1、鉆孔灌注樁超聲波法檢測實踐閻光輝提要：本文提出了一種準(zhǔn)確判定缺陷性質(zhì)、位置和大小的較合理的檢測方法，并對國家規(guī)程中三種缺陷判定方法逐一進(jìn)行分析，指出判斷時應(yīng)注意的問題，最后提出了自己新研制的綜合判定方法。關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁 超聲波 聲參量 缺陷前言隨著近幾年公路工程建設(shè)的不斷發(fā)展，尤其是高速公路的飛速發(fā)展，河南省鉆孔灌注樁據(jù)粗略統(tǒng)計每年都在6000根以上。鑒于鉆孔灌注樁大都采用水下灌注，看不見，摸不著，加之地質(zhì)復(fù)雜，施工單位的施工工藝和經(jīng)驗不同，出現(xiàn)了許多事故。1983年，由河南省交通廳公路管理局與湖南大學(xué)在參考法國同類樁基檢測基礎(chǔ)上，運用超聲脈沖技術(shù)共同研制成功的一種新的檢測樁基質(zhì)量的方法即

2、埋管法（或聲波透射法），為我國無損檢測開辟了新領(lǐng)域。該方法是鉆孔灌注樁非檢測方法中的一種，因其機(jī)理明確、設(shè)備簡單、使用方便、檢測準(zhǔn)確可靠，能非性地檢測鉆孔灌注樁完整性、均勻性，因而被廣泛應(yīng)用于公路、水利、建筑、鐵路等領(lǐng)域。該方法現(xiàn)也被列入中華人民共和國基樁低應(yīng)變動力檢測規(guī)程并作為一種典型的方法由河南逐步推向全國。超聲波法的研制成功，填補(bǔ)了我國無損檢測領(lǐng)域的一項空白。現(xiàn)根據(jù)多年來從事超聲波檢測的經(jīng)驗和體會，對超聲波檢測方法和缺陷判斷方面進(jìn)行總結(jié)，供同行參考。一、超聲波法的測試超聲波法的測試原理：由儀器中的脈沖信號發(fā)生器發(fā)出一系列周期性電脈沖，并加在發(fā)射換能器的極板上而產(chǎn)生超聲脈沖，超聲脈沖這被測

3、樁體，并被接收換能器所接收（圖1），聲波信號重新轉(zhuǎn)變成電信號，儀器顯示出超聲脈沖穿過被測介質(zhì)時的各種物理量如聲波傳播時間t、能量的損失A、頻率f的變化和波形畸變等。由于聲波穿過不同的介質(zhì)時，這些物理量均不同，因此可根據(jù)這上結(jié)物理量與介質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系判斷樁身中混凝土質(zhì)量的變異及內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置。二 測試方法1粗測：粗測一般為平測（圖2）。平測是將兩探頭放置在聲測管同一水平高度（聲測管中應(yīng)事先注滿清水，作為接觸良好的介物），以聲測管管平面為基準(zhǔn)首先把探頭入置在離聲測管管平面最近的好的混凝土中，此時屏幕上應(yīng)出現(xiàn)正常波形即正弦波（或余弦波），調(diào)整衰減倍數(shù)，使接收波首波幅值達(dá)到屏幕刻度的34

4、格，等波形穩(wěn)定后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測出聲時和首波幅值。探頭每次放下0.5米，直至測至管底。目前，大多數(shù)鉆孔灌注樁預(yù)埋三根聲測管，需測三個測面才能包絡(luò)基樁的主要部分，該樁才算檢測完整。用樁基數(shù)據(jù)處理軟件自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由有經(jīng)驗的檢測工程師對樁基完整性進(jìn)行判讀，并得出判斷結(jié)論。若無問題，則該樁測試完畢，判讀若有異常，則須對異常位置進(jìn)行細(xì)測。值得注意的是，樁基檢測混凝土品質(zhì)是個相對比較的過程，各種聲參量只有在同條件下才有可比性，才能正確判斷出缺陷嚴(yán)重程度，所以在檢測時均應(yīng)固定發(fā)射電壓、固定衰減、固定換能器。又由于換能器長度較短，超聲波能達(dá)到的聲場有限，50cm或40cm（規(guī)范上規(guī)定的測點間距，

