超声波技术在桥梁基桩检测探讨

陈小海

摘要:在桥梁结构的桩基完整性检测，超声波检测是物体无损检测的一种重要方法，其技术已广泛应用于国民经济的各个领。本文通过超声波测试的原理及数据分析，对桥梁桩基完整性检测进行了阐述。并提出相关建议，以供参考。

关键词: 桥梁基桩;检测技术;数据分析

基桩完整性检测新技术更是层出不穷,国内外的生产商及相应科技领域不断研发出新的各种型号检测仪器、因此掌握新检测技术手段,使基桩完整性检测更加科学、更加公正、更加准确。 超声波检测是超声波无损检测技术的一种，适用于工程施中过程质量的监测及工程竣工验收和结构物使用期间质量的鉴定。常用穿透法，即一例发射超声脉冲波另一侧接收通过被测物后的超声波。准确测定声速、首波幅度和波形，通过综合分析其大小及变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况，为解决工程问题提供可靠的依据。

1 超声波无损检测技术应用超声无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测等优点。几十年来，超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业 的钢铁工业、机器制造工业 、锅炉压力容器有关工业部门 、石油化工工业 、铁路运输工业、造船工业 、航空航天工业、高速发展 中的新技术产业如集成电路工业 、核 电工业等重要工业部门。目前大量应用于金属材料和构件，包括质量在线监控和产品在役检查。水平普遍提高，应用频度和领域也日益增多。目前我国对各种大型结构压力容器和复杂设备都已具备检测能力。在裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声检测等方面都有很大进展 。

2 超声波法的测试原理及数据分析

2.1 超声波法的测试原理

超声波测试的理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，由人工激振向介质(岩石、岩体、混凝土构筑物)发射超声波。超声波在混凝土中传播(即透射)时会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。对不同的物质性态，其声学现象具有不同的特点。超声波法检测是在成孔之后、灌注桩身混凝土之前，在孔内安装两根或两根以上的、竖直放置且相互平行的声测管，两两声测管即构成一个检测剖面，混凝土硬化后，声测管成为桩体的一部分。检测时，在声测管中注满清水作为耦合剂，将超声脉冲发射换能器(又称发射探头)和超声脉冲接收换能器(又称接收探头)分别置于两根声测管中，由超声检测仪发出一系列周期性电脉冲加于发射换能器，转换成超声脉冲，该脉冲穿过待测的桩体混凝土并为接收换能器所接收，在转换成电信号后由超声检测仪所接收，再由仪器中的测量系统算出超声脉冲穿过混凝土所用的时间(椐此及声测管间的距离推算混凝土的声速)、接收脉冲波幅值(或衰减值)、接收脉冲频谱、接收脉冲波形态等参数。将反复测量的桩体各测面上不同深度的这些数据传至计算机，由数据处理系统进行综合判断和分析，即可对桩体各部位混凝土缺陷的性质、大小、位置作出判断，绘制声速、衰减随深度变化曲线，给出桩体混凝土完整性的评价。

2.2 数据分析(依据JTG/TF81－01－2004)

(1)声速判据:实测混凝土声速值是否低于临界值并将其作为可疑缺陷区的判定，声速临界值按下列公式计算:

式中D 为声速临界值；为声速平均值；σv为声速标准差。

(2)波幅判据:实测波幅低于波幅临界值时，作为可疑缺陷区判定，波幅临界值按下列公式计算:

AD=Am－6

式中AD为波幅临界值(dB)；Am为波幅平均值(dB)。

(3)PSD判据:采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区，PSD值按下列公式计算:

式中ti为第i测点声时值(μs)；ti－1为第i－1测点声时值(μs)；zi为第i个测点深度(m)；zi－1为第i－1个测点深度(m)。

2.3 基桩完整性判定

(1)Ⅰ类桩:各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常。

(2)Ⅱ类桩:某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。

(3)Ⅲ类桩:某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变。

(4)Ⅳ类桩:某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。

3 超声波测试在工程应用中的优点及局限性分析

3.1 超声波测试的优点

(1)缺陷定位精确。对于多缺陷桩，其他的检测手段，比如低应变反射波法实测时应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测波形的判断非常复杂且不准确，第二、第三缺陷的判断会有较大误差；而超声波法通过测绳上的刻度，无论桩身存在一处或多处缺陷，超声波法检测均能准确的了解缺陷部位；

(2)准确判断桩身各种缺陷类型和范围，比如局部夹泥、包管或断桩等情况。其他的检测方法很难确定具体的缺陷范围，超声波法能通过平测、斜测、扇形扫侧等方法对桩身缺陷进行检测分析，准确识别桩身各处存在缺陷的大小及范围；

(3)能对大直径基桩进行详细且全面地检测。在大直径基桩的检测中，在桩身增设声测管数量，对基桩进行多剖面详细测试，检测剖面几可覆盖基桩全截面，准确评判基桩的完整性。

3.2 超声波测试的局限性

(1)超声波透射法仅适用于直径在800mm以上的基桩。因为当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大；同时，预埋声测管也可能引起附加的灌注桩施工质量问题，因此，测试前测量管间距一定要精确；

(2)超声波法不能对桩底沉渣的厚度范围做出定量分析。我们在测试过程中发现，许多施工单位在埋设声测管时，声测管并没有接触到桩底部，一般距离桩底大约5～10cm，且测试时无法采用斜测、扇形扫侧等检测方法对缺陷进行详细的检测，因此不能准确判断沉渣范围。这时，就需要采用低应变反射波法或钻芯法进行比对验证，进而确定桩身完整性类别；

(3)不能测试桩身混凝土强度。

4 对实施超声波法进行现场检测时的几点建议

在超声波法基桩检测过程中，为准确获取超声波在基桩混凝土中传播的各个声学参量，并以其判定基桩的桩身质量，除检测人员必须具备相应的理论和一定的检测经验外，笔者提出了以下几点建议:

(1)检测宜由检测管底部开始，发射电压值应固定并应始终保持不变，放大器增益值也应始终固定不变。调节衰减器的衰减量，使接收信号初至波幅度在屏幕2/3左右为宜；

(2)应匀速提升换能器，在提升过程中要注意监测波形的变化；

(3)由于径向换能器存在指向性，斜测时以波形能稳定接收为度，其水平测角一般取30°～40°；

(4)要注意分析各声学参量发生变化的原因，避免误判。

5 结语

准确定位缺陷并确定缺陷的大小范围超声波法具有独特的优势，而且操作简便，试验周期短，工程应用性价比高，在公路工程基桩检测中应用的越来越多，测试精度也得到公众认可。当然，超声波检测法也不是万能的，我们应当抱着科学严谨的态度，依据不同的地质和施工条件，对基桩完整性进行正确的判断，避免错判、误判，在遇到可疑缺陷桩超声波法不能对基桩做出定性分析时，应采用其他检测手段进行比对验证，严格为工程质量把关。

参考文献

[1] 王毓敏，论述超声波法在桥梁桩基的检测技术与建议[J]中华民居：学术刊，2011.07

[2] 付玉军 谢连生，超声波法检测桥梁桩基的探讨[J]湖南交通科技，2006.02