超聲波在混凝土樁檢測(cè)中的應(yīng)用研究

苗霈昂 高 朋

（1.鄭州市京廣實(shí)驗(yàn)學(xué)校，河南鄭州450052；2.中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司建設(shè)管理處，河南鄭州450052）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作也是日新月異。特別是最近十年，更是創(chuàng)出了響當(dāng)當(dāng)?shù)拿^，不僅有最高的橋、最長(zhǎng)的跨海大橋、最長(zhǎng)的隧道等全世界各種各樣的建筑之最，還創(chuàng)造出了15天建30層樓、三元橋43h改造等速度之最，使得我國(guó)“基建狂魔”的外號(hào)于海內(nèi)外廣為流傳。這些大規(guī)?；ê统?jí)工程建設(shè)的成功，關(guān)鍵在于工程設(shè)備水平的提高，它們更是體現(xiàn)出了我國(guó)對(duì)工程建設(shè)技術(shù)和質(zhì)量的自信。而工程檢測(cè)是確保工程安全質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，本文就將針對(duì)一項(xiàng)工程檢測(cè)技術(shù)——聲波透射法在混凝土樁檢測(cè)中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要的介紹。

1 混凝土樁及其檢測(cè)方法

樁基礎(chǔ)通常深埋地下或水下，用于傳遞并承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)物的荷載，屬于隱蔽工程。其施工程序多、施工難度大、技術(shù)要求高，一般來說工期要求也很緊張。特別是對(duì)于混凝土樁，由于地質(zhì)條件、成樁工藝、機(jī)械設(shè)備等因素的影響易出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題，如斷裂、空洞、縮徑、離析、沉渣過厚、混凝土強(qiáng)度偏低等。樁基礎(chǔ)的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)建筑物的安全，且基樁一旦發(fā)生事故，加固處理起來難度較大，往往耗時(shí)較多，投入很大。因此，樁基礎(chǔ)工程的試驗(yàn)和質(zhì)量檢驗(yàn)尤為重要。目前，常用的混凝土樁檢測(cè)方式有靜載荷試驗(yàn)、高應(yīng)變、低應(yīng)變、鉆芯取樣以及聲波透射法等等。其中，聲波透射法因?yàn)槠錂z測(cè)投入低耗經(jīng)濟(jì)，檢測(cè)方式方便快捷，檢測(cè)結(jié)果直觀準(zhǔn)確等特點(diǎn)在高速鐵路、公路等交通運(yùn)輸工程中得到了大量的運(yùn)用。而它的檢測(cè)原理則是基于我們十分熟悉的一種物理知識(shí)——超聲波的物理特性。

2 超聲波及其物理特性

聲波，對(duì)于人們來說非常熟悉，在各類社交軟件發(fā)明之前，聲音是人類進(jìn)行交流的主要方式。一般來說，能夠引起人耳感覺的聲波頻率范圍為20～20000Hz。而頻率低于20Hz的聲波，稱為次聲波；頻率高于20000Hz的聲波，稱為超聲波。超聲波具有以下物理性質(zhì)：

（1）超聲波在不同介質(zhì)的界面上能產(chǎn)生反射和折射，在傳播路徑上遇到障礙物時(shí)能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，兩束或兩束以上的聲波在一定條件下疊加時(shí)能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

（2）超聲波方向性強(qiáng)，在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播。

（3）超聲波在傳播的過程中需要借助于介質(zhì)，就目前所知，聲波能夠在所有物質(zhì)（除真空外）中傳播。在相同介質(zhì)中，聲波的速度是不變的，介質(zhì)發(fā)生改變，聲波的聲學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。

