基桩超声波检测技术，原理、方法、现场检测及参数分析！

一、检测原理和方法

1、检测原理

基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数, 然后对这些检测数据进行处理、分析和判断,确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，评定桩身完整性等级。

基桩声波透射法完整性检测的基本原理
用人工的方法在混凝土介质中激发一定频率的弹性波，该弹性波在介质中传播时，遇到混凝土介质缺陷会产生反射、透射、绕射、散射、衰减，从而造成穿过该介质的接收波波幅衰减、波形畸变、波速降低等。由接收换能器接收的波形，对波的到时、波幅、频率及波形特征进行分析，判断混凝土桩的完整性及缺陷的性质、位置、范围及缺陷的程度。

什么叫反射波？什么叫透射波
当声波在传播过程中从一种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分声波被反射，仍然回到原来的介质中，称为反射波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折射波（透射波）。

2、检测方法

按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式，超声波透射法基桩检测有三种方法：
（1）桩内单孔透射法

在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如在钻孔取芯后，我们需进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可采用单孔检测法，此时，换能器放置于一个孔中，换能器间用隔声材料隔离（或采用专用的一发双收换能器）。超声波从发射换能器出发经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水分别到达两个接收换能器上，从而测出超声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。需要注意的是， 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，故不能用此法。 

      
（2）桩外单孔透射法

当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道，检测时在桩顶面放置一发射功率较大的平面换能器，接收换能器从桩外孔中自上而下慢慢放下，超声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与孔之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射超声波的声学参数，根据信号的变化情况大致判定桩身质量。由于超声波在土中衰减很快，这种方法的可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩颈等。另外灌注桩桩身剖面几何形状往往不规则，给测试和分析带来困难。
该方法在规范中均没有提及，不推荐使用。

（3）桩内跨孔透射法
此法是一种成熟可靠的方法，是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式，其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管，在管中注满清水，把发射、接收换能器分别置于两管道中。检测时超声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。根据不同的情况，采用一种或多种测试方法，采集声学参数，根据波形的变化，来判定桩身混凝土强度，判断桩身混凝土质量，跨孔法检测根据两换能器相对高程的变化，又可分为平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方式，在检测时视实际需要灵活运用。

平测法

斜测法

扇测法

桩内跨孔透射法三种方法的运用：
现场的检测过程一般首先是采用平测法对全桩各个检测剖面进行普查，找出声学参数异常的测点。
然后，对声学参数异常的测点采用加密平测测试、斜测或扇形扫测等细测方法进一步检测，这样一方面可以验证普查结果，另一方面可以进一步确定异常部位的范围，为桩身完整性类别的判定提供可靠依据。

二、现场检测

1、检测前的准备

（1）了解有关技术资料及施工资料；
主要了解桩的编号、设计强度、桩长、灌注日期等。现场实测时，往往存在堵管或管深不一致的问题，了解桩长是很有必要的，而了解强度及灌注日期，能对波速的情况有一个大概的了解
根据检测的目的，制定相应的检测方案：包括：工程概况，目的与任务，方法与技术，仪器设备，检测场地要求，检测人员和时间安排，检测报告等。
检测的时间应满足混凝土强度龄期的要求。为保证检测结果的可靠性，同时考虑到混凝土在龄期14天后的超声波波速等特性参数变化已经趋于平缓，一般要求超声波检测混凝土灌注桩的龄期应大于14天。

（2）计算声测管及耦合水层声时修正值。
声波从探头里发射直到另一个管里的探头接收，实际上不仅是在桩中间传播 有一段时间其实是在管内的水里和管里传播，为了准确的获得桩的波速，应该扣除掉这部分时间。

（3）在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。
由于已经在上一步工作中进行了修正，所以在测量跨距时，应该以两管内边距为准。

（4）将各声测管内注满清水，检查声测管畅通情况；换能器应能在全程范围内正常升降。

声波透射法检测时要求换能器达到良好耦合的目的是什么？为何一般采用清水做耦合剂？
良好耦合的目的是使尽可能多的声波能进入被测介质，并经介质传播后尽可能多的被接收。如果声测管中含泥浆、砂等悬浮固体颗粒，会使声波产生较强的散射和衰减，影响测量结果。用清水做耦合剂是水具有不可压缩性、均匀性，更好的传递能量。

