1、超声波简介超声波简介当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（声音的频率，它的单位是赫兹（hz）。人类耳朵能听到的声波）。人类耳朵能听到的声波频率为频率为2020khz。当声波的振动频率大于。当声波的振动频率大于20khz或小于或小于20hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20khz的声波称的声波称为为“超声波超声波”。部分材料的声波波速部分材料的声波波速材料 项目声速（m/s）密度（g/cm3）钢59407.8混凝土*45002.4石灰石61302.7
2、淡水14810.998空气3430.0012灌注桩常见质量问题灌注桩常见质量问题1、桩身完整性方面，常见缺陷有：夹泥、断裂、缩、桩身完整性方面，常见缺陷有：夹泥、断裂、缩颈、扩径、混凝土离析及桩顶混凝土密实性较差等。颈、扩径、混凝土离析及桩顶混凝土密实性较差等。2、嵌岩桩，影响桩底支承条件的质量问题，常见缺、嵌岩桩，影响桩底支承条件的质量问题，常见缺陷有：灌注混凝土前清孔不彻底；孔底沉渣，影响承陷有：灌注混凝土前清孔不彻底；孔底沉渣，影响承载能力。载能力。检测依据检测依据1、公路工程基桩动测技术规程公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2019）2、建筑基桩检测技术规范建筑基桩检
3、测技术规范（JGJ 106-2019 J256-2019）3、港口工程桩基动力检测规程港口工程桩基动力检测规程（JTJ 249-2019）4、铁路工程基桩检测技术规程铁路工程基桩检测技术规程（TB 10218-2019）检测内容、目的检测内容、目的1、检测灌注桩中声测管之间混凝土的缺陷位置及影响程度。、检测灌注桩中声测管之间混凝土的缺陷位置及影响程度。2、判定桩身完整性类别。、判定桩身完整性类别。适用范围适用范围适用于直径不小于适用于直径不小于800mm的混凝土灌注桩的完整性检测。的混凝土灌注桩的完整性检测。1、桩径小，声测管间距也小，测试误差相对较大、桩径小，声测管间距也小，测试误差相对较大
4、2、预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题检测原理检测原理检测原理检测原理当混凝土内存在不连续界面时，缺陷面形成波阻抗界面，产生波当混凝土内存在不连续界面时，缺陷面形成波阻抗界面，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等缺陷时，将产生波的散射和当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等缺陷时，将产生波的散射和绕射；绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内混凝土的密实
5、度参数。变程度等特征，可以获得测区范围内混凝土的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析测试记录不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内混凝土存在缺陷的性质、大小及空间位置和参考强就能判别测区内混凝土存在缺陷的性质、大小及空间位置和参考强度。度。混凝土的声学参数混凝土的声学参数声时值（声速值）声时值（声速值）由于混凝土缺陷主要是由于灌注时混入泥浆或混入由于混凝土缺陷主要是由于灌注时混入泥浆或混入自孔壁坍落的泥、砂所造成的，缺陷区的夹杂物声速较自孔壁坍落的泥、砂所造成的，缺陷区的夹杂物声速较低，或声阻抗明显低于混凝土的声阻抗。因此，超生脉低，或声
6、阻抗明显低于混凝土的声阻抗。因此，超生脉冲穿过或绕过缺陷时，声时值增大。增大的数值与缺陷冲穿过或绕过缺陷时，声时值增大。增大的数值与缺陷的尺度大小有关，所以声时值是判断缺陷有无和计算缺的尺度大小有关，所以声时值是判断缺陷有无和计算缺陷大小的基本物理量。陷大小的基本物理量。混凝土的声学参数混凝土的声学参数波幅波幅 即第一个半波的幅值。当波束穿过缺陷区时，部分声能被缺陷内即第一个半波的幅值。当波束穿过缺陷区时，部分声能被缺陷内所含物所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，到达接收所含物所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，到达接收传感器的声能明显减少，反映为波幅降低。实践表明：波幅对