5、是由實驗的有效聲場包絡(luò)范圍所制定的）一個測點，難免會出現(xiàn)漏測部分，所以放探頭時應(yīng)往下移，此時，檢測人員應(yīng)注意觀察波形變化，遇有波形畸變，波幅衰減較大，應(yīng)隨時記錄在案，以便復(fù)測。另外值得注意的是，目前在樁基缺陷判斷時，提倡采用多參數(shù)（聲時、幅值、頻率、波形）綜合判斷法，要想方便地采集到所有的聲參量，必須采用智能型聲波儀。所以，有條件的話，應(yīng)盡可能采用智能型超聲波檢測儀。在聲參數(shù)中，幅值對缺陷是最敏感的，當(dāng)聲測管傾斜嚴(yán)重時，當(dāng)聲波繞過一個小缺陷而聲速變化不大時，你會感覺到該參數(shù)的重要性。還需指出的是，樁基檢測時，會出現(xiàn)探頭不在管中心或探頭貼住管壁或探頭旋轉(zhuǎn)一定角度的現(xiàn)象，對幅值讀數(shù)產(chǎn)生影響，所以探

6、頭應(yīng)選壓電式并帶定位器的徑向柱狀探頭。2.細(xì)測：細(xì)測是在粗測的基礎(chǔ)上對聲波參數(shù)異常，懷疑有缺陷的部位進(jìn)行加密平測和增加斜測和交叉控制。所謂加密平側(cè)（圖3）是指兩探頭仍在同一水平面上，只是將探頭每次下放的距離縮小至20cm一測。根據(jù)經(jīng)驗，對于樁徑在1m，探頭頻率40KC，聲波從發(fā)射到接收其聲場所達(dá)到的水平和垂直方向的最大距離約20cm。測試時若相鄰測點距離較小如5cm、10cm，那么測試數(shù)據(jù)較多，缺陷重疊。若相鄰測點距離較大如30cm、40 cm，則易產(chǎn)生漏判。20cm一個測點比較合理，建議采用。所謂加密斜測（圖4）是指檢測之前使兩探頭不在同一高度即錯位法。兩探頭每次機(jī)時下放的距離也應(yīng)縮小至20

7、cm一測。最后用細(xì)測軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步對缺陷范圍，性質(zhì)和大小進(jìn)行定位判斷。那么兩探頭中到中之間的錯位高度究竟多少為合適呢？這里應(yīng)掌握一個原則：在好的混凝土中，固定發(fā)射電壓、固定探頭、固定衰減后，只要聲波接收信號強(qiáng)，首波幅度滿足測試要求，錯位高度越大越好。根據(jù)經(jīng)驗，建議采用60100cm錯位高度。實例：河南省某高速公路三標(biāo)某橋21樁。樁徑1.5m，樁長23m，示號20，埋置三根聲測管，管距（中到中）依次為L1298cm、L1392cm、L2395cm。灌注完畢7天以后進(jìn)行超聲波檢測。使用北京市政研究所NM3A智能型超聲儀，探頭用揚(yáng)州超聲儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的40KC徑向柱狀探頭。首先粗測：按前面

8、所述粗測方法（以聲測管管平面為基準(zhǔn)向下計算深度）依次對12管、13管、23管檢測（圖5），經(jīng)綜合判斷，結(jié)果如下：12管：混凝土良好，無缺陷。13管：1415m，夾泥砂。23管：1415.5m，夾泥砂。初步判斷上述缺陷是局部夾泥類缺陷。為進(jìn)一步判定缺陷上、下限和局部缺陷占樁橫截面的比例，必須進(jìn)行細(xì)測。細(xì)測：兩探頭錯位高度60cm，相鄰測點間距20cm。注意：初測深度從13m開始至16m結(jié)束即可。探頭放置過程中一定要按刻度（20cm）準(zhǔn)確往下放，否則影響判定結(jié)果。12管：先加密平測（圖3）。兩管同時放13m。加密斜測（圖4）。1管放置13m，2管入置13.6m。20cm一測，測至16m（以1管為準(zhǔn)

