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混凝土灌注桩超声检测概 述一、关于灌注桩完整性的概念 桩是构筑物基础中的柱状构件。它的作用在于穿过软弱的可压缩性土层，把来自上部结构荷载传递到更密实、更坚硬、可压缩性较小的土壤或岩石上。桩在工作时要承受上部结构的垂直轴向荷载，还要承受上部结构因风力、水流、撞击等横向推力所引起的侧向荷载或弯矩，以及在地震状态下的复杂应力。因此，桩的质量将对整个结构物的安全起决定性作用。 桩的种类很多，混凝土灌注桩是常用的基桩型式之一。 由于灌注桩可做成大直径桩，以提高单桩承载力，又可以根据桩身内力状态分段配筋。而且施工时对周围建筑物影响较小，施工噪声也较小，因而使用较广。但灌注桩在工地条件下，现场灌注成桩，施工工艺较为复杂，影响灌注质量的因素较多，极易形成各种缺陷而影响桩身的完整性。据统计，现场灌注桩施工中桩身混凝土出现缺陷的概率约为15%20%。灌注桩的综合质量体现在以下三方面，即承载力、桩的完整性、桩的耐久性，其中承载力因桩体较大用无损方法难以准确测量，而当地下无明显腐蚀性介质而且桩身完整时也未见有因耐久性破坏的报导。所以，完整性是混凝土灌注桩质量的主要指标。所谓灌注桩的完整性是指桩身混凝土质量均匀，无全断面断裂及影响断面承载面积或导致钢筋外露的明显缺陷。据研究，混凝土灌注桩完整性不合格的概率高于承载力不合格的概率。换而言之，在设计无误的前提下，完整性合格的桩，承载力一般都能满足要求。而承载力合格的桩，完整性不一定能满足要求，其耐久性也不一定能满足要求。 本章仅就混凝土灌注桩的完整性的超声检测方法作一简单介绍。其基本技术依据是基桩低应变动力检测规程(JGJ/T9395)、超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS 21:2000)以及大量研究资料。二、灌注桩的常见缺陷为了对混凝土灌注桩的超声检测方法有一个较全面的认识，以便对检测结果做出正确的判断，每一位检测工作者都必须对灌注桩的受力状态、施工特点及缺陷的类型和成因及其危害有所了解。 按承载方式，灌注桩可分为端承桩和摩擦桩两类。端承桩将上部压应力通过桩身传人基岩，而磨擦桩则靠桩壁与土层的摩擦力，将上部压应力逐渐分散传给土层。因此，这两种桩中，由于桩身各部位应力的不同，缺陷出现的部位对它的危害是不一样的。例如，桩顶的低强区对两种桩都很有害，而桩底沉渣则对端承桩更为有害。 桩身混凝土中的缺陷与施工方法密切相关。不同施工方法出现缺陷的类型以及不同类型的缺陷出现的几率都不一样。按混凝土的灌注方式而言，灌注桩可分为水下灌注和干孔灌注两类。 (一) 水下灌注桩的常见缺陷 图8-1a)为水下灌注的成桩过程示意图，混凝土通过导管注入，顶托封口混凝土或砂浆，排出孔中的水，逐渐灌满桩孔。水下灌注施工时，可能出现的缺陷有以下几种(见图8，1b)：1、断桩(包括全断面夹泥或夹砂) 这类缺陷多半因为导管提升时不慎冒口，新注入的混凝土压在封口砂浆及泥浆上，以及因机械故障而停止灌注过久，提升导管时把已初凝的混凝土拉松，或继续施工时对表面未加清理等原因所致。断桩部位往往不是一个薄层，而是具有相当厚度的一个缺陷段，检测时不难发现。 断桩严重影响桩的承载能力，检测时不应漏检或误判。断桩对承载力的影响程度与其出现的位置有关，应按桩的受力状态分析，但断桩均应采取适当措施修理或加固。 2、局部截面夹泥或颈缩 这类缺陷一般是由于混凝土导管插入深度不适当，导致混凝土从导管流出往上顶托时，形成湍流或翻腾，使孔壁剥落或坍塌，形成局部断面夹泥或周边环状夹泥。 局部截面夹泥或颈缩将影响桩的承载面积，同时由于钢筋外露而影响耐久性，对这类缺陷检测时应仅可能检出其面积大小，以便核算桩的承载能力。 3、分散性泥团及“蜂窝”状缺陷 其成因与孔壁因混凝土骚动而剥落有关外，还与混凝土离析及导管中被压人的气体无法完全排出有关。 这类缺陷将影响混凝土的强度，若分散性泥团或气孔数量不多，影响面积不大，则对混凝土强度的影响有限，可不予处理。 4、集中性气孔 当导管埋人厚度较深，混凝土流动性不足时，间息倒人导管的混凝土会将导管中气体压人混凝土中而无法排出，有时会形成较大的集中性气孔，将影响断面受力面积。 5、桩底沉渣 在灌注前应彻底清孔，若清孔不净，则导致桩底沉渣。对端承桩而言，桩底沉渣过厚会导致桩受力时沉降位移，因此，应进行桩底压浆处理。 6、桩头混凝土低强区在混凝土灌注过程中，封口混凝土或砂浆与水接触，在顶托过程中会混入泥水，因而强度较低，灌注完成后应将其铲除，若未彻底铲除，则形成桩顶低强区。图1 水下灌注桩的灌注方法及常见缺陷示意图a)水下灌注桩的灌注方法示意图；b)水下灌注桩常见缺陷示意图在桥梁桩中，桩顶低强区非但影响承载力，而且当河床变化时很容易被水流冲刷和腐蚀。由于桩顶一般均已露出地面，可用多种方法对混凝土强度进行检测，所以其检测值也可作为全桩混凝土强度超声推算值的校验值。(二)干孔灌注桩的常见缺陷图2a)为干孔灌注时的成桩过程示意图。混凝土通过升降机或溜管送到浇筑面。干孔灌注时可能出现的常见缺陷有以下几种：1、混凝土层状离析或断桩在地下水位较高的地区，常因地下水涌人孔中来不及抽干，浇人的混凝土被水冲刷或浸包，形成层状离析，严重时砂石成层状堆积，水泥浆上浮，形成断桩。2、局部夹泥或“蜂窝”状缺陷干孔灌注时常因孔壁护筒渗漏，涌人泥水而形成局部夹泥，或灌注时未予捣实，形成“蜂窝”状缺陷。