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1、超声波法检测基桩完整性 技术方法及设备,2007年9月,咨询热线:01051290405、13311568789 http:/ Email:,主讲人:张立平,桩身缺陷会引起基础失稳。必须在结构施工前找出并处理缺陷桩。,桩基础,主要基础型式,地下隐蔽工程,承受建筑物的全部荷载并将其传递给地基,基桩质量的好坏直接关系到建筑物的安全。,声波透射法是基桩低应变无损检测中最为有效的方法。,超声波法检测基桩完整性,超声波法检测基桩完整性,基桩分类 基桩工程常见质量问题 声波透射法基本原理 仪器设备 现场检测技术方法及影响因素 数据分析处理与报告编写 工程实例 CT成像技术,桩基分类,挤土桩 部分挤土桩 非
2、挤土桩,按成桩方法对土层影响分,按桩材分,木桩 混凝土桩 钢桩 组合桩,按功能分,抗轴压桩:摩擦桩、端承桩、端承摩擦桩 抗剪桩 抗拔桩,按成桩方法分,打入桩 就地灌注桩 静压桩 螺旋桩 喷粉桩或搅拌桩,不同类型的桩,可能出现的质量问题不一样,超声波法检测基桩完整性,基桩分类 基桩工程常见质量问题 声波透射法基本原理 仪器设备 现场检测技术方法及影响因素 数据分析处理与报告编写 工程实例 CT成像技术,基桩工程的常见质量问题,1.沉管灌注桩:锤击、振动、压力沉管 (质量不稳定,故障率高) 极易振断初凝邻桩,软件硬土层交界处尤重 桩距小于三倍桩径,使初凝砼拉裂 拔管过快,淤泥层易缩颈 动水压力作用
3、,冒水桩演变成断桩 振动沉管用活瓣桩尖张开不灵活,砼下落不畅,断桩或密实度差 预制桩尖被卡住,吊脚桩,基桩工程的常见质量问题,2.冲、钻孔灌注桩:地下水位较高的场地,冲抓式、冲击式、回转钻式、潜钻式,成孔过程泥浆护壁,采取带隔水栓的导管水下浇灌砼 浇灌砼不连续,隔水层凝固,后结砼无法下灌,上拔导管,泥浆进入形成断桩;若冲破隔水层,造成桩身局部低劣砼。 桩径过小(600mm),砼上升不畅,易堵管,形成断桩或钢筋笼上浮 泥浆比重不当,孔壁易坍塌 清孔不干净,孔底沉渣太厚,影响桩端承载力发挥 砼和易性不好,易离析 导管连接处漏水,形成断桩,基桩工程的常见质量问题,3.人工挖孔灌注桩:地下水丰富的场地
4、采用时,易发生以下质量问题 地下水渗流严重的土层,护壁易崩塌。 土层出现流砂或有动水压力时,泥土随水涌出,护壁与土体脱空或引起孔形不规则 边挖孔边抽水,护壁易产生裂缝 孔较深时,不采用导管浇灌砼,砼自由下落易离析 孔底水不易抽干或未抽干时浇灌,桩尖砼被稀释,降低桩端承载力,基桩工程的常见质量问题,水下混凝土灌桩的灌注过程:,混凝土通过导管注入,顶托封口混凝土或砂浆,排出孔中的水,逐渐灌满桩孔。,灌注桩的成型,干孔混凝土灌注桩的灌注过程:混凝土通过导流管灌入,直至灌满。,干孔灌注,基桩工程的常见质量问题,基桩工程的常见质量问题,断桩(全断面夹泥或夹砂) 局部截面夹泥或颈缩 桩底沉渣 集中性气孔
5、分散性泥团及“蜂窝”状缺陷 桩头低强区,一.水下混凝土灌注桩的常见缺陷:,基桩工程的常见质量问题,二.干孔灌注桩的常见缺陷:,因地下水涌入而形成的混凝土层状离析,严重时成断桩。 混凝土局部严重离析。 因护筒渗漏而形成的局部夹泥或“蜂窝”状缺陷。 桩底沉渣。 人为因素造成的质量缺陷,超声波法检测基桩完整性,基桩分类 基桩工程常见质量问题 声波透射法基本原理 仪器设备 现场检测技术方法及影响因素 数据分析处理与报告编写 工程实例 CT成像技术,声波透射法基本原理,经常看到从事声波透射法检测基桩完整性的同志,对测试声参量的分析判断,力不从心,难下结论,十分尴尬。出现这种局面的原因可归纳为: 对声波的
6、一般传播规律掌握的不好; 不注重掌握施工过程的相关资料(如对灌注桩的成孔、成桩工艺及工艺过程、工程地质资料、水文地质资料等); 缺少经验。 在此我们先说说声波的一般传播规律问题,因为你不掌握它,也就无法对混凝土中某些匀质性很差、有缺陷部位混凝土的声波传播规律全面了解,从而不得其解。,声波透射法基本原理,声学理论要系统学的起来,内容太多,但把它的一些重要的、结论性的内容加以掌握和运用,还是可以解决问题的,现在就按这样一个原则来论述。 (一)声波的性质 超声波是一种机械波。也就是弹性介质内质点弹性振动引起的波动。 混凝土声波检测主要应用纵波,即质点振动和传播方向相同的一种波动形式(另一种是传播方向