9、）結(jié)束。再斜測。1管放置13m，2管放置12.4m。20cm一測，測至16m（以1管為準(zhǔn)）結(jié)束。同理，檢測13管（以1管為準(zhǔn)）。檢測23管（以2管為準(zhǔn)）。整樁檢測完后，為了對缺陷的位置、大小進(jìn)行判定，以聲測管作為橫坐標(biāo)，深度作為縱坐標(biāo)。 按以下方法進(jìn)行分析（圖6），按比例繪圖，黑陰影線為有缺陷的點。整樁檢測結(jié)果：3測管附近，14.215.0m之間，夾泥砂。缺陷面積約占樁基橫截面積的48。平面示意圖（圖7）。鉆孔驗證：由于地下水位較高，該樁采用鉆孔壓漿法修補(bǔ)。其鉆孔取結(jié)果如下（圖8）。共鉆5個孔：1、2、3、4、5。單位：cm三 缺陷判斷鉆孔灌注樁在施工中易產(chǎn)生的缺陷主要有以下幾種：蜂窩、孔洞、

10、擴(kuò)徑、縮徑、離析、沙礫、夾層、泥砂夾層。如何定性、定量準(zhǔn)確判斷出各種缺陷性質(zhì)、大小和范圍，目前國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有可操作性強(qiáng)的方法和標(biāo)準(zhǔn)供大家使用。再有，究竟缺陷樁屬第幾類樁，是否需要處理，也沒有相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，所以仍須憑經(jīng)驗去判斷。但中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基樁低應(yīng)變動力檢測規(guī)程中為我們制定了三種判定樁身有無缺陷的方法：1、數(shù)值判斷法。2、PSD判斷法。3、波幅判斷法，這無疑為我們聲測人員在數(shù)據(jù)處理和缺陷判斷方面提供了原理、理論和參數(shù)定性的判斷依據(jù)。另外，還有多因素概率分析法等。31 數(shù)值判斷法該方法是利用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)原理，在保證聲測管兩兩基本平行且管距基本相等的情況下，則聲時平均值t與聲

11、時2倍標(biāo)準(zhǔn)差t之和作為判定樁身有無缺陷的臨界值，并按下列公式計算：式中 n測點數(shù)； tci混凝土中第i測點聲波傳播時間；t聲時平均值；t聲時標(biāo)準(zhǔn)差；若某點的聲時值tit2t，則該點混凝土有缺陷。應(yīng)注意的是：該方法是建立在聲測管基本平行、管距基本相等、混凝土均勻、數(shù)值符合正態(tài)分布的前提下，缺陷判定才比較準(zhǔn)。但是，由于工程管理、施工水平和混凝土離散性大，聲測管不平行且管距不等諸因素的影響，終使聲時標(biāo)準(zhǔn)差t偏大，導(dǎo)致缺陷易漏判。32 PSD判據(jù)法該方法是河南省公路管理局與湖南大學(xué)土木系于1983年為確保鄭州黃河公路大橋樁基質(zhì)量而研制成功的可定性、定量判斷樁身質(zhì)量的方法，1985年在洛陽通過交通部專家

12、鑒定。PSD判據(jù)即聲時深度曲線相鄰測點的斜率K與相鄰兩點聲時差值t的乘積即K×t。K=(ti-ti-1)/(hi-hi-1)t=ti-ti-1PSD=K×t=(ti-ti-1)2/(hi-hi-1) (1)式中： ti第i測點的聲時（s）； ti1第i-1測點的聲時（s）；hi第i測點的深度（m）； hi-1第i1測點的深度（m）；PSD對缺陷很敏感，在判據(jù)深度曲線上可明顯地反映出缺陷的位置及性質(zhì)。當(dāng)聲測管不平行時，由于相鄰測點聲時差值變化不大，故PSD還可解決聲測管傾斜問題。需要提醒大家的是，當(dāng)遇低強(qiáng)且均勻的混凝土或相鄰測點均在缺陷區(qū)時，由于聲時值的變化也不大，在判據(jù)深度