3、局部严重离析由于混凝土注入高度超过施工规定，往往形成石子滚到边缘的离析现象，此时，石子集中区易形成“蜂窝”，而砂浆集中区因声速下降而被误判。4桩底沉渣操作工未清孔即浇人混凝土，形成桩底沉渣。图2 干孔灌注及常见缺陷示意图a)干孔灌注过程示意图；b)干孔灌注时可能形成的常见缺陷三、桩的完整性分类为了便于判断，超声法检测混凝土缺陷规程（CECS21:2000）将灌注桩的质量按其缺陷的多少及严重程度分为4类，分类方法见表1桩身完整性评价分类表 表1类 别缺陷特征完整性评定结果I无缺陷完整，合格局部小缺陷基本完整，合格III局部严重缺陷局部不完整，不合格，经工程处理后可使用IV断桩等严重缺陷严重不完整，不合格，报废或验证确定是否加固使用四、检测桩基完整性的主要方法针对不同的桩基类型及检测目的，目前已有许多种检测方法可供选择，这些方法大体上可分为四类：即静荷载试验法，直观检查法(包括开挖检查，勘探孔检查法)，辐射能检测法(包括超声脉冲法及放射性元素能量衰减或散射法)，动力检验法(包括高应变法和低应变法)。其中常用于桩身完整性检测的方法主要有：钻芯法、超声脉冲法及低应变动力法的反射波法。 钻芯法是利用工程地质钻机在桩身混凝土中钻一竖向勘探孔，可取出芯样观察和检测不同高程混凝土的质量状况，也可依靠仔细地监视钻进速率和水中带出的钻渣的颜色和成分来判别混凝土质量。钻芯法虽然直观可靠，但价格昂贵、工程量大，一般不使用。 反射波法是根据桩头受到一次竖向冲击后，冲击波在桩身混凝土中向下传播时，遇到缺陷内界面或桩的底面发生反射而返回桩顶的时间、相位、幅值、频率等来判断缺陷的类型、位置的种方法。该法也可对桩长进行核对，根据波的传播速度对混凝土强度做出总体的粗略估计。该法由于简便易行、使用较广，但它主要依靠反射波进行间接判断。信号较弱或遇到多个缺陷时，容易造成误判。 超声脉冲法则是通过在桩内预埋的检测孔道，将超声换能器直接放人桩内部，逐点发射和接收超声脉冲，通过接收信号的声时、波幅、波形等参数，逐点判断混凝土的质量，并分析缺陷向位置、性质和大小。超声脉冲法需预埋检测管，因此必须在设计或施工前即列入计划，增加了工程量，但由于它比较直观，可靠，在一些重大工程及大直径灌注桩中得到广泛应用。本章将详细论述超声脉冲法的原理，检测方法和判断方法。 混凝土灌注桩超声检测的原理与方法混凝土灌注桩超声检测法是在桩内预埋若干根平行于桩的纵轴的声测管道，将超声探头通过声测管直接伸人桩身混凝土内部进行逐点，逐段探测。其基本原理与上部结构构件的超声探伤原理相同，即根据超声脉冲穿越被测混凝土时传播时间、传播速度及能量的变化反映缺陷的存在，并估算混凝土的抗压强度和质量均匀性。但由于桩的混凝土灌注条件与上部结构的成型条件完全不同，尤其是水下灌注时差异更大，混凝土的配合比、灌注后的离析程度、声测管的平行度等许多因素，都会严重影n响对缺陷的判断和对强度及均匀性的推算，因此，灌注桩的超声检测必须有一套适合其特点的方法和判据，而不能完全延用上部结构检测的现有方法。 作者于1982年开始，结合郑州黄河大桥大直径灌注桩的实测需要，在国内首先开展了该页技术的研究，提出了一整套检测方法、设备要求、判断方法及PSD数值判据和计算机软件，填补了我国在该领域的一项空白，尤其是PSD数值判据的提出，改变了国外仅作波形经验判断的方法，为判断智能化打下了基础。此后，这一方法获得广泛推广应用，并已纳入有关规范。一、灌注桩超声检测法的检测方式和基本检测参量 (一) 检测方式 灌柱桩的超声检测法检测方式有三种，即双孔检测、单孔检测和桩外孔检测： 1、双孔检测在桩内预埋两根以上的管道，把发射探头和接收探头分别置于两根管道中(如图8-3所示)，检测时超声脉冲穿过两管道之间的混凝土这种检测方式的实际有效范围，即为超声脉冲人发射探头到接收探头所穿过的范围。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖面，从而可得到各项声参数沿桩的纵剖面的变化数据。由于实测时是沿纵剖面逐点移动换能器、逐点测读各项声参数，因此，测点间距应视要求而定。通常当用手动提拉探头时，测点间距一般采用2040cm，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免水平断缝被漏测，可采用斜测方法，即两探头之间有一定高差，其水平测角可取30o40o；若采用自动提拉设备，测点距离可视提拉速度及数据采集速度而定。 为了扩大桩的横截面上的有效检测控制面积，必须使声测管的布置合理。双孔测量时，根据两探头相对高程的变化，可分为平测、斜测扇形扫测等方式，如图3所示，在检测时视实际需要灵活运用。图3 双孔检测方式a)双孔平测；b)双孔斜测；c)扇形扫测1-声测管；2-超声检测仪；3-发射探头；4-小接收探头 2、单孔检测 在某些特殊情况下(例如，在钻孔取芯后)需进一步了解芯样周围混凝土的质量，以扩大钻探检测的观察范围。这时，只有一个孔道可供检测使用，可采用单孔测量方式(如图4所示)。单孔检测方式需专用的一发两收探头，即把一个发射压电体和两个接收压电体装在一个探头内，中间以隔声体隔离。声波从发射振子发出经耦合水穿过混凝土表层，再经耦合水到在上下两个接收压电体，从而测出声脉冲沿孔壁混凝土传播时的各项声参数。 运用这一检测方式时，必须运用信号分析技术，以排除管中的混响干扰以及各种反射信号叠加的影响。当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能使用此法检测。 