桩基声波测试仪|桥梁灌注桩声波透射法检测新技术及其应用

发布时间：2021-01-04

摘要本文较为详细地讲解了声波透射法测试仪领域的若干新技术，如相对能量解释方法、三维层析成像分析技术等，同时阐述了现行方法中的局限性。通过桥梁灌注桩的应用实例，说明这些新技术可有效地改善测试过程和解释精度。

1．前言

声波透射法检测仪是根据超声波的透射原理检测桩身完整性，目前已成为基桩无损检测中行之有效的方法之一。桥梁灌注桩一般具有桩径大、桩长长、缺陷复杂等特点，低应变动力检测法测试桩身完整性常受到浅部盲区、多缺陷和桩长过长等限制，无法测试出桩身浅部缺陷、多个缺陷及深部缺陷或桩底。然而，声波透射法可以克服上述所有问题。如图 1 所示，它是在桩身中预埋若干根声测管，声测管材质可以是铁管或 PVC 管，管内充满清水作为声耦合剂。然后将超声脉冲发射换能器和接收换能器分别置于声测管中同一水平高度。测试过程中，两个换能器保持同步移动，发射换能器发射超声脉冲通过桩身混凝土到达接收换能器接收。如果桩身混凝土有缺陷，则会引起接收波形发生变化。通过分析接收波的首波初至、幅值、频率和波形特征，可以判定缺陷位置和缺陷程度。

图 1：试验示意图

随着声波测试仪器的发展，现场普遍采用连续式快速采集。与过去的点式测量方法相比，测试速度和效率均大大提高了。数据分析处理方面，数学统计法和 PSD 斜率法为主要判缺方法。在声测管间比较平行时，上述方法可准确的识别缺陷。

尽管如此，目前声波透射法技术仍然处于不断发展过程中。桩身混凝土本身的非线性和缺陷的众多影响因素，比起上部结构混凝土性质来说要复杂得多，常常使得数学统计法或 PSD 法计算的临界值和异常点与实际不符。此外，声测管间在埋设过程中经常造成不平行或产生局部倾斜，或者即便声测管平行，测试中发射和接收换能器常常不能保持同一高度甚至差距很大，造成数学统计法和 PSD 法不能完全适用，给解释结果的准确性带来风险。

为了改进测试和解释方法，提高判缺准确度，国内外在这一领域近年来提出了一些新技术方法并应用于实际工程，取得了较为理想的效果。

2．新技术方法

2.1 相对能量判别缺陷

相对能量是对指定的时间段内实测信号绝对幅值进行积分计算的数值，其实际数值并不重要，只是一个相对值。这个概念是针对首波幅值而提出的。首波幅值是目前主要判缺标准之一。理论上，当桩身存在缺陷时，接收波形的首波初至时间延迟，首波幅值降低。但实际上由于混凝土非线性和缺陷性质不同，首波幅值并不能反映真实情况。例如，当桩身混凝土存在离析缺陷时，如粗骨料少砂浆多，首波幅值不但不降低，有时还会略高于附近其它点的首波幅值，给数据解释带来困难。

图 2：经过良好混凝土的接收波形图 3：经过缺陷混凝土的接收波形

首波幅值只用到了接收波形中的第一个波幅，波形的其余部分没有用到。相对能量则是指定接收波形中一段时间的幅值并积分为能量，这样比单个首波幅值更能反映桩身混凝土的实际状况。图 2 为超声波脉冲经过良好混凝土的实测波形，图 3 为超声波脉冲经过缺陷混凝土的实测波形。图中两条竖线为相对能量法指定的时间段。如果从首波幅值作为判缺标准，这两条曲线是无法区分开的。但是如果采用相对能量法，可以十分容易地识别出桩身混凝土完好的桩段和存在缺陷的桩段。

2.2 识别首波初至新方法

首波初至时间是声波透射法中极为重要的参数之一，它可用来计算混凝土的波速。目前采用的首波初至时间是一个绝对量，即接收波形中第一个脉冲的到达时间。这个时间的准确程度决定了计算的混凝土波速的精度。实际上，这个时间的准确性往往受到多种因素的影响。比如测试过程中干扰波会叠加到接收波形上，容易造成识别误差；再如声测管的局部倾斜，造成声测管平行部分和倾斜部分的首波初至产生差异。由此可以看出，首波初至时间并不是一个绝对数值，而应该是一个相对的概念。

目前在美国采用阈值法识别首波初至时间。阈值中包括相对阈值和绝对阈值。相对阈值通过找出实测波形中首波峰值，采用此峰值的相对百分数作为阈值对应的时刻来识别初至时间，一般推荐使用 20～30%作为阈值。绝对阈值使用占满量程的绝对百分数作为阈值识别初至。一般推荐使用 10-15%作为阈值。实际工作中采用接收波形中第一个同时超过相对阈值和绝对阈值的时间确定为初至时间。

2.3 双深度编码器实时定位

现场测试过程中，国内目前普遍采用单个深度编码器装置。在连续数据采集过程中，常由于人工提拉等原因使得两个换能器没有处在同一水平面上，造成实测结果的一致性差。在只有一个深度编码器的情况下是不能及时发现的。