（4）超聲波功率大、穿透力強(qiáng)，可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。

超聲波的物理性質(zhì)使它在檢測(cè)技術(shù)中得到了大量應(yīng)用，其傳播的定向性以及在不同介質(zhì)的界面上的反射、折射及遇到障礙物的衍射現(xiàn)象為超聲波信號(hào)的接收提供了便利，大功率、強(qiáng)穿透性使得超聲波可以通過一些不易通過的介質(zhì)，如水、混凝土、鋼管等，更可以分析其在不同介質(zhì)中傳播時(shí)聲學(xué)參數(shù)的變化從而為檢測(cè)結(jié)果提供直接的依據(jù)。

3 超聲波應(yīng)用于混凝土樁檢測(cè)的基本原理

簡(jiǎn)單來說，超聲波在混凝土樁檢測(cè)中的應(yīng)用是基于超聲波的物理特性，通過實(shí)測(cè)超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播時(shí)的聲速、聲時(shí)和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)及接收波形的相對(duì)變化，對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)的方法。由于混凝土對(duì)超聲波的衰減較大，且混凝土截面尺寸較大，因此，超聲波檢測(cè)儀只能采用透射式。即在混凝土樁進(jìn)行超聲波檢測(cè)前，必須在施工時(shí)預(yù)埋至少兩根鋼管（聲測(cè)管），檢測(cè)時(shí)用于分別放置發(fā)射、接收檢測(cè)探頭，通過發(fā)射、接收到的超聲波信號(hào)分析檢測(cè)結(jié)果?；鶚稒z測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 基樁檢測(cè)示意圖

4 通過聲學(xué)參數(shù)判別混凝土質(zhì)量

4.1 聲速、聲時(shí)判別

聲速是最常用的混凝土超聲探測(cè)的聲學(xué)參數(shù)，其基本公式如下：

V=L/t

式中，V為聲速；L為聲波傳播距離；t為聲波傳播時(shí)間（聲時(shí)）。

聲速就是聲波在介質(zhì)中傳播的速度，在一定條件下，聲波在相同介質(zhì)中的傳播速度應(yīng)為固定值。通過超聲儀可以直接得到實(shí)測(cè)混凝土樁的聲速。聲時(shí)可以由超聲儀測(cè)得，測(cè)距需要實(shí)體測(cè)量得到。

當(dāng)樁身完好時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)射探頭和接收探頭的直線距離就是聲波傳播距離。根據(jù)已知的超聲波在水、鋼管及混凝土中的傳播速度，可以計(jì)算出實(shí)際傳播需要的聲時(shí)t，進(jìn)而計(jì)算出超聲波在混凝土樁中傳播的正常波速V。

當(dāng)樁身存在斷裂、離析等缺陷時(shí)，混凝土介質(zhì)的連續(xù)性被破壞，將使聲波的傳播路徑復(fù)雜化，根據(jù)超聲波的物理特性，一部分波將繞過缺陷傳播，其傳播路徑大于直線距離，這時(shí)，聲波傳播的聲時(shí)將會(huì)延長(zhǎng)，進(jìn)而計(jì)算出的波速將降低；同時(shí)，還有一部分波可以透過缺陷傳播，但是因?yàn)榻橘|(zhì)不同（缺陷一般為泥土、沙及空隙等），其傳播時(shí)的聲速將大大降低。

舉例說明，如圖1所示，設(shè)聲測(cè)管內(nèi)徑L2為50mm，聲測(cè)管壁厚L3為3mm，通過測(cè)量混凝土樁預(yù)埋兩聲測(cè)管外壁間距L1（設(shè)為680mm），樁中缺陷為圓形空洞，直徑L4為50mm。在正常環(huán)境溫度及大氣壓強(qiáng)下，超聲波的傳播速度在C35混凝土中（V1）約為4500m/s，水中（V2）約為1400m/s，鋼管中（V3）約為5200m/s，空氣中（V4）為340m/s。則可以通過計(jì)算正?；炷敛ㄋ倥c缺陷混凝土波速，來進(jìn)行混凝土樁完整性的判斷。

計(jì)算過程如下：

式中，t1、t2、t3分別為超聲波在混凝土、水、聲測(cè)管中的聲時(shí)；t為超聲波在正常混凝土樁中的總聲時(shí)；V為超聲波在正常混凝土樁中傳播時(shí)的波速。