一般认为，单孔检测时的有效检测范围，约为一个波长的深度。图4单孔检测方式1-超声仪；2-一发双收探头3、桩外孔检测 当桩的上部结构已施工，或桩内未预埋声测管时，可在桩外的土层中钻一孔作为检测通道(图8-5)。由于超声在土中衰减很快，因此桩外的孔应尽量靠近桩身，使土层较薄。检测时在桩顶上放置一发射功率较强的低频平探头，沿桩的纵轴向下发射声脉冲，接收探头从桩外孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与测孔之间的土层，通过孔中的耦合水进入接收换能器，逐点测出声时、波高等参数，当遇到断桩或夹层时，该处以下各点声时明显增大，波高急剧下降，以此作为判断依据，如图5所示。这种方式的可测桩长受仪器发射功率的限制，一般只能测到48m，而且只能判断夹层、断桩、缩颈、凸肚等缺陷。 以上3种方式中，双孔检测是灌注桩超脉冲检测法的基本形式。其他两种方式在检测和结果分析上都比较困难，只能作为特殊情况下的补救措施加以使用。 (二)用于判断缺陷的基本物理参量 超声脉冲穿过桩体混凝土后，被接收换能器所接收。该接收信号带有混凝土内部的许多信息。如何把这些信息离析出来，予以定量化，并建立这些物理参量与混凝土内部缺陷、强度等级和均匀性等质量指标的定量关系，是当前采用超声脉冲检测法中的关键问题。其中尚有许多问题有待研究。目前已被用于灌注桩混凝土内部缺陷判断的物理参量有以下4项：图5 桩外孔检测方式a)检测示意图；b)“声时深度”曲线；c)“波幅一深度”曲线1-声测管；2-超声仪；3-发射探头；4-接收探头1、声时或声速。即超声脉冲穿过混凝土所需的时间。如果两声测管基本平行，则当混凝土质量均匀、没有内部缺陷时，在各横截面所测得的声时值基本相同；但当存在缺陷时，由于缺陷区的泥、水、空气等内含物的声速远小于完好混凝土的声速，所以穿越时间明显增大，而且当缺陷中物质的声阻抗与混凝土的声阻抗不同时，界面透过率很小，根据惠更斯原理，声波将绕过缺陷继续传播，波线呈折线状。由于绕行声程比直达声程长，因此，声时值也相应增大。可见，声时值是缺陷的重要判断参数。声时值可用仪器精确测量，通常以微秒()计。为了使声时值沿桩的纵剖面的变化状况形象直观，在检测中常把检测结果绘成“声时深度”曲线。 超声脉冲传播单位声程所需要的声时即为声速。因此，也可将声时值变换成声速值作为判断的依据。2、接收信号的幅值。它是超声脉冲穿过混凝土后的衰减程度的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对超声脉冲的衰减就越大。根据混凝土中超声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，将产生吸收衰减和散射衰减，使接收波波幅明显下降，从而在缺陷背后形成一个声阴影。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波(即接收信号的前面半个或一个周期)的波幅为准，后继的波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与试体耦合条件的严重影响，在灌注桩检测中，换能器在声测管中通过水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使探头在管中处于居中位置，为此应在探头上安装定位器。幅值或衰减与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一，是采用声阴影法进行缺陷区细测定位的基本依据。3、接收频率。超声脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收频率实质上是衰减值的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收频率降低。接收频率的测量一般以首波第一个周期为准，可直接在接收波的示波图形上作简易测量。近年来，为了更准确地测量频率的变化规律，已采用频谱分析的方法。它获得的频谱所包含的信息比采用简易方法时接收波首波频率所带的信息更为丰富，更为准确。在频域图上可准确地找到主频值，以及对应主频的幅值，若有发射信号的频谱资料，则可准确给出主频向低频端的漂移值。运用频谱分析时还应注意采样速率及截取长度等对频谱分析结果的影响，以便使各测点间分析结果具有可比性。4、接收波波形。由于超声脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，当超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变。所以，波形畸变可作为判断缺陷的参考依据。必须指出，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。目前波形畸变尚无定量指标，而只是经验性的。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。 (三)用于判断灌注桩混凝土强度等级及均匀性的物理参量目前用于桩内混凝土强度等级及均匀性评价的物理参量主要有声速、衰减以及由它们推定的强度的统计参数。1、声速。混凝土声速与强度有良好的相关性，所以可以用声速值推定混凝土的强度等级。