7、与振动方向相垂直称为横波,暂不论述)。,(二)声波的传播速度 由理论计算,可知无限体的纵波声速VP如下式 (1)式中E 为弹性模量,为泊松比,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3.84104MPa 左右。 灌注桩由于生产的特殊性,其纵波声速: 水下灌注的在4000m/s上下; 干作业灌注的在40004500m/s。,声波透射法基本原理,声波透射法基本原理,一般情况: 优质的、致密、坚硬的混凝土声速高; 振捣不匀、疏松的、有缺陷的混凝土声速低。 混凝土声速与混凝土强度的关系比较复杂,国内有关科研单位的研究结果表明,其影响因素与石子的材质、粒径、
8、养护条件有关。所以,在基桩完整性检测中,用声速直接确定混凝土强度是困难的,甚至是不科学的。但是,由上所述,至少可以根据混凝土石子的级配、石子岩性、种类等,对混凝土声速的量级有一个初步的估计,以便指导测试的正常进行。,声波透射法基本原理,(三)声波在灌注桩中的传播及特点 (声波的折射、反射、绕射、叠加) (1)声波的折射关于斯奈尔(Snell)定律 均匀介质中,声波按着发射时的方向,一往无前的向前传播。,声波透射法基本原理,产生上述折射的先决条件是:界面两边介质的声速C和介质的密度的乘积不相等,这就是Snell定律。,图 1 声波的传播,当介质不均匀,例如混凝土中存在一个夹层,如图1中的2。当纵
9、波P由介质1入射到夹层2时,在12的分界面处会产生折射纵波PP,夹层2内的纵波PP传播到另一个分界面21时,同样要产生折射波PPP ,并进入介质1(在12 界面和21 界面,同时还有折射横波PS、PPS,暂不加讨论)。,声波透射法基本原理,图中介质1的声速为C1,夹层的声速为C2,P波的入射角为a、折射角为b,由Snell定律可知入射角a、折射角b有下例关系:,由此可见,不均匀介质内,由于折射的出现,声波传播的路径加长,如果夹层又是低声速的,声时会更为加大,这时所测声速会降低。,图 1 声波的传播,声波透射法基本原理,混凝土灌注桩,在灌注过程中,因振捣不均、漏振、完全没有振捣、塌孔夹泥、离析等
10、均会出现类似的夹层而使声速降低,波幅下降、波形畸变 .,声波透射法基本原理,(2)声波的反射 当混凝土不均匀,存在一个分界面(如二次浇灌面、振捣不均、漏振、完全没有振捣、离析、夹泥、异物等与正常混凝土的分界面)如图2,界面两边的声速C与密度的乘积不相等时,入射的P波,在界面处产生反射波PP。(上层介质1的声速为C1,下层介质的声速为C2)同样,根据Snell 定律,可知入射角与反射角是相等的(反射也会产生横波PS,暂不加论述)。,图 2 声波的反射,声波透射法基本原理,(3)声波的绕射关于惠更斯原理 惠更斯原理说的是:弹性介质中,在某一时刻t,声波波前上的所有点,均可视为该时刻开始振动的新的点
11、振源,各点振源产生新的球面波,这些球面波经t +t 后,波前的包络迭加组合,形成新的球面波前,如此循环不已。,图3 声波的绕射,声波透射法基本原理,(4)声波的叠加叠加定律 在声波的传播过程中,有时从不同路径传播的声波先后到达接收点,如图4中混凝土缺陷部位的绕射、折射、多次反射的声波。这些不同路径来的声波脉冲,在接收点将按照到来的先后时间顺序,叠加成新的脉冲声波,这就是叠加定律。不同路径到来的波,叠加的结果,会使接收波形复杂、畸变。,图4 声波的叠加,声波透射法基本原理,(四)声波波幅的衰减 在混凝土中声波波幅与混凝土内部结构特征的相关关系是有一定规律的,故波幅成为可用的声参量。 声波在传播过
12、程中,质点振动的幅度,随着传播距离的延伸,而逐渐减小,也就是波幅的衰减,其规律如下:,声波透射法基本原理,由此可见,声波是按指数规律衰减的。 衰减系数 与介质的物理性能有关。 致密的混凝土衰减小;疏松的混凝土衰减大; 不均匀的混凝土衰减大; 有缺陷的混凝土,因绕射、折射、反射,使得声传播距离拉长衰减会大。,式中: Am 发射点的波幅 A 为传播了L距离后接收点的波幅 e 为自然对数的底 为声衰减系数,声波透射法基本原理,衰减系数与脉冲声波的频率有关,大体和频率的一次方或二次方有关,当脉冲声波的频率很高时,声波波长小于混凝土的骨料粒径时,会出现“散射”,即声波被颗粒状的骨料乱反射,而不能继续向前
13、传播,这时衰减系数与频率的四次方成正比。 可见,掌握基本的声学原理,会对声波测试所得到得声时、波幅、波形、声信号的频率,来分析判断混凝土的缺陷,会有很大的帮助。,混凝土声学参数与测量,结构混凝土在施工过程中常因各种原因产生缺陷,尤其是混凝土灌注桩,由于施工难度大、工艺复杂、隐蔽性强,混凝土硬化环境及成型条件复杂,更易产生空洞、裂隙、夹杂物、局部疏松、缩径等各种桩身缺陷,对建筑物的安全和耐久性构成严重威胁。 声波透射法是检测混凝土灌注桩桩身内部缺陷评价其完整性的一种有效方法,当声波经混凝土传播后,它将携带有关混凝土材料性质、内部结构特征等有关信息,准确测定声波经混凝土传播后的各种声学参数的量值及