2、现场检测步骤

3、现场采集

• 当出现堵管时，可以让发射与接受换能器不在同一高度上，但水平夹角不能太大。

• 如某一个管堵管较长，其它面的信号需要采集帮助判断的时候，可以将堵管的探头的深度在编码器端保持跟其它管一致，多余的电缆可暂时放置在地面。

• 当堵管长度太长时，可以采用其他方法（如钻芯法）对桩的完整性进行检测 。

（5）当平测发现桩身中有缺陷时，应采用加密测、斜测或扇测进一步确定。

（A）局部缺陷：如图所示，在平测中发现某测线测值异常（图中用实线表示），进行斜测，在多条斜测线中，如果仅有一条测线（实线）测值异常，其余皆正常，则可以判断这只是一个局部的缺陷，位置就在两条实线的交点处。

 （B）缩颈或声测管附着泥团：如图所示，在平测中发现某（些）测线测值异常（实线），进行斜测。如果斜测线中、通过异常平测点发收处的测线测值异常，而穿过两声测管连线中间部位的测线测值正常，则可判断桩中心部位是正常混凝土，缺陷应出现在桩的边缘，声测管附近，有可能是缩颈或声测管附着泥团。当某根声测管陷入包围时，由它构成的两个测试面在该高程处都会出现异常测值。

 （C）层状缺陷（断桩）：如图所示，在平测中发现某（些）测线值异常（实线），进行斜测。如果斜测线中除通过异常平测点发收处的测线测值异常外，所有穿过两声测管连线中间部位的测线测值均异常，则可判定该声测管间缺陷连成一片。如果三个测试面均在此高程处出现这样情况，如果不是在桩的底部，测值又低下严重，则可判定是整个断面的缺陷，如夹泥层或疏松层，既断桩。

 （D）扇形扫测：在桩顶或桩底斜测范围受限制时，或者为减少换能器升降次数，作为一种辅助手段，也可扇形扫查测量，如图所示。

三、检测参数与混凝土质量关系

1、混凝土灌注桩的特点

• 施工难度大

• 工艺复杂

• 隐蔽性强

• 硬化环境及混凝土成型条件复杂

更易产生空洞、裂缝、夹杂局部疏松、缩径等各种桩身缺陷，对建筑物的安全和耐久性构成严重威胁。

2、声波透射法的特点

是检测混凝土灌注桩桩身缺陷、评价其完整性的一种有效方法，当声波经混凝土传播后，它将携带有关混凝土材料性质、内部结构与组成的信息，准确测定声波经混凝土传播后各种声学参数的量值及变化，就可以推断混凝土的性能、内部结构与组成情况。   
混凝土质量检测中常用的声学参数为声速、波幅、频率以及波形。

3、声波波速与混凝土强度的关系

但是用波速来推算混凝土强度是不可取的，规范也不要求推定强度。
声波波速反映了混凝土的弹性性质，混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此混凝土声速与强度之间存在相关性。另一方面，对组成材料相同的构件（混凝土），其内部越致密，孔隙率越低，则声波波速越高，强度也越高。
 

4、声波波速与混凝土缺陷的关系

5、声幅与混凝土质量的关系

• 声幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度

• 声幅强弱与混凝土的粘塑性有关

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，吸收衰减和散射衰减增大，声幅明显下降。

6、声频与混凝土质量的关系

• 声波脉冲是复频波，具有多种频率成分。

• 各频率成分穿过混凝土后的衰减程度不同，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。

• 漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。

• 接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收波主频率明显降低。

7、波形与混凝土质量的关系

正常波形特征：
1.首波陡峭，振幅大
2.第一周期波的后半周即达到较高振幅，接收波的包络线呈半圆形
3.第一个周期的波形无畸变

缺陷波形特征：
1、首波平缓，振幅小
2、后续周期幅度增加得仍不够.  
3、 波形有畸变  
4、 缺陷严重时，无法接收声波

几种声学参数的比较
1、声速的测试值较为稳定，结果的重复性较好，受非缺陷因素影响小 。
2、声幅（首波幅值）对混凝土缺陷很敏感，它是判定混凝土质量的另一个重要参数。
3、声频的变化能反映声波在混凝土中的衰减状况，从而间接反映混凝土质量的好坏 。
4、波形也是反映混凝土质量的一个重要方面，它对混凝土内部的缺陷也较敏感，在现场检测时，还应注意观察整个接收波形形态的变化，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要的参考。