摘  要  本文介绍了基桩声波透射法检测原理，并对检测数据进行了分析和判断

关键词  基桩声波透射法  声速判据  波幅判据  PSD判据  综合判定

基桩声波透射法与其他完整性检测方法相比具有信息量丰富、无测试盲区、检测精度高以及场地局限性小等优点，因此被广泛应用到大直径基桩桩身完整性检测中。

1 基桩声波透射法检测原理

在检测过程中，由超声脉冲发射源向混凝土内发射调频弹性脉冲，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷形成波阻抗界面，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射；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、不同高度上的超场波动特征，经过处理分析就能判别测区内混凝土存在缺陷的大小及其空间位置。

2 检测数据的处理

各测点的声时tc、声速v、波幅Ap及主频f应根据现场检测数据，按下列公式进行计算，并绘制声带－深度（–z）曲线、波幅–深度（Ap–z）曲线，需要时可绘制辅助的主频–深度（f-z）曲线。

tci=t--t0-t'‘   νi=l’/tci    Api=201gai/a0  fi=1000/Ti

式中tci为第i测点声时（μs）；ti为第i测点声时测量值（μs）；

t0为仪器系统延迟时间（μs）；t'‘为声测管及耦合水层声时修正值（μs）；

L’为每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离（mm）; νi为第i测点声速（km/s）;

Api为第i测点波幅值（dB）;   ai为第i测点信号首波峰值（V）；

a0为零分贝信号幅值（V）；   Ti为第i测点信号周期（μs）；

fi为第i测点信号主频值（kHz）,也可由信号频谱的主频求得。

3 数据分析与判断

（1）声速判据。声波在传播路径上遇到缺陷时分两条路径传播：一是绕过缺陷分界传播；二是直接穿过缺陷。由于我们是以首波来读取声时值，所以无论声波在何种路径上传播，所测的声速要比正常部位小。声时的测读受到声波脉冲收发间距影响，由于混凝土的衰减作用，当声波脉冲穿过混凝土时，其高频部分首先被衰减，穿越的距离越长，接受频率越低，接受波前明显平缓，因而在声时测读时使读数起始点后移，计算声速较低。综合国内外部分研究资料，并通过一部分完好桩（已扣除t’）与预留试块声速的比较，取以下修正值：

L=100cm，  Ki=1.05；   L＝150cm    Ki＝1.020;    L=200cm   Ki＝1.023；

为了使在同一根桩中的各个剖面的声速具有参考性，声测管的宜布置为正三角形或正方形，并确保声测管的平行度。

①概率法。该方法由南京水利科学院高级工程师罗骐先提出，它是一种单一的声速参数。以一个剖面的所有测点（一般测点总数不小于20个）为统计样本，首先剔除可疑的数据（当出现因声测管弯曲、系统延时t0设置不当、人为因素等造成声速明显高于或明显低于混凝土正常波速）。统计整根桩的声速平均值μ和标准差σ，然后进行判断：

对于某个低限声速C1值，计算该点的Ki值：Ki=C1-μ/σ，再根据Ki值查正态分布表，求出C1值出现的概率P（C1）允许出现的次数N﹒P（C1），若N﹒P（C1）＜1说明在正常情况下一次也不出现，若实现了，则表明该点是缺陷。

声速概率法本质上是一种相对比较法，在各种情况下获得的物理量比较单一，受检测人员操作经验的影响比较小。但其变化幅度和范围不大，对缺陷反应不十分明显。在进行数据分析时，应结合实际声速与正常值的偏离程度以及其他声学参数进行异常点的鉴别和缺陷判定。

②声速低限值法。当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判断；

νi＜νL

式中：νi 第i测点声速（km/s）

     νL 声速低限值（km/s）,由预留同条件混凝土试件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。

当上式成立时，可直接判断为声速低于低限异常。

使用声速低限值作为判据时，一般声速低限值相对应的混凝土强度不宜低于0.9R（R为混凝土设计强度），若试件为钻芯样，则不宜低于0.85R。声速低限值应根据混凝土龄期合理取值，否则低限值判据便没有实际意义。

（2）波幅判据。一般认为，接收波幅强弱与混凝土的黏塑性有关。接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土中声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强区、离析区、夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使接受波波幅明显下降。波幅对缺陷的反应比较敏感，是缺陷判断的重要参数。但是波幅的测量受换能器与测试桩体的耦合条件等因素的影响比较大，在检测过程中应注意换能器的选用并保证耦合剂中不含泥浆、砂子等悬浮物，在运用波幅判据时应结合其他声学参数进行判断。波幅异常时的临界值判据应按下列公式计算：

Am=∑ Api/n        Api＜Am-6

式中Am----波幅平均值（dB）；  n----检测剖面测点数。

当上式成立时，波幅可判为异常。

（3）PSD判据。PSD判据是河南省公路管理局与湖南大学土木系于1983年为确保郑州黄河公路大桥桩基质量而研制成功的可以定性、定量判断桩身质量的方法。PSD被称为“相邻两测点间声时的斜率和差值的乘积判据”。PSD值按下列公式计算：

PSD＝K﹒△t    K=tci-tci-1/zi-zi-1

△t－tci-tci-1

式中tci为第i测点声时（us）；tci-1为第i-1测点声时（us）；zi为第i测点深度（m）；zi-1为第i－1测点深度（m）.