14、变化,就可以推断混凝土的性能、内部结构完整性与组成等情况。,混凝土声学参数与测量,检测细致,结果准确可靠; 不受桩长、桩径限制; 无盲区,声测管埋到什么部位,就可以检测到什么部位,包括桩顶低强区和桩底沉渣区; 不需桩顶露出地面即可检测,方便施工; 正因为如此,虽然该方法需要预埋声测管,用较高,但仍然得到广泛的采用,特别是桥梁、高层建筑的大型、特大型灌注桩的检测。,声波透射法检测基桩完整性的优点:,混凝土声学参数与测量,目前,超声法检测灌注桩质量的方法已列入许多检测规范中。 作为全国性的规范有: 建设部行业标准建筑基桩检测技术规程JGJ 106-2003 中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝
15、土缺陷技术规程CECS 21:2000 交通部行业标准公路工程基桩动测技术规程JTG/T F81-012004 铁路系统标准,混凝土声学参数与测量,1声学参数与混凝土质量的关系 声波在混凝土中传播速度是混凝土声学检测中的一个重要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关,与混凝土内部结构(是否存在缺陷及缺陷程度)有关。这是利用声速进行混凝土测强和测缺的理论依据,混凝土声学参数与测量,1.1接收声波波速与混凝土质量的关系 声波在混凝土中传播的波速反映了混凝土的弹性性质,而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性,因此在混凝土声速与强度之间存在相关性。另一方面,对组成材料相同的构件(混凝土),其内部
16、越密实,孔隙率越低,其声波波速越高,强度也越高。因此,构件(混凝土)的强度与声速之间亦应有相关性。但是,混凝土材料是一种复合体,其强度与声速的关系受到混凝土材料性质、配合比、龄期、硬化环境、施工工艺等多种因素的影响,混凝土声学参数与测量,声波在混凝土中传播速度的快慢,与混凝土的密实度有直接关系。对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说,声速高则混凝土密实,相反则混凝土不密实。当混凝土中存在异物夹泥、蜂窝、空洞或裂缝时,便破坏了混凝土的整体性。由于混凝土与缺陷部位的特性阻抗相差悬殊,因此声波很难穿透混凝土/缺陷区域界面。由于低频超声波漫射的特点,声波又将沿缺陷边缘传播(如右图所示),声
17、波在缺陷边缘处会产生折射、绕射、反射,使声测线拉长,所测得的声时要比正常混凝土声时要增大。在计算混凝土声速时,我们总是以换能器之间的直线距离L作为声传播距离,结果有缺陷处的计算声速(视声速)就降低。,超声波在混凝土中的传播特点,混凝土声学参数与测量,有时混凝土内部缺陷是由较为疏松的材料构成(例如漏振等情况形成的蜂窝、孔洞或配料错误形成的低密实区),由于这些部位的声速要比正常混凝土声速低,也会使得这些测点的声时加大。 在这种情况下,声波分为两条路径传播:一是绕过缺陷分界面传播;二是直接穿过低声速材料。 无论那种情况,在该处的声时都会比正常部位长。因为,我们是以首先到达的波(首波)为准来读取声时值
18、,总之,在缺陷部位测得的声速要比正常部位的声速小。,混凝土声学参数与测量,1.2接收声波波幅与混凝土质量的关系 接收波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的重要指标。一般认为,接收波幅的强弱与混凝土粘塑性有关。接收波幅值越低,混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土声波衰减的原因可知,在混凝土中存在低强度区、离析区以及夹泥、蜂窝等缺陷时,吸收衰减和散射衰减增大,使得接收波波幅明显下降。波幅值可以直接在接收波上观测到,测量时通常以首波(接收信号前半个周期)的波幅为准。后续波往往受其它叠加波的干扰,影响测量结果。幅值的测量受换能器与被测构件的耦合条件影响较大,在灌注桩检测中,在声测管中注满水进行耦合
19、,一般比较稳定,但要注意使换能器在管中处于居中位置,因此应在换能器上安装扶正器。,混凝土声学参数与测量,1.3接收波频率变化与混凝土质量的关系 超声脉冲是复频波,具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后,各频率成分的衰减程度不同,高频部分比低频部分衰减严重,因而导致接收信号的主频向低频漂移。其漂移的多少取决于衰减的严重程度。所以,接收主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量,当遇到缺陷时,由于衰减严重,使接收主频率明显降低。 近年来随着数字式超声仪的问世,频率测量已普遍采用频谱分析的方法,它获得的频谱所包含的信息更为丰富、更为准确。,混凝土声学参数与测量,2接收波形的变化与混凝土质量的关系 由于声波