13、曲線上反映不出缺陷，易漏判，需用波幅衰減、聲速、波形畸變來綜合判定。33 波幅判斷法聲波在穿過有缺陷的混凝土?xí)r，其聲能要被衰減，聲參量波幅會比聲速對缺陷更敏感。中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基樁低應(yīng)變動力檢測規(guī)程中規(guī)定可采用接收信號首波能量平均值的一半作為判斷缺陷臨界值的標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：式中：平均幅值（dB）；第i測點的幅值（dB）；n測點數(shù)。需指出的是，該判據(jù)利用了衰減對缺陷的敏感性。但為什么能量衰減一半正是判別缺陷有無的界限？這一點還缺乏理論依據(jù)和足夠的工程驗證資料，實際檢測中也容易檢測到能量衰減一半的值，但混凝土并無缺陷，這可能與混凝土本身是非均質(zhì)材料，灌注過程中易產(chǎn)生小的蜂窩、孔洞有關(guān)，應(yīng)謹(jǐn)慎

14、使用。34 多因素概率分析法（簡稱NFP）該方法使用多因素，即聲速V、頻率F、波幅A。通過對整體的概率分析，獲得一個綜合判斷值NFP來判斷缺陷的方法。NFP值按下式計算：式中：NFP（i）第i點的判據(jù)值；Vi，F(xiàn)i，Ai第i點的聲速、頻率、幅值的相對值，即聲參數(shù)分別除以該樁各測點所對應(yīng)聲參數(shù)中最大值所得之商；以上述三個參數(shù)相對值之積為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；m概率保證系數(shù)，它系根據(jù)與樣本相擬合的夏里埃（Char Liar）概率密度函數(shù)及樣本的偏相關(guān)系數(shù)、峰凸系數(shù)極其保證概率（如<0.01）所決定的。當(dāng)NFP值1，表示該處有缺陷，其值越小，混凝土質(zhì)量越差。NFP值1，則無缺陷，其值越大，混凝土質(zhì)量越

15、好。前三種方法都有一共同特點：均使用一個聲參數(shù)。眾所周知，混凝土中存在缺陷，會使測試的聲速、波幅、頻率發(fā)生明顯減小，三個聲學(xué)參數(shù)單獨用于缺陷判斷，則各有其優(yōu)點和局限性。如聲時（或聲速），相對其它兩參數(shù)來說，受測試操作人員經(jīng)驗的影響較少，但對小缺陷反映不敏感。用頻率值判別缺陷需要有較熟練的測試技術(shù)，否則容易出現(xiàn)測試誤差。波幅對缺陷反映十分敏感，但受儀器、探頭和基樁質(zhì)量影響較大。綜上所述，用單一的聲學(xué)參數(shù)作為判斷的依據(jù)，必然有較大的局限性。而多因數(shù)概率分析法（簡稱NFP法），把三種參數(shù)綜合在一起，可較全面地反映缺陷的性質(zhì)，但該方法把三種參數(shù)平均參與判定，沒有考慮實際缺陷情況而應(yīng)給某聲參量以適當(dāng)?shù)臋?quán)值，其判定缺陷性質(zhì)略顯偏頗。近年來，河南省交通廳質(zhì)監(jiān)站在運用多參數(shù)對缺陷進(jìn)行綜合判斷方面也進(jìn)行了嘗試，根據(jù)多年來的檢測經(jīng)驗，在總結(jié)PSD法、聲速V和首波幅度A變化的情況下，提出如下判斷缺陷性質(zhì)的方法。見下表。該方法進(jìn)一步細(xì)化了PSD判據(jù)和首波幅值，不但解決了聲測管傾斜造成地誤判，而且在判斷缺陷性質(zhì)方面又前進(jìn)了一步。該判別式在實際檢測中也得到了很好的驗證。PSDVA缺陷性質(zhì)PSD9正常正常