图 4：实时显示的两个换能器当前所在位置

采用两个深度编码器，可以实时监视两个超声换能器的位置，及时发现和调整换能器位置，使得两个换能器尽可能保持同步移动，这对实测记录大有好处。这也是目前现场测试中仪器发展的一个重要方面。

图 4 为实测的某深度段相应的波速曲线和相对能量曲线（左侧）及两个换能器当前所在位置（右侧）。从图中可以看出，波速曲线和相对能量曲线中段出现异常，波速和相对能量均明显减小，一般来讲表示该处有明显缺陷。但是我们观察到该深度上两个换能器位置明显加大，由于两个换能器的距离增大，有可能造成波速和相对能量的降低，这样就会容易出现

误判。从这个例子可见，两个深度编码器对现场实际测量和室内分析是十分重要的。

2.4 综合分析方法

国内在判定缺陷分析方法上，目前采用波速或首波初至作为主要指标。在全部声测管彼此平行时，这种方法是十分有效的方法。但是声测管往往会出现局部倾斜或测试过程中发射和接收换能器不能彼此同步，这是波速法、波幅法甚至 PSD 斜率法都将会受到影响，给最终判定缺陷带来困难。

即便是声测管平行和收发换能器同步，单纯使用一种方法判定缺陷仍然有问题，因为缺陷性质不同，对某一个变量（如波速）的影响不是很敏感。为此，采用综合分析方法是解决缺陷的唯一途径。近年来国外采用波速（或首波初至）、相对能量和瀑布图（或称全波列图）组合判定缺陷。实践证明，更为有效的方法是首先使用这个组合直观发现缺陷，然后观察和比较缺陷处与无缺陷处的接收波形形态，最终综合分析判定缺陷。

图 5：综合法判定缺陷

图 5 为某断面的实测曲线。图中深度约 7m 可见波速和相对能量明显减小，瀑布图相应深度处出现空白区，怀疑该处有缺陷。然后进一步证实，在确定两个换能器同步的基础上，观察和比较完好混凝土处和怀疑有缺陷处的接收波形，如图（a）和图（b）。从中可以清楚地看出缺陷处接收波形首波初至时间长、相对能量低且波形畸变。通过综合分析最终判定该断面在深度为 7m 附近有明显缺陷。

2.5 三维成像分析技术

三维成像分析技术在我们国内尚未有正式的成果及和应用，仍然沿用全波列或声学参数对深度的 XY 图。在有限的声测管和测试断面情况下，只能判断缺陷的粗略位置和范围，不能给定缺陷的形状和损失大小。近年来国外应用层析成像技术对有限实测断面数据进行数学计算，建立二维和三维图像。由此，判定缺陷形状、位置和大小。这可以说是声波透射法今后发展的方向之一。有些国家已经建议将三维成像分析技术纳入到灌注桩桩身质量检测规范中，以补充（甚至取代）当前只使用 XY 图作为判缺标准。

图 6 为某根桩三维成像分析结果。图中可以看出沿深度方向有几处比较明显的缺陷存在。立体钢筋骨架图（a）显示了各缺陷的分布范围。对缺陷处任一位置可进行横切面二维显示。从中可以计算缺陷面积占全截面面积的百分比，即得到定量的缺陷大小。如图（b）所示，对应 7 米附近的缺陷，其分布范围主要集中在测管 4、5、6 附近，缺陷率为 23%。

图 6：三维成像分析结果

3．应用实例

3.1 全截面缺陷

某桥梁钻孔灌注桩应用上述声波透射法新技术分析结果曲线如图 7 所示。瀑布图中显示了一个“全截面缺陷”，4 个 35m 长声测管的所有 6 个断面的测试结果都显示在约 28m 处有一个明显缺陷。图中最右边为一个代表性断面的实测首波初至（左侧）曲线和相对能量对数曲线（右侧），可清晰的将全截面的主缺陷位置及未有缺陷的完整部分显示出来，不必进一步分析。缺陷桩通过抽芯检测进行了验证，并采用高压注浆方法进行了处理。

图 7：全截面缺陷

3.2 桩身多个缺陷及三维显示

某高架桥采用单桩单柱基础形式，钻孔灌注桩桩径 2.2 米，桩长 40 米。由于该桩的重要性且处于软土地层中，为考察桩身完整性情况共埋设 4 根声测管。有代表性的断面测试结果如图 8 所示。图（a）通过首波初至曲线、相对能量对数曲线和瀑布图综合分析，可容易地判断出沿深度方向有三处明显缺陷。为了进一步确定缺陷范围和损失大小，采用三维成像分析计算，得到图（b）。

(a) 曲线分析结果 (b)三维成像分析结果
图 8：桩身存在多个缺陷

4．结语

声波透射法测试设备在灌注桩桩身完整性检测中是非常行之有效的技术之一。但工程实际中的各种影响因素的存在，不可能完全使用理想的数理统计方法计算识别桩身缺陷。特别对于非平行声测管来说，数理统计法判断结果容易产生误判。近年来发展起来的新技术，如采用两个深度编码器、相对能量及全波列图综合分析方法大大改进了测试过程和计算结果。为了确定缺陷形状和定量计算缺陷大小，出现了三维成像分析技术。通过实际应用表明这些新技术丰富和改进了现有的声波透射法测试方法和解释方法，对今后补充和完善规范标准大有益处。