20、在缺陷界面的反射和折射,形成波线不同的波束,这些波束由于传播路径不同,或由于界面上产生波形转换而形成横波等原因,使得到达接收换能器的时间不同,因而使接收波形成为许多同相位和不同相位的叠加波,导致波形畸变。实践证明,凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷,其接收波形往往发生畸变,所以波形畸变程度可以作为判断缺陷程度的参考依据。,混凝土声学参数与测量,超声波穿透正常混凝土和有缺陷的混凝土后接收波波形特征如下:,声波透过正常混凝土后的波形特征(图3-2) 首波陡峭,振幅大; 首波的后半周即达到较高振幅,包络线为半圆形; 首波(第一个周期的波)波形无畸变。,混凝土声学参数与测量,声波透过缺陷混凝土后的波形特征
21、(图3-3) 首波平缓,振幅小; 首波的后半周振幅增大不明显;包络线呈喇叭形; 第一、二周期的波形有畸变; 当缺陷严重且范围大时,无法接收到波形。,a)有缺陷混凝土波形 b)有缺陷混凝土喇叭形包络线 图 33有缺陷混凝土接收波形,混凝土声学参数与测量,换能器本身振动模式复杂; 换能器性能的变化(比如老化); 耦合状态的不同,也会导致波形的畸变; 后续波是各种不同类型波形的叠加,同样会导致波形的畸变。,因此,观察波形畸变程度应以初至波(接受的第一、第二周期的波形)为主。 由于声波在混凝土中传播过程是一个相当复杂的过程,目前 对波形畸变的分析尚处于经验阶段,有待进一步研究。,导致波形畸变的因素很多
22、某些非缺陷因素也会导致波形畸变:,混凝土声学参数与测量,3.判断混凝土性质的几种声学参数的比较 3.1 接收波的声速 声速的测试值较为稳定,结果的重复性较好,受非缺陷因素的影响较小,在同一桩的不同剖面以及同一工程的不同桩之间可以比较,是判断混凝土质量的主要参数,但声速对缺陷的敏感性不及波幅。,混凝土声学参数与测量,3.2接收波的波幅(首波波幅) 波幅(首波波幅)对混凝土缺陷很敏感,它是判断混凝土质量的另一个重要的参数。但波幅的测试值受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等诸多因素的影响,它的测试值没有声速稳定,目前只能用于相对比较,在同一桩的不同剖面或不同桩之间往往无可比性。,混凝土声学参数与测
23、量,3.3 接收波的主频 接收主频的变化虽然能反映波在混凝土中的衰减状况,从而间接反映混凝土质量的好坏,但声波主频的变化也受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响,因此在不同剖面以及不同桩之间的可比性不强,只能用于同一剖面内的各测点的相对比较,其测试值也没有声速稳定。因此,目前主频漂移指标仅作为声速、波幅的辅助判据。,混凝土声学参数与测量,3.4 接收波的波形 接收波的波形也是反映混凝土质量的一个重要方面,它对混凝土内部的缺陷也很敏感,在现场检测时,除逐点读取首波的声时、波幅外,还应注意观察整个接收波形态的变化,作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要参考,因为接收波形是透过两声测管间
24、混凝土的声波能量的一个总体反映,它反映了收、发换能器之间声波在混凝土内部各种声传播路径上的总体能量,其影响区域大于直达波(首波)。,混凝土声学参数与测量,4.声学参数的检测 原始信息采集的准确性是保证检测结果准确可靠的必要前提,因此掌握正确的信号采集方法至关重要。 4.1声时(声速)检测 混凝土声速是间接测量量,它是通过测量声波在混凝土中传播的时间(t)及在混凝土中传播的距离(l)通过计算而间接得到的,因此声速测量技术的关键取决于声时和测距的测试(排除各种影响因素的干扰)。,式中: V声速(m/s)。 l测距(m),即声波传播的距离。 t声时(s),即声波传播距离l所需的时间。,V=l/t,混
25、凝土声学参数与测量,V=l/t,式中: V声速(m/s)。 l测距(m),即声波传播的距离。 t声时(s),即声波传播距离l所需的时间。,声波在介质中传播一定的距离所需要的时间称为声时。为了准确地测读声时,必须注意一下几点:,混凝土声学参数与测量,a) 接收信号起点读数的确定 超声仪以一定强度的高压脉冲激励发射换能器,发射换能器将电信号转换为声波信号,声波经混凝土传播后被接收换能器接收,并将声信号转换为电信号,由超声仪进行信号的采集及分析处理。,图 41 接收信号波形,声时测读就是测量从发射开始到出现接收波形所经过的时间t(如图4-1)。为了测量这段时间,仪器从激励发射换能器开始计时(图4-1
