摘要：论述了超声脉冲法检测钻孔灌注桩连续性、完整性及强度的原理及方法。

　　关键词：超声脉冲法；检测；钻孔灌注桩；应用

　　超声脉冲检测法是检测混凝土灌注桩连续性、完整性、均匀性及混凝土强度等级的有效方法，它能准确地检测出桩内混凝土中因灌注质量问题造成的夹层、断桩、孔洞、蜂窝、离析等内部缺陷，并能测出混凝土均匀性及强度等级等性能指标。

　　1基本原理

　　声波在正常混凝土中的传播速度一般在3000m／s一4200m／s之间，当传播路径上遇到混凝土有裂缝、夹泥和密实度等缺陷时，声波特发生衰减，部分声波绕过缺陷前进，产生漫射现象，因此传播时间延长，波速减小，而遇到有空洞的空气界面要产生反向和散射，使波的振幅减小。桩的缺陷破坏了混凝土的连续性，使波的传播路径复杂化，引起波形畸变，所以声波在有缺陷的混凝土桩体中传播时，振幅减小，波速降低，波形畸变。

　　2检测仪器及方法

　　超声脉冲检测法的装置主要有超声换能器、超声检测仪、探头升降装置、记录显示装置或数据采集及处理系统等基本部件。换能器通常称为发射探头或接收探头，它能利用压电效应或磁致伸缩效应等将电能转换成声能或将声能转化成电能。超声检测仪功能是产生、接收和显示超声脉冲并具有测量声时、波幅、频率等物理参数的功能，常用的有UCT一2、CTS一25型等低频超声波检测仪。探头升降装置是为了保证探头在预埋的声测管中按要求任意升降，并使操作者准确评价探头在桩内的确切位置，记录显示装置或数据采集系统用于随时显示和记录探头在桩内任意深度时的接收波形及声波的传递时间；处理系统用于对测试的数据进行各种数值运算、分析处理，量化桩身内部各缺陷的性质、大小和位置等。

　　该方法在检测时需在灌注桩内预埋若干根声测管作为检测通道，再将发射探头和接收探头置于声测管中，管内充满水作为锅台剂，然后通过脉冲信号发生器发生一系列周期性电脉冲，由发射探头将其转换为超声脉冲，穿过待测桩体的混凝土，由接收探头接收，再转换回电信号。仪器中测量系统测出超声脉冲穿过混凝土所需的时间、接收波幅值、接收脉冲主频率、接收波波形及频谱等参数，再通过数据处理，对接收信号的各种参数进行综合判断和分析，确定出混凝土中各种内部缺陷的性质、大小和位置等，并给出混凝土总体均匀性和强度等级评价指标。

　　声测管是检测时换能器进入桩体的通道，其预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式直接影响检测结果，通常可采用图1一图3中所示3种布管方式，声测管根据桩径不同采用的根数不同，直径小于1．0m时对称布置2根，直径1．0m一2．5m时布置3根，直径大于2．5m时布置4根。

　　声测管可采用金属管或塑料管内径50mm一60mm，金属管可以用螺纹连接，接管容易，刚度大，与混凝土粘结牢固。可增加钢筋笼刚度，但传声速度快、阻抗高，易使声波传播过程中断，并对障碍物的声绕射比较敏感。塑料管传声速度介于水和混凝土之间，不易引起障碍绕射和产生干扰谐振，但透声率较大，和混凝土黏结不好，且易破碎。声测管预埋时绑扎或焊接在钢筋笼内侧，下钢筋笼时必须保持声测管间的平行，防止起吊过程中扭曲变形。

　　3检测结果的分析判断

　　目前常用的缺陷分析判断方法分为两大类：一类为数值判据法，另一类为声场阴影区重叠法。下面介绍应用较方便的PSD判据法。

　　3．1PSD判据法(ProductofSlopeandDifference)

　　是用t一H曲线相邻两点之间斜率与声时差值之积作为判据。设测点的深度为H，相应的声时(声波传递时间)为t，则t随H的变化规律可用t一H曲线表示：

　　t＝ƒ(H)(1)

　　当桩内存在缺陷时，在缺陷与完好混凝土界面处超声传播介质的性质产生突变，声时值也相应突变，函数不连续，故函数的不连续点即为缺陷界面的位置。但在实际检测中总是每隔一定距离检测一点，即深度增量ΔH不可能趋于零，而且由于缺陷表面凹凸不平，以及孔洞等缺陷是由于波形曲线导致声时变化，所以实测t一H曲线在缺陷界面处只表现为斜率的变化。各点斜率为：

　　Si=(ti—ti-1)/(Hi—Hi-1)(2)