但声速与强度的相关性受许多因素的影响，例如不同配合比的混凝土往往有不同的“声速强度”相关公式，所以，通常针对一定配合比和原材料条件的混凝土，并事先制成“声速强度”校准曲线，或事先通过试验求得两者的相关公式，在检测中作为推定强度的依据。2、减值。由于“声速强度”相关关系受配合比等许多因素的影响，灌注水下混凝土时，如果产生离析等现象，那么部分混凝土的实际配合比将与设计配合比有很大差别。这时用一种相同的“声速强度”相关公式去推定强度误差往往较大。为此，可采用“声速衰减强度”综合法。该法可排除离析的影响，因而可提高强度的推定精确度。用于推定强度时，衰减值应准确测量，并应排除耦合条件等因素的影响。3、推定强度的统计参数。为了评定桩的混凝土均匀性，以便评价施工质量，可将推定强度的平均值、标准差和不低于设计强度等级的百分率分别求出，并参照混凝土强度检测评定标准(CBJl0787)进行评定。由于声速或声时与强度值有一定相关性，因此，有时也可用声速或声时的统计参数作为评定均匀性的依据。用声速或声时的统计参数评定的均匀性，可作为工地质量控制的参考指标，不宜作为验收指标。二、灌注桩超声检测法的检测装置灌注桩超声检测法的检测装置主要由超声探头、超声仪、探头升降装置及桩内预埋的声测 管等组成。(一)对检测装置的基本要求1探头 测桩所用的探头应是柱状径向振动的换能器，其主频宜为(25-50)kHz，长度宜小于20cm。为提高接收换能器的灵敏度，可在换能器中安装前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为(5-50)kHz。由于换能器在深水中工作，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。为了标示探头在声测管中的位置，在探头电缆线上应有标尺刻度。径向发射探头是利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动来发射或接收超声脉冲的，目 前常用的有增压式径向换能器，其构造如图6所示。它是在一个金属圆管内侧等距离排列一组径向振动的压电陶瓷圆片，圆片周边与金属圆管内壁密合。这种组合方式可使金属圆管表面上所受到的声压全部加在面积较小的压电陶瓷圆片的周边柱面上，从而起到增压和提高灵敏度的作用。为了减少声压在金属圆管上的损失，常把金属圆管剖切成多瓣式。为了在深水下使用，整个换能器和电缆接头均需用树脂或橡胶类材料加以密封。图6 增压式径向换能器1-增压管；2-压电体；3-密封层一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但有时为了增强接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器，装有前置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。为了耦合稳定，探头在管孔中宜处居中位置，可在探头上下安装扶正器。 2、超声仪测桩所用的超声仪，其基本性能要求如下：发射系统应能输出2501000V的脉冲电压，激发压电体的脉冲波可为阶跃脉冲或矩形脉冲。接收系统的频带宽度宜为(550)kHz，增益应大于100dB，并应带有060(或肋)dB的衰减器，衰减器的辨率应为1dB，误差应小于1dB，档间误差应小于1%。仪器的测时范围应大于2000，计时精度应高于1 (见表2)。 超声换能器沿桩的轴向移动，同时测出各横断面上混凝土的声参数。这些大量数据需采用适当方法处理，才能判断混凝土的质量，为了提高现场测试效率，仪器应有自动测读、信号采集、贮存和处理系统。最好选用智能型仪器。因此，数据采集、处理、显示系统是整个装置的重要组成部分。在一般仪器中通过示波器及数码管显示，人工记录，然后再用计算机处理。这种方式效率较低。目前已普遍采用超声仪与计算机联接，直接进行数据采集、贮存和处理。并附有测桩专用程序，可将一次检测资料全部存贮在机内，回家后再作处理，可大大缩短现场作业时间。测桩用超声仪的基本要求 表2仪 器 参 数基 本 要 求发射脉冲电压2501000V接收放大器频宽(5-50)kHz接收放大器增益100dB衰减器衰减值0-80dB衰减器分辨率1dB衰减器误差1us注：引自JGJ/T93-95在数字化的智能型仪器中，为了使所采集的信号不失真，应有足够的采样频率和采样长 度，以及具有动态显示功能，以便于现场实时观察。一般采样频率应达到20MHz(分若干级可选)，采样长度应达到64K(在该长度内可选)。为了便于分析，仪器中应带有专用测桩分析软件及频谱、CT等分析和成像软件。3、探头升降系统为了检测不同深度的桩内混凝土质量，必须使探头在预埋的声测管中按要求升降。为解 决这一问题，通常有两种方式：一种是用人工升降，为了使操作者知道探头在桩内的确切位置，应在探头电缆线上划上标尺；另一种是采用电动机械式升降装置，可采用异步电机或步进电机驱动的小型绞车。采用这种方式升降时，升降装置必须能输出探头所处位置的明确指标，通常将绞车鼓筒的转动圈数换算成探头的升降高度，鼓筒的转动圈数可由光电式计数器记录和显示。若采用步进电机驱动，则根据步进量能更精密地测量探头位置，这种驱动方式一般用于全自动检测系统，并将探头位置信号也输入测桩专用软件统一处理。(二)声测管的预埋声测管是灌注桩进行超声检测法时探头进入桩身内部的通道。