混凝土灌注桩超声检测的原理与方法
混凝土灌注桩超声检测的原理与方法混凝土灌注桩超声检测法是在桩内预埋若干根平行于桩的纵轴的声测管道，将超声探头通过声测管直接伸人桩身混凝土内部进行逐点，逐段探测。其基本原理与上部结构构件的超声探伤原理相同，即根据超声脉冲穿越被测混凝土时传播时间、传播速度及能量的变化反映缺陷的存在，并估算混凝土的抗压强度和质量均匀性。但由于桩的混凝土灌注条件与上部结构的成型条件完全不同，尤其是水下灌注时差异更大，混凝土的配合比、灌注后的离析程度、声测管的平行度等许多因素，都会严重影响对缺陷的判断和对强度及均匀性的推算，因此，灌注桩的超声检测必须有一套适合其特点的方法和判据，而不能完全延用上部结构检测的现有方法。
一、灌注桩超声检测法的检测方法和基本检测参量 灌柱桩的超声检测法检测方式通常采用双孔检测。在桩内预埋两根以上的管道，把发射探头和接收探头分别置于两根管道中(如图3所示)，检测时超声脉冲穿过两管道之间的混凝土这种检测方式的实际有效范围，即为超声脉冲人发射探头到接收探头所穿过的范围。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖面，从而可得到各项声参数沿桩的纵剖面的变化数据。由于实测时是沿纵剖面逐点移动换能器、逐点测读各项声参数，测点间距一般采用20~40cm，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免水平断缝被漏测，可采用斜测方法，即两探头之间有一定高差，其水平测角可取30o~40o;若采用自动提拉设备，测点距离可视提拉速度及数据采集速度而定。 双孔测量时，根据两探头相对高程的变化，可分为平测、斜测扇形扫测等方式，如图3所示，在检测时视实际需要灵活运用。
双孔检测方式a)双孔平测;b)双孔斜测;c)扇形扫测1-声测管;2-超声检测仪;3-发射探头;4-小接收探头 判断缺陷的基本物理参量:
1、声时或声速。即超声脉冲穿过混凝土所需的时间。如果两声测管基本平行，则当混凝土质量均匀、没有内部缺陷时，在各横截面所测得的声时值基本相同;但当存在缺陷时，由于缺陷区的泥、水、空气等内含物的声速远小于完好混凝土的声速，所以穿越时间明显增大，而且当缺陷中物质的声阻抗与混凝土的声阻抗不同时，界面透过率很小，根据惠更斯原理，声波将绕过缺陷继续传播，波线呈折线状。由于绕行声程比直达声程长，因此，声时值也相应增大。可见，声时值是缺陷的重要判断参数。声时值可用仪器精确测量，通常以微秒(
)计。为了使声时值沿桩的纵剖面的变化状况形象直观，在检测中常把检测结果绘成“声时—深度”曲线。 超声脉冲传播单位声程所需要的声时即为声速。因此，也可将声时值变换成声速值作为判断的依据。
2、接收信号的幅值。它是超声脉冲穿过混凝土后的衰减程度的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对超声脉冲的衰减就越大。根据混凝土中超声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，将产生吸收衰减和散射衰减，使接收波波幅明显下降，从而在缺陷背后形成一个声阴影。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波(即接收信号的前面半个或一个周期)的波幅为准，后继的波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与试体耦合条件的严重影响，在灌注桩检测中，换能器在声测管中通过水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使探头在管中处于居中位置，为此应在探头上安装定位器。幅值或衰减与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一，是采用声阴影法进行缺陷区细测定位的基本依据。
3、接收频率。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率向低频端漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收频率实质上是衰减值的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收频率降低。接收频率的测量一般以首波第一个周期为准，可直接在接收波的示波图形上作简易测量。近年来，为了更准确地测量频率的变化规律，已采用频谱分析的方法。它获得的频谱所包含的信息比采用简易方法时接收波首波频率所带的信息更为丰富，更为准确。在频域图上可准确地找到主频值，以及对应主频的幅值，若有发射信号的频谱资料，则可准确给出主频向低频端的漂移值。运用频谱分析时还应注意采样速率及截取长度等对频谱分析结果的影响，以便使各测点间分析结果具有可比性。
4、接收波波形。由于超声脉冲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型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，当超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变。所以，波形畸变可作为判断缺陷的参考依据。必须指出，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。目前波形畸变尚无定量指标，而只是经验性的。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。判断灌注桩混凝土强度等级及均匀性的物理参量:目前用于桩内混凝土强度等级及均匀性评价的物理参量主要有声速、衰减以及由它们推定的强度的统计参数。