26、中a点),直到接收换能器接收到首波时停止计时(图4-1中b点)。问题的关键在于如何确定首波出现的时刻。,图 42,混凝土声学参数与测量,在测量声速时,是以传感器的直线距离(即最短距离)作为声速计算测距,所以也应以最先到达的波作为测读声时的依据。图42可见,接收信号的前沿b点的声时读数代表声信号到达接收换能器的最短时间,只有b点的读数才能与最短声程(测距)相对应,作为声速计算的声时。,混凝土声学参数与测量,当接收信号很弱(图4-2)或仪器本身噪声过大时,要准确读取b点的时间读数并不是很容易的。,为了准确地找到首波起点(b点),在测度时要尽可能使接收信号幅值调节到足够大或调节到屏幕一定的高度,以保
27、证首波起点陡峭,避免丢波或误判。,图 42,混凝土声学参数与测量,b) 系统延迟零读数问题 我们所关心的声时是声波穿过被测构件(混凝土)的时间t,而无论何种超声仪,采用何种测读方式,未经调零的仪器所显示的时间都是由发射到接收这两个电信号之间的时差t1。即仪器测读的时间除声波在混凝土中传播的时间t外,还包括了以下几部分: 电延迟时间(仪器内部电路及信号线) 电声转换时间(传感器) 声延迟时间,混凝土声学参数与测量,换能器辐射出的超声波并不是直接进入被测物体,而是通过换能器壳体或夹心式换能器的辐射体,再通过耦合介质层,然后才进入被测体的。接收过程也是类似。超声波在这些介质中传播需要花费相当的时间,
28、这些时间统称为声延迟。,混凝土声学参数与测量,这三部分延迟构成仪器测读时间t1与超声在被测介质中传播时间t的差异。这三部分中声延迟所占比例最大。我们将这些延迟称为零读数t0(即零声时)。 由于t0的存在造成了仪器测读时间t1大于声波在被测介质中实际传播的时间t(即t1t+t0 )。 在计算声速V时,t(tt1-t0)是计算依据,因此只要将零声时t0测试出来问题就迎刃而解。,混凝土声学参数与测量,零声时t0的标定方法可以采用以下两种方法: 时距曲线法:该部分在规范中已介绍。 直接对测法:一般认为,只要将发射与接收传感器直接耦合即可读出t0。即当测距为零时,声时也应当为零。,混凝土声学参数与测量,
29、在声波透射法测桩时,我们可以取两根长约40cm左右,与现场工程桩中声测管相同的管材,将两根管并排放在装满水的水桶中,将径向换能器放入声测管中,保持传感器在声测管中心(如图4-3所示),使其满足两声测管之间测距为零的条件,即L=0。此时,读测的声时应为零,即t应等于零。,图43测桩调零示意图,混凝土声学参数与测量,如果此时测读的声时不为零,那么这时测读的声时值即为零声时t0(包括:电信号在电路、信号线中消耗的时间及声波在水、声测管管壁、传感器壳体等介质中传播的时间), 对于数字式超声仪只要将零声时输入到仪器中,仪器就可以自动扣除t0的影响,直接给出声波在混凝土中传播的声时值t,用于计算混凝土声速
30、。,不同的仪器、传感器、信号线及耦合条件下,零声时是不同的,一般在几微秒至几十微秒之间。在测试过程中,当上述条件之一发生变化时,都要重新进行零声时的测读。,混凝土声学参数与测量,c) 影响声速测试值的因素 在测试结构混凝土声速时,所测得的介质声速受到一些因素的影响,在要求准确测量声速值的场合,应考虑这些影响因素,并加以避免或修正。 振幅大小的影响 在测读时,接收信号的振幅大小对测量结果有影响,当接受信号振幅大时,接收波前沿陡峭,读测的声时较小,计算出的声速较高;当振幅较弱时,接收波前沿平缓,测得的声时较大,计算出的声速较低。,混凝土声学参数与测量,频率的影响 由于混凝土检测中可能使用不同频率的
31、换能器,一般情况下在短距离使用较高频率,大距离测量时使用较低频率。从大量试验研究资料看,在50kHz100 kHz范围差别甚微,但所采用的频率变化范围再大,则影响较为明显。从频率影响这一角度出发,不宜过多变化所用频率,高频段不宜超过100 kHz,低频段视测距需要而定,若使用30 kHz以下的频率,则应考虑声速值修正问题。,混凝土声学参数与测量,传感器的选择 鉴于超声波在混凝土中传播有明显的衰减现象,所以采用的超声脉冲频率不宜太高,传感器的频率应随测试距离的增大而降低。同时为了考虑声波传播时的边界条件,所选频率还应与被测试体的横截面尺寸相适应。在测量混凝土纵波声速时,应选择适当的频率,使波长不