7、缺陷的传感器的声能明显减少，反映为波幅降低。实践表明：波幅对缺陷的存在非常敏感，是判断缺陷有无的重要参数。存在非常敏感，是判断缺陷有无的重要参数。由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处状态、耦合情况由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处状态、耦合情况以及测距的大小，所以很难有一个统一的度量标准，同条件相对比较以及测距的大小，所以很难有一个统一的度量标准，同条件相对比较。混凝土的声学参数混凝土的声学参数频率频率 由于声波仪激发的超声脉冲信号是复频超声脉冲，包含由于声波仪激发的超声脉冲信号是复频超声脉冲，包含了一系列不同频率成分的余弦波分量，当超声脉冲穿过缺陷了一系列不同频率成分的余弦波分
8、量，当超声脉冲穿过缺陷区时，声脉冲中的高频部分首先被衰减，导致接收信号主频区时，声脉冲中的高频部分首先被衰减，导致接收信号主频下降，其下降百分率与缺陷的严重程度有关，也作为缺陷判下降，其下降百分率与缺陷的严重程度有关，也作为缺陷判断的重要依据。断的重要依据。主频下降的多少除与混凝土缺陷有关外，还与传播距离主频下降的多少除与混凝土缺陷有关外，还与传播距离、混凝土本身性质有关。同条件相对比较。、混凝土本身性质有关。同条件相对比较。混凝土的声学参数混凝土的声学参数波形波形接收波形产生畸变的原因复杂，由于缺陷区的干扰，接收波形产生畸变的原因复杂，由于缺陷区的干扰，部分超声脉冲波被多次反射而滞后到达接收
9、传感器，部分超声脉冲波被多次反射而滞后到达接收传感器，这些波束到达接收传感器的时间参差不齐，相位也不这些波束到达接收传感器的时间参差不齐，相位也不尽一致，叠加后造成接收波形的畸变。一般将波形畸尽一致，叠加后造成接收波形的畸变。一般将波形畸变作为缺陷定性分析依据及判断缺陷的参考指标。变作为缺陷定性分析依据及判断缺陷的参考指标。仪器设备仪器设备检测仪：一发一收、一发多收；发射最大检测仪：一发一收、一发多收；发射最大电压值不小于电压值不小于1000V，可调。，可调。传感器：径向振动换能器；径向水平面无传感器：径向振动换能器；径向水平面无指向性；指向性；1MPa水压下能正常工作；直径；导水压下能正常工
10、作；直径；导线有长度标注。线有长度标注。声测管埋设技术声测管埋设技术声测管埋设技术声测管埋设技术D1500mm，按等边三角形布置埋设三根声测管；，按等边三角形布置埋设三根声测管；D1500mm，按正方形布置埋设四根声测管。，按正方形布置埋设四根声测管。采用金属管，内径比换能器外径大采用金属管，内径比换能器外径大15mm，采用螺纹连接，不，采用螺纹连接，不漏水。漏水。牢固焊接或绑扎在钢筋笼内侧，相互平行、定位准确，埋设至牢固焊接或绑扎在钢筋笼内侧，相互平行、定位准确，埋设至桩底，管口高出桩顶桩底，管口高出桩顶300mm以上。管底封闭，管口加盖。以上。管底封闭，管口加盖。以路线前进方向的顶点为起始
11、点，按顺时针方向进行编号、分以路线前进方向的顶点为起始点，按顺时针方向进行编号、分组。组。检测前的准备检测前的准备收集工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等了解施收集工程地质资料、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。工工艺及施工过程中出现的异常情况。制定检测方案。制定检测方案。混凝土龄期大于混凝土龄期大于14d。声测管内灌满清水（衰减、延时），保证畅通。声测管内灌满清水（衰减、延时），保证畅通。标定声波仪发射至接收的系统延迟时间。标定声波仪发射至接收的系统延迟时间。测量声测管内、外径和相邻声测管外壁间的距离，测量声测管内、外径和相邻声测管外壁间的
12、距离，1mm。利用取芯孔量代替声测管时，应进行孔内清洗。利用取芯孔量代替声测管时，应进行孔内清洗。检测方法检测方法检测方法检测方法检测方法检测方法测点间距不宜大于测点间距不宜大于250mm。发射与接收换能器同标高同步升降，累计误差不应大于发射与接收换能器同标高同步升降，累计误差不应大于20mm，随时校正。，随时校正。同一根桩检测过程中，发射电压保持不变（可比性）。同一根桩检测过程中，发射电压保持不变（可比性）。异常部位，采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法异常部位，采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置和严进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷
13、的位置和严重程度。收、发换能器连线的水平夹角一般为重程度。收、发换能器连线的水平夹角一般为30-40。数据分析数据分析声时修正值声时修正值声时值声时值声速值声速值wtdddDttttti0tliniimn1桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法声速判据声速判据声速临界值的确定基于概率法，即无缺陷的混凝土声速测值虽因其声速临界值的确定基于概率法，即无缺陷的混凝土声速测值虽因其本身的不均匀性造成一定的离散性，但符合正态分布；由缺陷造成本身的不均匀性造成一定的离散性，但符合正态分布；由缺陷造成的低声速异常值不符合正态分布。因此确定临界值时必须采用正常的低声速异常值不符合正态分布。因此确定临界值
14、时必须采用正常混凝土声速平均值及标准差，否则求得的声速平均值将偏小，易造混凝土声速平均值及标准差，否则求得的声速平均值将偏小，易造成漏判。同时还应考虑声测管间不平行产生的误差影响。成漏判。同时还应考虑声测管间不平行产生的误差影响。Di2Dniin121桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法声速判据声速判据 声速是材料的基本物理量之一，与混凝土强度有关，当声速是材料的基本物理量之一，与混凝土强度有关，当检测剖面的测点声速值普遍偏低且离散性很小时，可采用声检测剖面的测点声速值普遍偏低且离散性很小时，可采用声速低限值判定。速低限值判定。声速低限值应由预留同条件混凝土试块的抗压强度与声声速低限值
15、应由预留同条件混凝土试块的抗压强度与声速对比试验结果，结合本地区实际经验确定。声速低限值相速对比试验结果，结合本地区实际经验确定。声速低限值相对应的混凝土强度不宜低于对应的混凝土强度不宜低于0.9R（设计强度），若试件为钻（设计强度），若试件为钻孔芯样，则不低于孔芯样，则不低于0.85R。桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法波幅判据波幅判据 用波幅平均值减用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实测波幅低于作为波幅临界值，当实测波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。波幅是相对测试，由于桩身混凝土内部结构的变异性很波幅是相对测试，由于桩身混凝土内部
16、结构的变异性很大，难以找出较好的波幅统计规律性。大，难以找出较好的波幅统计规律性。桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法PSD判据判据 PSD法是基于缺陷处声时的变化引起声时深度曲线的斜法是基于缺陷处声时的变化引起声时深度曲线的斜率明显增大，而声时差的大小又与缺陷程度密切相关，因此率明显增大，而声时差的大小又与缺陷程度密切相关，因此两者之积对缺陷的反映更加敏感。采用斜率法作为辅助异常两者之积对缺陷的反映更加敏感。采用斜率法作为辅助异常判据，当判据，当PSD值在某测点附近变化时，应将其作为可疑缺陷值在某测点附近变化时，应将其作为可疑缺陷区。区。12111iiiiiiiizzttttHttT
17、KPSD桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法波幅判据波幅判据 用波幅平均值减用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实测波幅低于作为波幅临界值，当实测波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。波幅是相对测试，由于桩身混凝土内部结构的变异性很波幅是相对测试，由于桩身混凝土内部结构的变异性很大，难以找出较好的波幅统计规律性。大，难以找出较好的波幅统计规律性。桩身混凝土缺陷判定方法桩身混凝土缺陷判定方法其它问题其它问题1、对声速、波幅和、对声速、波幅和PSD值超越临界异常或突变时，应对缺陷进行值超越临界异常或突变时，应对缺陷进行细测。同时结合波形、施工工艺