它是灌注桩超声检测系统的重要组成部分，它在桩内的预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。1、声测管的选择声测管材质的选择，以透声率较大、便于安装及费用较低为原则。声脉冲从发射换能器发出，通过耦合水到达水和声测管管壁的界面，再通过管壁到达声测 管管壁与混凝土的界面，穿过混凝土后又需穿过另一声测管的两个界面而到达接收换能器。因此，声测管形成4个界面，每个界面的声能透过系数可按下式计算： （1）式中：某界面的声能透过系数； 界面两侧介质的声阻抗率()发射和接收换能器之间4个界面的总透声系数为 （2）目前常用的管子有钢管、钢质波纹管、塑料管3种。钢管的优点是便于安装，可用电焊焊在钢筋骨架卜，可代替部分钢筋截面，而且由于钢管 刚度较大埋置后可基本上保持其平行度和平直度，目前许多大直径灌注桩均采用钢作为声测管。但钢管的价格较贵：钢质波纹管是一种较好的声测管材料，它具有管壁薄、钢材省和抗渗、耐压、强度高、柔性好等特点，通常用于预应力结构中的后张法预留孔道：用做声测管时。可直接绑扎在钢筋骨架 土，接头处可用大一号波纹套接。由于波纹管很轻，因而操作十分方便，但安装时需注意保持其轴线的平直。塑料管的声阻抗率较低，用做声测管具有较大的透声率，通常可用于较小的灌注桩，在大型灌注桩中使用时应慎重-因为大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散：鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊，混凝土凝固后塑料管因温度下降而产生径向和纵向收缩，有可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，在声通路上又增加了更多反射强烈的界面，容易造成误判。声测管的直径，通常比径向换能器的直径大l0mm即可，常用规格是内径50-60mm。管子的壁厚对透声丰的影响很小，所以，原则上对管壁厚度不作限制，但从节省用钢量的角度而言，管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力，则越薄越省。2、声测管的埋置数量和布置方式图7声测管的布置方式布置声测管的埋置数量及其在桩的横截面卜的布局应考虑检测的控制面积。通常有如图7所示的布置方式，图中的阴影区为检测的控制面积。一般桩径小于0.61m时，沿直径布置两根；桩径为12.5m时，布置3根，呈等边三角形；桩径大于2.5m时，布置4根，呈正方形。 3、声测管的安装方法声测管可直接固定在钢筋笼内侧上，如图8-8所示：固定方式可采用焊接或绑扎，管子之间应基本上保持平行-若检测结果需对各测点混凝土的强度做出评估，则不平行度应控制在1以下。钢筋笼放入桩孔时应防止扭曲。 管子一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案，如图8所示：若采用波纹管则可利于大一号的波纹管套接，井在套接管的两端用胶布缠绕密封。无论啊卜种接头方案都必须保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁应保持平整，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍探头的自如移动，声测管的底部也应密封，安装完毕后应将上口用木塞堵住，以免浇灌混凝土时落人异物，致使孔道堵塞。图8 声测管的安装方法a)钢管的套接；b)波纹管的套接1-钢筋；2-声测管；3-套接管；4-箍筋；5-密封胶布4、声测管的其他用途声测管除了用作检测通道及取代一部分钢筋截面外，还可作为桩底压浆的管道。试验证明，经桩底浆处理的灌注桩，可大幅度提高其承载力。同时声测管还可作为事故桩缺陷冲洗与压浆处理的管道，这时需采取措施把需压浆的缺陷部位的管道打穿。三、检测前的准备进行灌注桩完整性超声检测前，除需认真检查检测单位和检测人员的资质、仪器设备的技术状态和预埋声测管外，还应做好下列各项准备：(一)了解工程概况，认真阅读和分析下列资料：岩土工程勘察资料、基桩设计计算资料及图纸、基桩位置平面图及编号、基桩施工原始记录、混凝土灌注龄期。(二)确定被检桩的基本原则当某工程桩量较多，无法逐一检测时，可按一定原则和比例进行抽测，抽测应有代表性，以便确切反映成批桩的质量，受检桩的确定应考虑下列因素：1选择设计方认为重要的桩；2选择施工质量有怀疑的桩；3选择岩土特性复杂，施工难度较大的桩；4选择代表不同施工工艺条件和不同施工单位或班组的桩；5在同类桩随机选取的基础上，宜使被检桩位置均匀分布。(三)被检桩的抽样数量的基本规定1对于一柱一桩的建筑物或构筑物，全部桩均应进行检测；2非一柱一桩的建筑物或构筑物，应根据上述原则进行抽测，抽取的数量不得少于桩的总数的20，且不得少于10根。3当抽测不合格的桩数超过抽测数的30%时，应加倍重新抽测。4若加倍抽样复测后仍有抽测数的30%不合格，则该批桩应全数检测。 由于超声检测法需预埋声测管，因此，检测单位应尽早介入，事先提出检测要求，并与设计和施工单位协商确定受检桩数量和桩号。有预埋管的桩数应超过抽样数，以备复检之需，一般有预埋管的桩数可达桩总数的40%左右，某些重要工程则应100埋管。当需要加倍复测，而又没有足够的埋管桩时，则可用其他检测桩的完整性的方法补足应检桩数量。检测数据的处理与数值判据当超声探头在声测预埋管中沿桩的轴向自下而上或自上而下逐点检测时，每个测点均可获得一系列混凝土声参数的检测值。