1、声速。混凝土声速与强度有良好的相关性，所以可以用声速值推定混凝土的强度等级。但声速与强度的相关性受许多因素的影响，例如不同配合比的混凝土往往有不同的“声速—强度”相关公式，所以，通常针对一定配合比和原材料条件的混凝土，并事先制成“声速—强度”校准曲线，或事先通过试验求得两者的相关公式，在检测中作为推定强度的依据。
2、衰减值。由于“声速—强度”相关关系受配合比等许多因素的影响，灌注水下混凝土时，如果产生离析等现象，那么部分混凝土的实际配合比将与设计配合比有很大差别。这时用一种相同的“声速—强度”相关公式去推定强度误差往往较大。为此，可采用“声速—衰减—强度”综合法。该法可排除离析的影响，因而可提高强度的推定精确度。用于推定强度时，衰减值应准确测量，并应排除耦合条件等因素的影响。
3、推定强度的统计参数。为了评定桩的混凝土均匀性，以便评价施工质量，可将推定强度的平均值、标准差和不低于设计强度等级的百分率分别求出，并参照《混凝土强度检测评定标准》(CBJl07—87)进行评定。
二、灌注桩超声检测法的检测装置灌注桩超声检测法的检测装置主要由超声探头、超声仪、探头升降装置及桩内预埋的声测 管等组成。
(一)对检测装置的基本要求
1.探头 测桩所用的探头应是柱状径向振动的换能器，其主频宜为(25-50)kHz，长度宜小于20cm。为提高接收换能器的灵敏度，可在换能器中安装前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为(5-50)kHz。由于换能器在深水中工作，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。为了标示探头在声测管中的位置，在探头电缆线上应有标尺刻度。径向发射探头是利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动来发射或接收超声脉冲的，目 前常用的有增压式径向换能器，其构造如图6所示。它是在一个金属圆管内侧等距离排列一组径向振动的压电陶瓷圆片，圆片周边与金属圆管内壁密合。这种组合方式可使金属圆管表面上所受到的声压全部加在面积较小的压电陶瓷圆片的周边柱面上，从而起到增压和提高灵敏度的作用。为了减少声压在金属圆管上的损失，常把金属圆管剖切成多瓣式。为了在深水下使用，整个换能器和电缆接头均需用树脂或橡胶类材料加以密封。
增压式径向换能器1-增压管;2-压电体;3-密封层一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但有时为了增强接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器，装有前置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。为了耦合稳定，探头在管孔中宜处居中位置，可在探头上下安装扶正器。
2、超声仪测桩所用的超声仪，其基本性能要求如下：发射系统应能输出250~1000V的脉冲电压，激发压电体的脉冲波可为阶跃脉冲或矩形脉冲。接收系统的频带宽度宜为(5~50)kHz，增益应大于100dB，并应带有0~60(或肋)dB的衰减器，衰减器的辨率应为1dB，误差应小于1dB，档间误差应小于1%。仪器的测时范围应大于2000
，计时精度应高于1
| 仪 器 参 数 | 基 本 要 求 |
| 发射脉冲电压 | 250—1000V |
| 接收放大器频宽 | (5-50)kHz |
| 接收放大器增益 | >100dB |
| 衰减器衰减值 | 0-80dB |
| 衰减器分辨率 | 1dB |
| 衰减器误差 | <1％ |
| 测时范围 | 2000us |
| 测量精度 | >1us |
注：引自JGJ/T93-95在数字化的智能型仪器中，为了使所采集的信号不失真，应有足够的采样频率和采样长 度，以及具有动态显示功能，以便于现场实时观察。一般采样频率应达到20MHz(分若干级可选)，采样长度应达到64K(在该长度内可选)。为了便于分析，仪器中应带有专用测桩分析软件及频谱、CT等分析和成像软件。
3、探头升降系统为了检测不同深度的桩内混凝土质量，必须使探头在预埋的声测管中按要求升降。为解 决这一问题，通常有两种方式：一种是用人工升降，为了使操作者知道探头在桩内的确切位置，应在探头电缆线上划上标尺;另一种是采用电动机械式升降装置，可采用异步电机或步进电机驱动的小型绞车。采用这种方式升降时，升降装置必须能输出探头所处位置的明确指标，通常将绞车鼓筒的转动圈数换算成探头的升降高度，鼓筒的转动圈数可由光电式计数器记录和显示。若采用步进电机驱动，则根据步进量能更精密地测量探头位置，这种驱动方式一般用于全自动检测系统，并将探头位置信号也输入测桩专用软件统一处理。