32、大于测试距离的1/2及横截面尺寸的1/2(见表一),专家建议按下式选用。,混凝土声学参数与测量,/l0.250.30 式中:波长(v/f); l 为测试距离。,混凝土声学参数与测量,4.2波幅检测 波幅是标志接收换能器接收到声波信号能量大小的参数,波幅的测量是对接收波首波波峰大小的测量。目前在波幅测量中一般都采用分贝(dB)表示法,即将测点首波信号的峰值a与某一固定信号量值a0的比值取对数后的量值定位该测点波幅的分贝(dB)值,表示为Ap20log(a/a0)。,混凝土声学参数与测量,在数字式仪器中,由于数字化信号的屏幕波幅可以量化,因此通过调整放大衰减系统,只要满足信号首波幅度不超满屏的条件
33、,即可由仪器内部软件自动判读出首波波峰幅值并计算出接收到的原始信号值。波幅的量值是放大器的增益(dB)值、衰减器的衰减(dB)值和屏幕显示波形的屏幕量化(dB)值的综合值,这样大大提高了波幅测量的动态范围。,由于模拟仪器采用示波管显示的模拟波形,无法量化,因此只能用衰减器的衰减值表示信号的幅度值。,数字式仪器的波幅测量,混凝土声学参数与测量,数字式超声仪的波幅测量有自动判读和手动判读两种方式,在绝大多数情况下均可使用自动判读的方式。检测时要注意同时观察屏幕波形,如果屏幕显示的自动判读光标所对应的位置与首波波峰(或波谷)有差异时,应重新采样或改为手动游标判读。 ZBL-U5系列非金属超声仪在首波
34、声时自动判读的同时,完成波幅的自动判读,并在屏幕上给出自动判读游标,便于用户即时观察自动判读点的位置。仪器自动记录各个测点的波幅。,混凝土声学参数与测量,4.3 频率检测 对接收波形主频进行测量,通常采用以下两种方法: 模拟式仪器通常采用周期法,即利用频率与周期的倒数关系,通过测量周期计算出接收声波信号的主频。 数字式超声仪一般采用频谱分析的方法,更精确地测试接收声波信号的主频。,混凝土声学参数与测量,4.4 波形记录 在声波传播过程中遇到混凝土内部存在缺陷、裂缝或异物时会使接收波形发生畸变,因此,对接收波形的分析与研究有助于对混凝土内部质量即缺陷的判断,模拟仪器的波形记录只能用屏幕拍照的方法
35、,数字式仪器可将波形以数字方式记录并存储在仪器中,可以随时回放、显示、调用并打印出波形图,还可以波列方式在一屏内显示波列图,更直观地显示声参数的变化情况。,超声波法检测基桩完整性,基桩分类 基桩工程常见质量问题 声波透射法基本原理 仪器设备 现场检测技术方法及影响因素 数据分析处理与报告编写 工程实例 CT成像技术,超声波在混凝土中的传播特点,对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说,声速高则混凝土密实,相反则混凝土不密实。当混凝土中存在异物夹泥、蜂窝、空洞或裂缝时,便破坏了混凝土的整体性。由于混凝土与缺陷部位的特性阻抗相差悬殊,因此声波很难穿透混凝土/缺陷区域界面。由于低频超声波漫
36、射的特点,声波又将沿缺陷边缘传播(如右图所示),声波在缺陷边缘处会产生折射、绕射、反射,使声测线拉长,所测得的声时要比正常混凝土声时要增大。在计算混凝土声速时,我们总是以换能器之间的直线距离L作为声传播距离,结果有缺陷处的计算声速(视声速)就降低。,声速与混凝土质量的关系。,混凝土声学参数与测量,接收声波波幅与混凝土质量的关系 接收波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的重要指标。一般认为,接收波幅的强弱与混凝土粘塑性有关。接收波幅值越低,混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土声波衰减的原因可知,在混凝土中存在低强度区、离析区以及夹泥、蜂窝等缺陷时,吸收衰减和散射衰减增大,使得接收波波幅明显下
37、降。波幅值可以直接在接收波上观测到,测量时通常以首波(接收信号前半个周期)的波幅为准。后续波往往受其它叠加波的干扰,影响测量结果。幅值的测量受换能器与被测构件的耦合条件影响较大,在灌注桩检测中,在声测管中注满水进行耦合,一般比较稳定,但要注意使换能器在管中处于居中位置,因此应在换能器上安装扶正器。,声波透射法基本原理,混凝土灌注桩,在灌注过程中,因振捣不均、漏振、完全没有振捣、塌孔夹泥、离析等均会出现类似的夹层而使声速降低,波幅下降、波形畸变 .,非金属超声检测设备,非金属超声检测分析仪(简称超声仪)、 超声换能器。,实施超声脉冲检测技术的主要设备:,超声仪基本工作原理框图,声波在混凝土中传播