在使用模拟式仪器时，需在检测现场逐点测读并记录，在使用数字化仪器时，则可将每测点的波形数据存入仪器中，需要时再从中提取所需的声参数。无论使用何种仪器，对检测者来说都必须面对大量的测试数据。如何从大量数据中分析和判断桩的质量，始终是检测的关键。尽管一些分析和判断方法已编制成实用软件，但为了真正了解分析和判断的原理，以便对分析和判断软件的适用性和可靠性有一个确切的了解，对每一位检测分析人员来说仍然是非常重要的。一、测试数据的预处理(一)混凝土中的实际声时的确定 声时是仪器测读的基本量，原始测读的声时值()是由三部分组成的，即声脉冲穿过声测管及耦合水的声时()、声脉冲穿过混凝土时的声时()、仪器及探头的声延迟(即)，所以，混凝土中的实际声时应为：(3)式中：一混凝土中声脉冲的传播时间,；一声脉冲检测仪发射至接收系统的延迟时间；声时原始测读值,；声时修正值，即声测管与耦合水中的声时；径向发射探头的值可按下列方法测量： 将两个径向振动式换能器置于静止的淡水中，使两换能器轴线平行，并置于同一水平高度，将两换能器内侧边缘间距先后调节在 (如200mm)，(如100mm)，分别读取相应声时值。则该系统的声时初读数可按下式计算：（4）声时的修正值可按下式计算：（5）式中：声测管管壁及耦合水的声时，即声时修正值,；声侧管外径, mm；为声测管内径，mm； 换能器外径，mm。 声测管壁厚方向纵波声速，用钢管时取=0.580mm/，用PVC管时取，=0.235mm，为耦合水的声速，由于水的声速受水温影响，可按表3取值。水声速与水温的关系 表3 水 温 ()51015202530 水声速(mm/us)0.1450.1460.1470.1480.149O.150(二)声速的计算 一般情况下，假定声测管是平行的，因此，各点间距相等，用声时值即能反映混凝土质量的 变化，所以许多判据可用声时作为判断依据。但当需要推定混凝土强度时，则需准确计算各测点的声速值声速值应按下式计算：(6)式中：混凝土声速，； 混凝土中的声时，； 两声测管外壁间的距离，mm。(三)频率与波幅 1、频率() 在使用模拟式超声仪时，应根据实测的首波周期并按下式计算频率： (7)式中：主频值，kHz； 第三测点的首波周期，。在使用数字式超声仪时，可直接用频谱分析软件获得频域曲线，并选取其峰值频率为主频。在进行频谱分析时，在时域波形上的截取长度仍应以首波周期为妥，因为后续波形往往因其他不同相位的波的叠加而畸变。 2、波幅 波幅值可直接用衰减器测读，这时仪器发射电压及接收增益等数都应固定不变。 波幅的分贝数与波高的关系如下：式中：原始波高或基准波高； A经该测点混凝土衰减后的波高。例如，经混凝土衰减后的波高为原始波高的1/2时，即，则衰减值约为6dB。(四)关于测值重复性的检验在灌注桩的检测中，由于影响因素较多(例如高程的累计误差)，若这些因素控制不严，则测值的可重复性下降，为了排除非混凝土质量的因素对测值的影响，在JGJ/T 9895中要求，每组检测管测试完成后，测试点应随机重复抽测10%20%，其声时相对标准差不应大于5%；波幅相对标准差不应大于10。并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。测量的相对标准差可按下式计算：（8） （9） （10） （11）式中：重复测量的声时相对标准差；重复测量的波幅相对标准差；第i个测点声时原始测试值，；第i个测点波幅原始测试值，dB；第i个测点第i次重复抽测时的声时值，；第i个测点第j次重复抽测时的波幅值，dB。二、检测数据的判断 在逐点检测的基础上，我们可以用所得数据描出“声时一深度曲线”、“波幅(或衰减系数)一深度曲线”、“声速深度曲线”和“主频深度曲线”等，这些曲线是我们进行分析判断的直观基础。根据声脉冲遇到缺陷时声参数的变化规律，我们从这些曲线上已可凭经验看出缺陷的位置，但是为了更准确地判断，我们还需要更为定量的分析手段。 目前，常用的分析方法可分为以下三种类型： 1数值判据法。它采用聚类分析、统计检验等数理统计方法、对大量测试值进行处理，找出一个可能存在缺陷的临界值作为定量的数值判据。 这种方法适合于对大量测试值的初步判断，从现有数值判据的研究水平来看，其判断结果不宜绝对化。 2声阴影法。它的根据是在缺陷背面会形成一个声场的阴影区，即波幅下降区。我们从不同的方向测得的声阴影重叠区，就是缺陷的位置和范围。 这种方法适用于根据数值判据判断的结果对可疑区段进行复测，仔细判断缺陷的位置和大小，以便决定修复或补强方案。 3图像判断法，此法根据超声层析成像原理，详细描绘可疑区段的缺陷位置。形状和性质的二维图像，甚至可描绘出缺陷区内部的强度分布。 这种方法直观地描绘出缺陷图像，便于分析判断，但它需要进行多点扇形扫测，需要相应的硬件和软件的支持，目前，仅适用于对可疑区段的检测。 (一)灌注桩完整性的数值判据1概率法判断 同一结构物的同一种混凝土，由于随机因素将产生声时、声速、波幅及接收波频率等声参数的波动。因此，同一结构物中同一配合比的混凝土的所有声时、声速等的测值均应符合正态分布。当存在缺陷时，在缺陷区的声参数值将发生明显变化，是异常值。所以，只要检出声参数的异常值，其所对应的测点位置即为缺陷区。 在超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS21:2000)中规定的具体方法如下： (1)首先将全桩各测点的声时值()或声速值()以及波幅值()或频率值()分别按大小顺序排列。