(二)声测管的预埋声测管是灌注桩进行超声检测法时探头进入桩身内部的通道。它是灌注桩超声检测系统的重要组成部分，它在桩内的预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。
1、声测管的选择声测管材质的选择，以透声率较大、便于安装及费用较低为原则。声脉冲从发射换能器发出，通过耦合水到达水和声测管管壁的界面，再通过管壁到达声测 管管壁与混凝土的界面，穿过混凝土后又需穿过另一声测管的两个界面而到达接收换能器。因此，声测管形成4个界面，每个界面的声能透过系数可按下式计算：
(1)式中：
——某界面的声能透过系数;
——界面两侧介质的声阻抗率(
)发射和接收换能器之间4个界面的总透声系数为
(2)目前常用的管子有钢管、钢质波纹管、塑料管3种。钢管的优点是便于安装，可用电焊焊在钢筋骨架卜，可代替部分钢筋截面，而且由于钢管 刚度较大.埋置后可基本上保持其平行度和平直度，目前许多大直径灌注桩均采用钢作为声测管。但钢管的价格较贵：钢质波纹管是一种较好的声测管材料，它具有管壁薄、钢材省和抗渗、耐压、强度高、柔性好等特点，通常用于预应力结构中的后张法预留孔道：用做声测管时。可直接绑扎在钢筋骨架 土，接头处可用大一号波纹套接。由于波纹管很轻，因而操作十分方便，但安装时需注意保持其轴线的平直。塑料管的声阻抗率较低，用做声测管具有较大的透声率，通常可用于较小的灌注桩，在大型灌注桩中使用时应慎重-因为大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散：鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊，混凝土凝固后塑料管因温度下降而产生径向和纵向收缩，有可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，在声通路上又增加了更多反射强烈的界面，容易造成误判。声测管的直径，通常比径向换能器的直径大l0mm即可，常用规格是内径50-60mm。管子的壁厚对透声丰的影响很小，所以，原则上对管壁厚度不作限制，但从节省用钢量的角度而言，管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力，则越薄越省。
2、声测管的埋置数量和布置方式布置声测管的埋置数量及其在桩的横截面卜的布局应考虑检测的控制面积。通常有如图
所示的布置方式，图中的阴影区为检测的控制面积。一般桩径小于0.6~1m时，沿直径布置两根;桩径为1~2.5m时，布置3根，呈等边三角形;桩径大于2.5m时，布置4根，呈正方形。
3、声测管的安装方法声测管可直接固定在钢筋笼内侧上，如图8-8所示：固定方式可采用焊接或绑扎，管子之间应基本上保持平行-若检测结果需对各测点混凝土的强度做出评估，则不平行度应控制在1‰以下。钢筋笼放入桩孔时应防止扭曲。 管子一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案，如图8所示：若采用波纹管则可利于大一号的波纹管套接，井在套接管的两端用胶布缠绕密封。无论啊卜种接头方案都必须保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁应保持平整，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍探头的自如移动，声测管的底部也应密封，安装完毕后应将上口用木塞堵住，以免浇灌混凝土时落人异物，致使孔道堵塞。
声测管的安装方法a)钢管的套接;b)波纹管的套接1-钢筋;2-声测管;3-套接管;4-箍筋;5-密封胶布
4、声测管的其他用途声测管除了用作检测通道及取代一部分钢筋截面外，还可作为桩底压浆的管道。试验证明，经桩底浆处理的灌注桩，可大幅度提高其承载力。同时声测管还可作为事故桩缺陷冲洗与压浆处理的管道，这时需采取措施把需压浆的缺陷部位的管道打穿。
三、检测前的准备进行灌注桩完整性超声检测前，除需认真检查检测单位和检测人员的资质、仪器设备的技术状态和预埋声测管外，还应做好下列各项准备：
(一)了解工程概况，认真阅读和分析下列资料：岩土工程勘察资料、基桩设计计算资料及图纸、基桩位置平面图及编号、基桩施工原始记录、混凝土灌注龄期。
(二)确定被检桩的基本原则当某工程桩量较多，无法逐一检测时，可按一定原则和比例进行抽测，抽测应有代表性，以便确切反映成批桩的质量，受检桩的确定应考虑下列因素：1.选择设计方认为重要的桩;2.选择施工质量有怀疑的桩;3.选择岩土特性复杂，施工难度较大的桩;4.选择代表不同施工工艺条件和不同施工单位或班组的桩;5.在同类桩随机选取的基础上，宜使被检桩位置均匀分布。
(三)被检桩的抽样数量的基本规定
1.对于一柱一桩的建筑物或构筑物，全部桩均应进行检测;
2.非一柱一桩的建筑物或构筑物，应根据上述原则进行抽测，抽取的数量不得少于桩的总数的20%，且不得少于10根。
3.当抽测不合格的桩数超过抽测数的30%时，应加倍重新抽测。
4.若加倍抽样复测后仍有抽测数的30%不合格，则该批桩应全数检测。 由于超声检测法需预埋声测管，因此，检测单位应尽早介入，事先提出检测要求，并与设计和施工单位协商确定受检桩数量和桩号。有预埋管的桩数应超过抽样数，以备复检之需，一般有预埋管的桩数可达桩总数的40%左右，某些重要工程则应100%埋管。当需要加倍复测，而又没有足够的埋管桩时，则可用其他检测桩的完整性的方法补足应检桩数量。
