声波透射法在桩基检测中的应用

陈显云

(贵州省交通科学研究院有限责任公司)

1 声波透射法检测桩基质量的原理

1.1 声波在混凝土中的传递特点

由于混凝土是一种含多种组成对象的复合材料，其内部构造相对复杂，具有广泛的复杂界面，这也导致声波在混凝土内部的传播呈现多样性。声波在混凝土内部传播会造成声波较大的能量衰减，这主要是由于混凝土内部的复杂界面导致的声波散射，如果将混凝土中的骨料作为影响声波传递的障碍物，那么散射功率的大小就与声波频率的平方成正比。所以为了保证声波在混凝土内部经过传播之后能够被准确接受需要采用频率较低的声波进行检测。另外声波在混凝土内部传播的指向性差，这主要是因为采用低频率声波的波长较长，使得扩散角变大，混凝土内部集料的多界面特性使得声波要经过过多的折射和反射作用，大量的声波折射和反射使得相互之间产生干涉和叠加。

1.2 混凝土声波透射法检测中的声波

在桩基质量检测中采用的声波为脉冲声波，该声波为间歇式声波，声波每次发射持续的时间较短，发射之后要重复间断发射，声波的重复频率一般选择为50 Hz 或者是100 Hz.。这种脉冲声波的特质就决定了其要比单频连续声波复杂。脉冲声波的余弦波在水泥混凝土中传递时会呈现不同的传播速度，容易形成声波的频散现象，这就必然导致声波在传递过程中会随着传递距离的增加而产生更大程度的畸变。

1.3 声波透射法检测技术

声波透射法检测桩基质量主要包括三种方式:桩内单孔透射法、桩外透射法和桩内跨孔透射法。

(1)桩内单孔透射法

桩内单孔透射法适用于桩基只有一个孔道的质量检测，常用在钻芯取样之后进一步对桩基混凝土质量的检测中，作为一种桩基质量检测的补充手段来使用。检测过程中只需要将换能器至于单孔内即可，用隔声材料将换能器进行隔离，发射的声波经过放置于孔内的换能器发射后通过耦合水进入孔壁混凝土层，在耦合水的作用下声波能够在混凝土表层进行一段距离的滑动，之后声波达到接受器，从而获取声波经过混凝土的各种折射和反射之后的各项声学参数。单孔透射检测方法相比较跨孔检测声波的传递路径要相对复杂，所以需要采取必要的信号分析技术。

(2)桩内跨孔透射法

装内跨孔透射法需要预先在桩基内部预留两根或者两根以上的声测管，这样可以将发射换能器和接受换能器分开布置。检测过程中声波经过发射换能器发出，穿透混凝土之后由另外管道内的接受换能器接受。跨孔检测方法的有效检测范围为声波经过发射器发出到接受器接受所扫过的混凝土范围。根据接受换能器和发射换能器之间位置的不同可以将跨孔透射法分为平测、斜测和扇形扫射等不同类型。

(3)桩外孔透射法

当桩基为设置检查管道或者已经完成上部结构时可以采用桩外透射法检测桩基质量。桩外检测技术是紧贴混凝土桩基的外侧钻检测孔道。检测孔道的位置选取要在保证不影响桩基结构安全性的条件下尽量靠近桩基，这主要是因为声波在土层中的衰减速度较快。检测过程中需要在桩顶位置处放置功率较大的平面换能器，接受器沿外侧钻孔自上而下缓慢发出，声波经过土层之后进入混凝土层中，经过耦合水的作用被接受换能器接受，这样就可以逐点检测出不同位置处的混凝土质量。但是桩外检测的主要缺陷是受制于检测仪器频率的限制，检测长度较为有限。对桩基质量的判断只能限制在夹层、断桩等。

综上所述，在桩基质量检测中桩内跨孔检测是一种较为成熟可靠的检测方法，也是目前在桩基质量检测中采用的主要检测方法。

2 声波透射检测桩基质量数据处理

2.1 声速分析

声波的声速在桩基质量检测中数值较为稳定，这主要是因为声速的大小与介质的密度相关性大。由于桩基施工中采用相同的配合比来生产混凝土，所以桩基的整体密度相差不大。采用声速变化来对混凝土质量进行评价就不十分贴切，可以作为参考指标使用。

2.2 波幅分析

在混凝土质量判断中接收波首波波幅变化是用来表征混凝土质量好坏的一个重要参数。相比较声波经过混凝土之后所接受道德声速变化来说，波幅的变化程度要更加明显，但是波幅的数据稳定性没有声速数据的稳定程度高是因为波幅数据的获取要受到仪器设备质量、测量的桩长和耦合状态的多种外部因素的影响。在桩基质量检测过程中所获得的声波波幅变化呈现正态分布的特征。当获取的波幅数据变化跟正态分布规律相吻合是就表明检测过程中的波幅数据所反映的桩基混凝土质量状况跟实际情况较为贴切。在采用声波透射法判断桩基混凝土质量的过程中虽然波幅数据对混凝土质量变化的反映更加敏感，但还是需要结合数据的变化情况并与其它声学指标来综合分析混凝土质量状况。

2.3 主频判据

声波经过混凝土之后会发生一系列的折射和反射作用，所以声波在到达接收器之后所接受到的主频会发生一定程度的漂移造成主频产生衰减，通过实测主频发生衰减的程度就能够对混凝土的质量做出较为准确的评价。通过声波透射法检测获得的主频的衰减程度越大，就表明该位置处的桩基混凝土质量越差。同波幅分析相类似，主频数据的在一定程度上会受到检测设备系统工作状态的影响，还会受到检测的桩长和声波耦合情况的影响。主频的变化也呈现正态分布的特征。另外主频数据的获取没有声速获取数据稳定，跟波幅数据分析对病害的反映相对较弱，在实际的桩基质量检测中主频数据变化只是作为波幅数据分析之外的一种辅助判断措施。

3 结 语

声波透射法检测桩基质量是通过设置于声测管中的声波发射器和接受器的共同工作，来获得声波经过混凝土之后的频率、波幅等相关声学指标的变化情况。通过对相关数据的分析可以对桩身质量做出相对准确的评价。声波透射法作为目前无损检测技术中的新技术，具有检测精度高、操作简单、效率高、不受桩长限制等诸多优点，其应用前景非常将会十分广泛。

［1］杨建超，唐德高.声波透射法检测基桩混凝土质量各声学参数对缺陷敏感程度试验分析［J］.江苏建筑，2006，(6).

［2］宋人心，王五平，傅翔，等.灌注桩声波透射法缺陷分析方法一阴影重叠法［J］.中南公路工程，2006，31(2).