38、速度是混凝土声学检测中的一个重要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关,与混凝土内部结构(是否存在缺陷及缺陷程度)有关。这是利用声速进行混凝土测强和测缺的理论依据。,主机发射高压脉冲至发射换能器,发射换能器将电能转换位声能传入被测结构,接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号被主机系统采集,声波信号在传播过程中携带了大量被测介质的声参量信息,由于声参量与被测介质的性质具有一定的相关性,通过信号分析处理评价被测介质的性能。,超声仪基本工作原理示意图,基本原理:,非金属超声检测设备,主要技术指标(选择购买超声仪应注意的几点) 应具有波形显示功能和游标测度功能; 仪器应具有一发双收功能(双通道);
39、 采样频率不应低于10MHz; 声时测读范围应大于2000s; 声时测读分辨率:0.5s,计时误差不大于2,(数字式2个字); 增益(放大):不小于80dB, (动态范围:包括增益、衰减); 灵敏度:50v; 幅度测量范围不小于80dB,测量误差小于1dB; 接收放大器频响范围应有足够宽度,一般为5200kHz,且下线不宜降低,否则不利于滤去低频信号; 发射电压1000V,可分档调节; 系统应包括信号放大、采集、存储及处理功能,径向换能器等; 径向换能器: 谐振频率宜为2550kHz,长度约20cm,无指向性,能够在1MPa水压下正常工作; 宜使用带有前置放大器的径向换能器;,非金属超声检测设
40、备,一、首波及其判定,首波:接收的超声波的第一个波谷(向下)或波峰(向上)。是声参量判读的前提。,2.自动调整的接收波形 首波自动增大到一定幅度(1/4波形区),后续波削波。 波形清晰。 基线较干净、平直。,1.完整的接收波(平面换能器),非金属超声检测设备,接收声波过弱 调整幅度,出现首波(右上图);依据测距及介质声速估算大概声时,在动态采样的模式下手动移动波形至估算声时处;出现做右下图所示的波形雏形;波形及首波依据:形态、频率、幅度。,3.手动调整的接收波形,非金属超声检测设备,增益太大或波形靠前,增益太大,可能造成超前误判(左下图); 处理:减小幅度,前移波形; 波形靠前,可能造成丢波(
41、右下图); 处理:后移波形。,非金属超声检测设备,由发射脉冲及其干扰产生,依据声时判定(0点附近) 处理:依据声时、形态、频率正确判断。,发射脉冲及其干扰。,超声波法检测基桩完整性,基桩分类 基桩工程常见质量问题 声波透射法基本原理 仪器设备 现场检测技术方法及影响因素 数据分析处理与报告编写 工程实例 CT成像技术,现场检测技术方法及影响因素,1、检测原理,现场检测技术方法及影响因素,在被测桩内预埋两根或两根以上竖向相互平行的声测管作为检测通道,管中注满清水作为耦合剂,将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中,由超声仪激励发射换能器产生超声脉冲,穿过桩体混凝土,并经接收换能器,,由仪器接
42、收并显示接收的超声波的波形,判读出超声波穿过混凝土的声时、接收波首波的波幅以及接收波主频等声参数,通过桩身缺陷引起声参数或波形的变化,来检测桩身是否存在缺陷。,现场检测技术方法及影响因素,2、声测管布置示意图,声测管的根数依据桩的直径而定,目的是在保证所有剖面声场的覆盖范围,占桩的截面积一定比例的前提下,尽可能节省费用、提高检测效率。,现场检测技术方法及影响因素,检测管材质的选择以透声率大,便于安装,费用较低为原则。一般采用钢管、钢质波纹管、硬塑管等。 管径大于换能器的直径,一般以内径5060mm为宜。 管子一般采用与钢筋笼架立筋焊接或绑扎的方式固定。 安装管子时应注意管子接头应不漏浆,内壁光
43、滑平顺,管底密封。 管子之间力求平行。,3.声测管的安装,现场检测技术方法及影响因素,检测前的准备工作 多方收集基桩技术资料,如工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等,了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况,这对判定异常信号产生的真实原因是十分有益的。同时还应根据调查结果和检测目的,制定相应的检测方案; 检测方案包括: 工程概况 目的与任务 方法与技术 仪器设备 检测场地要求 检测人员和时间安排 检测报告,现场检测技术方法及影响因素,检测时间应满足混凝土强度龄期要求。为保证检测结果的可靠性,一般要求混凝土灌注桩的龄期应大于14天(此时超声波波速特性参数变化已经趋于平缓); 检测前应冲