PSD判据建立在这样的理论，即缺陷区超声波传播介质的性质发生突变，声时值在缺陷区的变化规律是一个不连续的函数。PSD判据放弃了声速值按正态分布的假定，突出了声时的变化（PSD判据的大小主要取决于相邻测点声时的差值），对缺陷的反应比较敏感，同时，也减小了因声测管不平行或混凝土不均匀等非缺陷因素造成的测试误差对数据分析判断的影响。在进行数据分析时，根据PSD判据在某深度处的突变，结合波幅变化情况，并进一步细测（加密平测、斜测和扇形扫测），进行综合判断。但是，采用PSD判据法时应注意的是当桩身缺陷为缓变型时，声时值也呈缓变型，PSD判据并不敏感。

（4）其它辅助判据。声波脉冲是复频波，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，一般认为主频漂移的程度越大，该点的混凝土质量就越差。主频对缺陷的敏感性介于波速和波幅之间，其测试数据值没有波速稳定，受非缺陷因素影响比较大，所以在实际检测过程不常用。

当脉冲直接穿过缺陷或者绕过缺陷时，会形成波线不同的波束，这些波束由于传播的路径不同，或由于界面上产生的波形转换而形成横波等原因，使得到达接受换能器的时间不同，因而使接收波成为许多相位或不同相位的波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡声脉冲在传播过程上遇到缺陷，其接受波形往往主生畸变，目前对由于对缺陷导致波形畸变的畸变程度作定量分析还比较困难，因此它在实际检测过程中仅作为辅助判据。

（5）综合判定。混凝土是一种多种材料的集结体，声波在其中传播是一个相当复杂的过程，以单一的判据来评价基桩成桩质量是不全面不科学的。基桩基身完整性类别结合桩身各个声学参数的临界值、PSD判据、混凝土声速低限值、波形等判据综合判断分析。①采用概率法确定各临界值相差较大，则应分析原因。如果是因为该剖面的缺陷点很多声速离散太大则应参考其它桩的临界值；如果是因声测管的倾斜所致，则进行管距修正，再重新计算声速临界值；如果声速的离散性不大，但临界值明显偏低，则这样的测点可确定为可疑点。对各剖面的异常点进行细测（加密平测或斜测）。②缺陷范围以及缺陷程度的推断。考察各个剖面是否在同高程的缺陷，如果不存在同一高程的缺陷，则说明该缺陷在桩身截面的分布范围不大，该缺陷的纵向尺寸将由缺陷所在该剖面的投影的纵向尺寸确定，如果存在同一高程的缺陷，则依据程度的推断主要依据缺陷的投影大致推断该缺陷的纵向尺寸和在桩向横截面上的位置和范围。对缺陷程度的推断主要依据缺陷处的实测声速和波幅与正常混凝土的声速、波幅的偏离程度（正常混凝土声学参数可取其平均值），并观察缺陷处PSD判据的突变程度和实测波形的畸变程度。③除了对以上各个判据进行综合判定外，还应该考虑到施工工艺、施工记录以及桩的承载机理（摩擦型或端承型）、设计要求、受荷状况（抗拔、抗压、抗水平力）、基础类型（单桩承台或群桩承台）、缺陷出现的部位（桩上部、中部或下部）等因素。

4结 语

本文所探讨的基桩声波透射法一般适用于桩径不小于800mm的灌注桩。由于基桩声波透射法只能检测桩身部分混凝土质量，对于支承桩或嵌岩桩，宜同时采用低应变反射法检测桩端的支承情况，确保桩身结构承载力的正常发挥。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准。建筑基桩检测技术规范（JGJ106－2003）北京：中国建筑工业出版社，2003

[2]中华人民共和国推荐行业标准。公路工程基桩动测技术规程（JTJ/T F81－01－2004）2004

[3]陈凡 徐天平 陈久照 关立军，北京：中国建筑工业出版社，2003

[4]罗骐先，桩基工程检测手册，北京：人民交通出版社，2003

[5]阎光辉   钻孔灌注桩超声波法检测实践  河南省交通基本建设质量检测监督站

[6]罗仁安 方片帆，超声波透射法检测桩技术研究应用  湖北省建筑工程质量监督检验测试中心