其中从小到大排列，、从大到小排列。在实际检测中，通常选择其中的一至两项参数即可，常用的是声时或声速，而将波幅值作为阴影重叠法的主要依据。将排列在后面明显较小的、或值，或明显较大的值视为可疑值，将、或可疑值中最大(对于声时值则为最小)的一个，连同前面的数，按下式计算平均值和标准差：（12）（13）式中：代表声时、声速、波幅或频率等参数中某一项参数的平均值；某一项参数参与计算的实测值；n参与计算的测点总数；某一项参数的标准差。(2)异常值的临界值按下列两种情况计算： 当统计数据为声时值时，（14）式中：声时临界值；声时平均值；声时标准差；异常值判定系数(按表8-5取值)。 当统计数据为声速、波幅或频率时， (15)式中：声速、波幅或频率的临界值； 其余同前。 在所统计的n个声时值中，当最后一个数大于或等于M时，则及排列于其后的声时值均为异常值。若小于M则再将训放进去进行统计计算，得出新的M值进行判断。 在所统计的n个声速、波幅或频率值中，当最后个数小于或等于M时，则及排列于其后的数均为异常值。若大于M，则再将，放进去进行统计计算，得出新的M值进行判断。 经上述判别后，各异常值所对应的测点即为缺陷可疑点。(3)当测点中判出异常点时，可根据下式进一步判别其相邻测点是否异常： (16) （17）式中入，可从表4中查得，其余各项同前。统计数的个数n与对应的、值 表4n303234363840424446481.831.861.891.921.941.961.982.002.022.041.141.161.171.181.191.201.221.231.251.26n505254565860626466682.052.072.092.102.122.132.142.152.172.181.271.281.291.301.311.311.321.331.341.35n707274767880828486882.192.202.212.222.232.242.252.262.272.281.361.361.371.381.391.391.401.411.421.42n90929496981001051101151202.292.302.302.312.312.322.352.362.382.401.431.441.451.451.461.471.481.491.501.51n1251301401501601701801902002102.412.432.452.482.502.522.542.562.572.591.531.541.541.581.591.601.621.631.641.65由于判断后一般都需进一步用阴影法判断缺陷的大小和性质，所以亦可不进行相邻点的判断。在JGJ/T9395规程中采用了概率法中更为简单的判据形式，即以声时平均值与2倍声时标准差5，之和作为判定桩身有无缺陷的临界值，即(将值取为2)。声时值大于M的点为缺陷可疑点。 概率法由上部结构混凝土的测缺法引伸而来，但由于受灌注桩施工特点的影响，混凝土匀质性往往不如上部结构中混凝土的匀质性，再加上声测管的不平行度和扭曲等因素，使声参数测值的离散性较大，因而标准差也较大，导致判据值偏大(或偏小)，使一些缺陷漏判，尤其是当桩内存在较多缺陷时，S值更大，更易产生漏判应予注意。 2PSD判据(斜率与声时差值乘积法，简称斜率法) 鉴于灌注桩的施工特点，混凝土的均匀性往往较差，超声各项参数的测值较为离散。同时在施工过程中，由于钢筋笼的刚度较小，吊人时很难保证固定在钢筋笼上的声测管保持平行。实践证明，有时声测管的位移甚大，而在桩头上无法觉察，导致各项声参数测值发生偏离。这些非缺陷因素对测值所造成的影响必须予以消除，以免造成误判。而且，各项声参数，尤其是波幅及接收频率等测值，在同一结构的同一种混凝土中是否一定符合正态分布规律，仍然缺乏足够的试验验证资料。为此，作者于1983年首先提出了“声参数深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积”（Product of Slope and Difference) 作为判据，简称PSD判据。 虽然在基桩低应变动力检测规程(JGJ/T9395)、超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS21:2000)及深圳地区基桩质量检测规程(SJG0999)等技术规程中都列入了PSD判据，但都采用了较为简单的形式，并简称为斜率法。在本章中将较全面地介绍PSD判据，以供参考。 (1)判据的形式 以声时值为例。设测点的深度为H，相应的声时值为，则声时随深度变化的规律可用“声时深度”曲线表示，假定其函数式为： (18) 当桩内存在缺陷时，由于在缺陷与完好混凝土的分界处超声传播介质的性质产生突变，因而声时值也产生突变，该函数为不连续函数。当深度增量(即测点间距)r H趋向于零时，声时增量rc不趋向于零，该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，rH不可能趋向于零。而且由于缺陷表面凹凸不平，以及孔洞等缺陷使波线曲折而导致声时变化，所以在的实测曲线中，在缺陷界面处只表现为斜率的变化。各点的斜率可用下式求得： (19)式中：笫i1测点与第j测点之间“声时深度”曲线的斜率；、相邻两测点的声时值；、相邻两测点的深度。