44、洗声测管,在孔中注满清水作为耦合剂(浑浊的水将明显加大声波衰减,使得声时延长),单孔超声检测时也应先进行孔内清洗; 标定超声仪从发射至接收的系统零声时; 用直径大于换能器的假探头对声测管疏通并记录深度,以保证换能器在全程范围内移动通畅; 准确测量并记录声测管内、外径和各个声测剖面两声测管外壁间的距离,精度为1mm。,现场检测技术方法及影响因素,依据收发换能器的相对位置关系,有平测、斜测、扇测。,1. 测试方法,现场检测技术方法及影响因素,一般应采用水平同步测法,一对换能器分别置于两个对应的声测管中,位于统一高度;相邻两测点间距不大于250mm,累计相对高程误差控制在20mm以内。 平测法速度快
45、、效率高,可作为是否存在缺陷的初步判断依据;,1)水平同步测法,现场检测技术方法及影响因素,2)等差同步斜测的方法:,将一对换能器分别置于两个对应的声测管中,换能器保持一定的高程差; 收发换能器水平夹角一般为300400。 由于平测的其准确性降低,对于缺陷范围及其严重程度进行判定时,应至少结合斜测加以综合判定,现场检测技术方法及影响因素,若要准确描绘缺陷位置,应采用扇形扫测的方法。将一对换能器分别置于两个对应的声测管中,保持一个换能器高度位置固定,另一个以一定的高程差上下移动进行测试。,3)扇形扫测,现场检测技术方法及影响因素,声测管内注满清水作为耦合剂。 将声测管编号,测量并记录各剖面声测管
46、外壁间距。 将发射和接收换能器分别放入两个声测管中的第一个测点位置处,记录该位置的高程。 可自上而下或自下而上逐点平测法进行检测,测点间距一般可取25cm或小于25cm ,测取各测点的声时、幅值、频率等参数、记录波形。 测完后,可对可疑测点进行复测校核。 可对异常声参量区域进行斜测或扇测。,2.检测步骤,声测管对基桩检测结果的影响,声波透射法检测由于检测精度高、不受桩长、桩径条件限制、测试无盲区等优点,在混凝土基桩检测中应用越来越普及。特别是公路工程以及铁路、港口码头等工程领域,国家出台了公路工程基桩动测技术规程(JTG/T F81-01-2004),明确要求声波透射法的检测数量不少于50%,
47、对一些重要工程要求100%使用声波透射法进行基桩检测。 但是由于一些施工单位对该方法的认识不是十分明确,施工过程中可能会出现一些问题,并可能影响对基桩进行检测,造成工作的被动。,声测管对基桩检测结果的影响,在安装钢筋笼的启吊过程中,钢筋笼的底部会在地面拖动,如果绑扎不牢,声测管往往容易发生弯曲变形,声测管间距变小。有时设计的桩底钢筋笼直径缩小(变径),为了保证声测管的平直,声测管就要穿到钢筋笼外侧。如果不采取加固措施,很容易使声测管压弯或打折,甚至折断。另一种情况是,设计的声测管超出钢筋笼底12m(在设计桩底有一段素混凝土)时,也存在类似情况。,桩底声测管弯曲,如图所示,桩长18.0m左右,埋
48、设三根声测管,三个检测剖面中,-16.0m -18.0m区段声速曲线均明显向右翘起,声速异常偏高,波幅反而降低(这是因为声测管弯曲,使发射与接收换能器不再保持平行,造成波幅降低)其它区域曲线基本正常。推断桩底部位的三根声测管全部向内弯斜, 间距变小,计算的波速异 常偏高。由于桩底是缺陷 易发生部位,根据此类曲 线很难判定桩底是否存在 缺陷,很可能发生漏判、 误判,给工程留下安全隐患。,声测管对基桩检测结果的影响,图1 声测管底部弯曲时检测剖面图,声测管对基桩检测结果的影响,2.桩身声测管弯曲变形 声测管绑扎不牢或绑扎间距过大,在浇筑混凝土过程中,声测管受混凝土挤压发生弯曲变形,管间距离变大或变
49、小,直接影响检测结果的分析判定,甚至无法给出桩身完整性类别,只能采取钻芯或其它可靠的方法进行检测,影响正常的施工。 如图2所示,桩长18.0m,埋设三根声测管。从图上可以看出,、剖面深度曲线基本正常,剖面中上部的声速曲线向右弯曲,声速严重异常。推断是声测管受挤压变形,互相靠近,导致计算声速严重异常。根据深度曲线也很难划定该桩的完整性类别,只能采取其它方法补充检测。声测管的弯曲还导致声速异常值判定区间太大,易造成漏判。,图2 桩身声测管不平行时检测剖面图,声测管对基桩检测结果的影响,声测管的联接一般采取外套钢管方式进行联接。钢套管直径不宜太大,一般比声测管略大即可,焊接起来比较容易,封闭性也比较好。钢套管也不能太长,一般80mm左右,对检测结果几乎无影响。钢套管的作用仅仅是把两段声测管联接起来,并不是什么特殊的工艺要求。有些单位不理解它的作用,在以往检测过程中发现过有些单位误把80mm写成80cm,不但浪费原材料,而且对检测结果产生很大影响。由于钢套管较长,焊接质量很好,密封在内部的空气不能排出,声波信号要绕行很长距离或穿过空气层
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