18、和施工记录等有关资料进行综合分细测。同时结合波形、施工工艺和施工记录等有关资料进行综合分析，以确定桩身混凝土缺陷的位置和程度。当声速普遍低于低限值析，以确定桩身混凝土缺陷的位置和程度。当声速普遍低于低限值时，应通过钻孔取芯法检验基桩的混凝土强度。时，应通过钻孔取芯法检验基桩的混凝土强度。2、由于超声波只能检测桩身部分的混凝土质量，对于支承桩或嵌、由于超声波只能检测桩身部分的混凝土质量，对于支承桩或嵌岩桩，宜同时采用低应变反射波法检测桩端的支承情况，确保基桩岩桩，宜同时采用低应变反射波法检测桩端的支承情况，确保基桩承载力满足设计要求。承载力满足设计要求。关于首波的几个问题关于首波的几个问题 声波
19、的传播速度是介质质点振动传递的速声波的传播速度是介质质点振动传递的速度，反映的是介质内声波的运动学特征。而声度，反映的是介质内声波的运动学特征。而声波的波幅反映的是声波的动力学特征，也就是波的波幅反映的是声波的动力学特征，也就是声波能量衰减变化的规律与特征。在混凝土中声波能量衰减变化的规律与特征。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。有一定规律的。关于首波的几个问题关于首波的几个问题关于发射换能器发射的超声脉冲波关于发射换能器发射的超声脉冲波 发射换能器向混凝土中发射的超声脉冲波（称其为发射换能器向混凝土中发射的超声脉冲波（称其
20、为“子波子波”），如下图所示。其特点是：从发射的那一刻，波幅从首波开始，如下图所示。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，到最大值后再按指数规律衰减到零。按指数规律增长，到最大值后再按指数规律衰减到零。关于首波的几个问题关于首波的几个问题密实、匀质混凝土接收超声信号的特征密实、匀质混凝土接收超声信号的特征 当混凝土匀质且密实，此时声波传播路径简单，衰减较小，接当混凝土匀质且密实，此时声波传播路径简单，衰减较小，接收波形和发射换能器的发射波形相近，如图所示。波形的特点收波形和发射换能器的发射波形相近，如图所示。波形的特点大体是脉冲波的波幅按指数规律增长至最大后，再按指数规律大体
21、是脉冲波的波幅按指数规律增长至最大后，再按指数规律衰减。衰减。关于首波的几个问题关于首波的几个问题匀质性差或有缺陷时的接收声信号匀质性差或有缺陷时的接收声信号 由于混凝土匀质性差，如存在异物、离析、蜂窝、空洞等。声由于混凝土匀质性差，如存在异物、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。收。关于首波的几个问题关于首波的几个问题首波掉波首波掉波混凝土密实性、匀质性差，声波衰减较快（其中高频成份衰减混
22、凝土密实性、匀质性差，声波衰减较快（其中高频成份衰减更快）更快），如换能器的首次波比又较小，会出现首波掉波现象。，如换能器的首次波比又较小，会出现首波掉波现象。此时只要适当加大仪器接收放大器的放大倍数，首波即可出现此时只要适当加大仪器接收放大器的放大倍数，首波即可出现。当然，当穿透距离较大，仪器的放大倍数不够时，也会出现。当然，当穿透距离较大，仪器的放大倍数不够时，也会出现掉波现象。这时需要人工对首波进行追踪判断，来读取首波声掉波现象。这时需要人工对首波进行追踪判断，来读取首波声时。时。关于首波的几个问题关于首波的几个问题1、密实、匀质混凝土接收的声波脉冲信号、密实、匀质混凝土接收的声波脉冲信
23、号“波组波组”简简单，与单，与“子波子波”相近；相近；2、匀质性差或有缺陷的混凝土部位，接收到的信号与、匀质性差或有缺陷的混凝土部位，接收到的信号与“子波子波”已大相径庭。原因是由于折射、反射又折射已大相径庭。原因是由于折射、反射又折射、绕射后，不同传播路径的声波，先后到达接收点，、绕射后，不同传播路径的声波，先后到达接收点，形成形成“波组波组”的叠加与相互干涉，造成接收声信号的叠加与相互干涉，造成接收声信号“波形畸变波形畸变”。关于首波的几个问题关于首波的几个问题3、当测距较大或混凝土质量较差时，有可能出现掉波、当测距较大或混凝土质量较差时，有可能出现掉波现象。应加注意观查首波是否因仪器放大倍数不够而现象。应加注意观查首波是否因仪器放大倍数不够而掉波。掉波。注意：由于仪器、换能器型号的不同，首波的相注意：由于仪器、换能器型号的不同，首波的相位可能是正起跳（向上），也可能是负起跳（向下）位可能是正起跳（向上），也可能是负起跳（向下），须在正常混凝土部位或把发、收换能器置于水桶中，须在正常混凝土部位或把发、收换能器置于水桶中加以确认，并在整个测试过程中，对首波进行加以确认，并在整个测试过程中，对首波进行“相位相位追踪追踪”，确认后读取首波声时及首波波幅。，确认后读取首波声时及首波波幅。谢谢大家！谢谢大家！