式中，t4、t1′分別為超聲波在缺陷處透射和除缺陷外混凝土中的聲時(shí)；t′為超聲波透射缺陷的總聲時(shí)；V′為超聲波透射缺陷傳播的波速。

式中，t5為超聲波在缺陷處繞射和傳播的聲時(shí)；t″為超聲波繞射缺陷傳播的總聲時(shí)；V″為超聲波繞射缺陷傳播的波速。

從計(jì)算可以得知，無論是超聲波透射缺陷或是在缺陷處繞射，其可測(cè)得的聲速都低于正?；炷翗兜穆曀?，且超聲儀一般通過測(cè)得缺陷傳播速度的均數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算并顯示檢測(cè)結(jié)果：

V均=（V′+V″）/2=3171m/s

該數(shù)值遠(yuǎn)低于正?；炷翗恫ㄋ?。因此在超聲檢測(cè)過程中，當(dāng)測(cè)得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于正常波速時(shí)，可以初步判斷樁身存在缺陷。

4.2 波幅、波形判別

超聲波是機(jī)械波的一種，若視混凝土介質(zhì)為彈性體，則聲波在混凝土中的傳播服從機(jī)械波傳播規(guī)律。機(jī)械波在傳播過程中，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都只做上下（左右）的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并帶動(dòng)下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，依次帶動(dòng)下去，完成波的傳播。但質(zhì)點(diǎn)本身并不隨著機(jī)械波的傳播而前進(jìn)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)大小和方向隨時(shí)間而變化的過程曲線就稱為波形，如圖2所示。

圖2 波形圖

其中A為質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置最大范圍，稱為波幅。波幅衰減與混凝土質(zhì)量具有相關(guān)性，它對(duì)缺陷區(qū)的反應(yīng)比聲速值更為敏感。所以，它是缺陷判斷的重要參數(shù)之一。

超聲儀屏幕上的圖形就是傳播到接收探頭所在位置質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的曲線。不同于一般波形圖，因超聲儀發(fā)射換能器發(fā)出的超聲脈沖波是持續(xù)復(fù)頻脈沖波，因此正常情況下接收探頭位置質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)存在一個(gè)疊加增強(qiáng)到衰弱的過程，其包絡(luò)線大致為橢圓形。正常混凝土波形圖如圖3所示。

圖3 正常混凝土聲波圖

其中A為第一次接收到的超聲波波幅，即首波波幅。首波波幅直接反映混凝土內(nèi)部質(zhì)量情況。當(dāng)混凝土中存在低強(qiáng)度區(qū)、離析區(qū)以及夾泥、蜂窩等缺陷時(shí)，將產(chǎn)生吸收衰減和散射衰減，使接收首波波幅明顯下降。同時(shí)，在缺陷混凝土中透過或繞過缺陷傳播的脈沖波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，將致使接收信號(hào)的波形發(fā)生畸變。缺陷混凝土聲波圖如圖4所示。

圖4 缺陷混凝土聲波圖

綜上所述，當(dāng)超聲儀接收到的超聲波信號(hào)出現(xiàn)波速降低、振幅減小、波形畸變等聲學(xué)參數(shù)變化時(shí)，便可以結(jié)合混凝土樁施工過程的實(shí)際情況判定樁身質(zhì)量問題。

5 結(jié)語(yǔ)

超聲波在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)于混凝土樁的檢測(cè)僅僅是其中的一種，常見的還有醫(yī)院中的B超、船舶上的聲吶以及生活中常用的超聲波牙刷、加濕器等等。這些設(shè)備和物品的出現(xiàn)都是合理利用了聲學(xué)物理知識(shí)。隨著對(duì)聲音的研究不斷深入，其已不再僅僅是一種交流的方式，而是不斷在更多的地方影響和改變著我們的生活。

［參考文獻(xiàn)］

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