　　式中：Si——第i一1测点与第i测点之间t—H曲线的斜率；

　　ti，ti-1——相邻两测点的声时值；

　　Hi，Hi-1——相邻两测点的深度。

　　斜率仅能反映出相邻测点之间声时值变化的速率，当检测过程中测点间距不同时，虽然斜率相同，但所对应的声时差不同，也就是说，斜率只能反映该点缺陷的有无，要进一步反映缺陷的大小就必须引入声时差值这一参数。用t一H曲线相邻两点之间的斜率与声时差值之积作为判据，简称PSD判据，即第i点的PSD判据值Ki为：

　　Ki＝Si(ti—ti-1)＝(ti—ti-1)2／(Hi—Hi-1)(3)

　　显然，当i点处相邻两点的声时值没有变化或变化很小时，Ki等于或接近于零；当声时值有明显变化或突变时，Ki与(ti一ti-1)2成正比，因此Ki将大幅度变化。实测表明，PSD判据对缺陷十分敏感，而对声测管不平行或因混凝土不均匀等非缺陷因素引起的声时变化都是渐变过程，相邻两测点间的声时差值很小，故基本上不予反映。因此，运用PSD判据可基本上消除声测管不平行或混凝土不均匀等非缺陷因素所造成的影响。为了对全桩各测点进行判别，首先应将各测点的Ki值求出，绘制Ki—H曲线，凡是在Ki值较大的地方，均可列为缺陷可疑点。

　　3．2临界判值及缺陷大小与判据的关系

　　PSD判据实际上反映了测点间距、声波穿透距离、介质性质、测量的声时差等参数之间的综合关系，该关系随缺陷的性质不同而不同，现分别介绍如下。

　　3．2．1假定缺陷为夹层

　　如图1，设混凝土的声速为v1，夹层中夹杂物的声速为v2，声程为人(两声测管的中心距离)，测点间距为ΔH(＝Hi—Hi-1)，即可导得遇有声速为v2的夹杂物时，夹层断桩的临界判据值Kc为：

　　Kc＝L2(v1一v2)2／(v12tv22ΔH)(4)

　　若某点i的PSD判据Ki大于该点的临界判据值Kc，则该点可判为夹层或断桩。应用时，一般vl可取所测桩混凝土声速的平均值，v2则应根据预估夹杂物取样实测。例如，混凝土平均声速v1＝0．37×10-2m/μs，两管间距L＝0．5m，根据地质条件及施工记录分析，该桩可能形成夹层的夹杂物为砂、砾石的混合物，取样实测v2＝0．321×10-2m/μs，测点间距采用ΔH＝0．5m，可求得该桩产生砂砾夹层的临界判据值Kc为：Kc＝851．037。

　　因此，当检测结果中，若某点的判据值Ki大于Kc，则该点可判为砂砾夹层。

　　3．2．2假定缺陷为空洞

　　当缺陷是半径为R只的空洞时，声波将绕过空洞成折线传播如图2，此时可导得判据值Ki与空洞半径只之间的关系为：

　　Ki＝[4R2十2L2一2L(4R2十L2)1/2]／(ΔH×v12)(5)

　　应用时，将实测Ki代入上式，即可求得空洞的半径R。

　　3．2．3，假定缺陷为“蜂窝”或被其他介质添塞的孔洞

　　如图3，此时超声脉冲在缺陷区的传播有两条途径：一部分超声脉冲穿过缺陷到达接收探头；另一部分沿缺陷绕行后到达接收探头：当绕行声时小于穿行声时，可按空洞处理，由式(5)计算，反之可按下式计算：

　　R＝v1v3(ΔH×Ki)1/2/[2(v1一v3)](6)

　　式中：v3——孔洞中填塞物的声速。

　　根据试验，一般蜂窝状疏松区的声速约为密实混凝土声速的80％一90％，若取v3＝0．85v1，则：

　　R＝2．833v1(ΔH×Ki)1/2(7)

　　通过上述临界判据值以及各种缺陷大小与判据值的关系式，用它们与各点的实测值所计算的判据值作比较，即可确定缺陷的位置、性质与大小。

　　必须指出，根据式(5)、式(7)，只在Ki值大于零，就能求得相应的孔洞半径，而实际上ti-1与ti的微小差异，即可使Ki＞0。但这些微小差异可能是非缺陷因素所引起，即使是缺陷引起，当缺陷很小时，桩内也是允许存在的。因此，实用上应规定一个判据的上限值。判据值在大于该上限值时，即应根据公式判别和计算缺陷的性质和大小；当判据值在小于该上限值时，则予以忽略。

　　4结语

　　通过实践证明，用超声脉冲法测定钻孔灌注桩混凝土的连续性、均匀性，判据判断缺陷的存在与否是可靠的。