桩身缺陷的大小和确切部位适用于桩径大于0.6米的混凝土灌注桩的完整性， 桩径较小时，声波换能器和检测管的声耦合会引起较大相对测试误差桩长不受限制。

缺点是需埋声测管，即给施工带不的不便，又增加的成本，另外现场检测费时，检测效 率较低由于桩内跨孔测试误差，且桩身混凝土纵向各部位硬化环境不同，粗细骨料分 布不均匀，因此该方法不宜用于推定桩为混凝土的强度二、仪器和设备声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射和接收换能器即探头、换能器标 高控制绞车、预埋测管、数据处理计算机1 .声波检测仪的技术性能应符合：I .接收放大系统的频带宽度应宽於5〜50kHz；II. 增益应大于80dB （模拟仪器大於100dB）；III. 带有0〜60 （或80） dB的衰减器，分辨率为IdB,误差小於IdB；IV. 发射系统应可输出250-1000V脉冲电压；V. 显示器可显示接收波形、声传播时间，时间显示范围应大于300P s,计时精 度高於1 H S;2.完整性检测使用换能器，由压电材料做成目前推荐采用柱状径向振动的换能器，原 因是它在径向无指向性，对波幅测试不会带来误差；此外它应具有一定的长度，使仪器 在轴线方向不要有明显的指何性，可使两个测点之间声场可以夏盖其主要技术指标如 下：I .频率宜在25〜50kHz；II.长度在20cm左右;III-接收换能器宜内装前置放大器，其带宽应为5〜50kHzIV.其水密性能应满足IMPa水压下不漏水。

声波换能器的声波发射频率的越高，对缺陷的灵敏度越高，但是声波穿透能力下降, 有效测距变小，故在大直径桩检测时，应合理选择频率3.声测管埋设应符含下列规定：I .声测管内径应大于换能器外径，II.声测管应有足够的径向刚度，声测管材料的温度系数应与棍凝土接近HL声测管应下端封闭，上端加盖，管内无异物;声测管连接处应光顺过渡，管曰高出 混凝土顶面100mm以上IV.浇灌混凝土前应将声测管有效固定声测管内径和换能器外径相差过大时，声耦合误差明显增加，相差过小时，影响换 能器在管中的移动三、测试技术桩径不同时声测管的埋设数量不等桩径0.6〜1.0m埋设双管；1.0〜2.5m埋设三管； 桩径2.5m以上四管声测管间应当平行，其管底应封死，施测时管内注满清水，作为声 波耦合介质如图所示2图2声测管布置方式测试前必须取得声波检测仪发射至接收系统的延迟时间％,同时按下式计算声时修正值〃题回答内容得分一cf of —（Trr = + •岭 ％D—检测管外径d——检测管内径df——换能器外径K 检测管壁厚度方］可尸速（km/s）临 水的声速（km/s）1，——声时修正值（us）接收发射换能器装好扶正后置于检测管内，并能顺利提升及下降。

测量时上述两换 能器可置于同一标高（水平同步），或相关一定高程（高差同步）。