斜率仅仅反映了相邻测点之间声时值变化的速率。由于在检测时往往采用不同的测点间距，因此，虽然所求出的斜率可能相同，但当测点间距不同时，所对应的声时差值不同。而声时差值是与缺陷大小有关的参数，换而言之，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，因此，判据式定义为： （20）式中：第i点的判据值，简称PSD判据。显然，当第i点处相邻两点的声时值没有变化或变化很小时，等于或接近于零。当声时值有明显变化或突变时，与()成正比，因而将大幅度变化。实测证明，PSD判据对缺陷十分敏感，而对因声测管不平行，或因混凝土不均匀等非缺陷原因所引起的声时变化，基本上不予反映。这是由于非缺陷因素所引起的声时变化都是渐变过程，虽然总的声时变化量可能很大，但相邻两测点间的声时差值却很小，因而很小。所以，运用PSD判据基本上消除了声测管不平行或混凝土不均匀等因素所造成的声时变化对缺陷判断的影响。为了对全桩各测点进行判别，首先应将各测点的置i值求出，也可绘成“判据值线。凡是在值较大的地方，均可列为缺陷可疑点。(2)临界判据值及缺陷大小与PSD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、测量的声时值等参数之间的综合关系，这一关系随缺陷的性质不同而不同，现分别推导如下：1)假定缺陷为夹层(见图8-10)。设混凝土的声速为夹层中夹杂物的声速为，声程为L，测点间距为rH(即)。若在完好混凝土中的声时值为，夹层中的声时值为，即两测点介于界面两侧，则 （21） （22）所以， （23）将式(8-23)代人式(8-20)得 （24）用式(8-24)所求得的判据值即为遇到夹杂物的声速等于的夹层断桩的临界判据值，以表示。若某点i的PSD判据足大于该点的临界判据值，该点即可判为夹层或断桩。例如，某桩混凝土的平均声速0.43cm/，两声测管间距L=80cm根据地质条件及施工记录分析，该桩可能能形成夹层的夹杂物为砂、砾石的混合物，对这种混合物预先取样，实测的声速0.32cm/，测点间距采用rH=20cm，则由式(9-24)求得该桩产生砂砾夹层的临界判据为当检测结果中，某点的判据值Xi大于K。，则该点应判为砂砾夹层。 图10夹层2)假定缺陷为空洞(见图11)。如果缺陷是半径为月的空洞，以小，代表声波在完好混凝土中直线传播时的声时值，轧代表声波遇到空洞时绕过缺陷其波线折线状传播时的声时值，则 (25) (26)将式(8-25)、式(8-26)代人式(8-20)，得 (27)式(8-27)反映了Xi值与空洞半径及之间的关系。3)假定缺陷为“蜂窝”或被其他介质填塞的孔洞(见图8-12)。这时超声脉冲在缺陷区的传播有两条途径：一部分声脉冲穿过缺陷到达接收换能器，另一部分沿缺陷绕行后到达接收换能器。当绕行声时小于穿行声时时，可按空洞算式处理。反之，缺陷半径只与判据的关系可按相同的方法求出： (28)式中：孔洞中填塞物的声速； 其余各项含义同前。图11 空洞 图12 “蜂窝”或被泥砂等物填塞的孔洞根据试验，一般蜂窝状疏松区的声速约为密实混凝土声速的80%90%，故取0.85，则式(8-28)可写成： （29）通过上述临界判据值以及各种缺陷大小与判据值关系的公式，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(8-27)式(8-29)，只要是值大于零，就能求得相应的孔洞半径，而实际上与的微小差异，也可使0，但这些微小差异可能是非缺陷因素引起的。即使是缺陷引起的，但因缺陷很小，桩内允许较小缺陷存在，因此，实用上应规定一个判据的上限值。判据值大于该上限值时，应根据公式判别和计算缺陷的性质和大小；当判据值小于该上限值时，应予以忽略。实践证明，用以上判据断缺陷的存在与否，是可靠的。但由于以上公式中的、均为估计值或间接测量值，所以，所计算的缺陷大小也是估算值，最终应采用各种细测的方法，例如声阴影重叠法予以准确测定。PSD判据法需逐点计算，并对大于允计上限值的各点进行缺陷性质和大小的判断和计算，其工作量较大，可用相应的软件来完成。3接收波能量判据在检测中波幅(衰减量)对缺陷的反应比声速对缺陷的反应更灵敏。因此，在JGJ/T93-95中提出以接收信号能量平均值的一半作缺陷判断的临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示，以分贝计，则接收信号能量平均值的一半应为： (30) (31)式中：衰减量的平均值，dB；第i个测点的衰减量，dB； n测点数；接收信号能量平均值的一半。该判据利用了缺陷对衰减的敏感性。但为什么能量衰减时正是判别缺陷有无的界线?这一点既缺乏理论依据，也缺乏足够的工程验证资料，应谨慎使用。数值判据的判断实例为了说明上述数值判据的使用方法，并比较它们的判断结果，下面以一根长20m，桩径为，检测管间距为0.82m的灌注桩的实测数据为例。表5为该桩的实测数据，表中H为深度，T为声时(已扣除和)，A为波幅衰减值。图13是根据表5中数据描绘的“声速一深度”曲线和“幅值一深度”曲线。某一工程桩的实测数据 表5(m)()(dB)(m)()(dB)(m)()(dB)0.5183238.51832316.5178251.0183239.01822317.01为251.5183239.51821817.5177242.01832310.02