超声脉冲法在路桥桩基检测中的应用

 超声脉冲法在路桥桩基检测中的应用

【摘要】简要介绍了超声脉冲法的原理，提出了应用该法检测路桥桩基以及路桥桩基质量的方法，并根据检测经验指出检测过程中应注意的问题。

【关键词】超声波；应用；路桥桩基工程；质量检测

1．超声脉冲法

波动是物质运动的一种形式，可分为机械波和电磁波2大类。机械波是由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，如水波、声波等。声波是弹性介质传播的机械波。当声波传播到介质中某处时，该处原来不动的质点开始振动，因而具有动能，同时该处的介质产生形变而具有位能。声波在介质中传播时，能量是逐层传播出去的。

人们所能听到的声波频率范围是20～2×104Hz，这叫可闻声波。当声波频率超过2×104Hz时，人耳就听不到了，这种声波就叫作超声波。超声波由于频率高而具有较大的传播能量。超声波属于机械波，它在介质中传播时，也存在有透射、反射、散射、干涉、衰减等现象，而这些现象的出现，间接地反映了介质的结构和本质。所以接收透过介质的超声波，并对其声速、频率、振幅等声学参数进行分析，就可了解介质相关的结构信息，从而使超声波用作金属和路桥桩基等非金属介质的质量检测成为可能。为了避免连续波在介质中传播时发生叠加、干涉现象，更直观地从通过介质的超声波声学参数来分析被测介质的结构特性，超声波探伤仪发射换能器就以一定的重复频率（50Hz或100Hz）间断地发射出一组组超声脉冲波。

超声脉冲波不具有单一频率，而是一组由不同频率的余弦波组成的复频波。超声换能器上的标称频率只是其固有的主频率。用超声脉冲波检测介质结构性能的方法被称作超声脉冲法。

2．超声脉冲法用于路桥桩基质量检测

路桥桩基是当代建筑工程中最主要的结构材料之一，由于路桥桩基通常是在工地进行配料、拌和、浇注、养护，其中一个环节稍有不慎都将影响其质量。而路桥桩基标准试件的抗压强度对结构路桥桩基来说，毕竟是一种间接测定值，是路桥桩基在特定条件下的性能反映，当施工中某环节存在问题，试件的可信度降低或结构路桥桩基受外界因素侵蚀、损害时，就不能代表结构路桥桩基的真实状态。

我国《路桥桩基强度检验评定标准》（GBJ107—87）中规定，当对路桥桩基试件强度的代表性有怀疑时，可用从结构中钻取试样或采用破损检验的方法，按照有关标准的规定来推定结构或构件中路桥桩基的强度。

早在30年代初，路桥桩基无损检测方法开始被探索和研究，我国在这一领域的研究工作始于50年代中期，60年代初开始批量生产回弹仪，发展至今已使回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、拔出法、超声缺陷检测法等主要无损检测技术规范化。

和其它单一检测路桥桩基强度的无损检测方法相比，超声脉冲法既可检测路桥桩基的强度，也可检测结构路桥桩基中的缺陷。

2．1路桥桩基强度检测

路桥桩基是由水泥石和骨料复合而成的弹塑性材料，组分和施工条件不同，都会影响路桥桩基的性质。采用一种普通的数学模型，严密地描述结构路桥桩基的强度是比较困难的。

超声脉冲法检测路桥桩基强度的基本依据，是根据超声脉冲波在路桥桩基中的传播速度与路桥桩基的弹性性质存在着密切关系，以及路桥桩基的弹性模量与其力学强度的内在联系，建立超声波声速与路桥桩基抗压强度之间的相互关系，应用超声波探伤仪准确地测量超声脉冲波通过一定长度的路桥桩基所需的声时，计算出路桥桩基中的超声波声速，推定路桥桩基的强度。

超声脉冲法测强以路桥桩基立方体试件28d龄期的抗压强度为基准，把这种路桥桩基当作弹性体看待，而原材料品种、配合比、施工工艺等对检测参数的影响，采用预先校正的方法建立超声脉冲法测强的经验公式加以消除。

通过测试大量不同配比及强度等级的路桥桩基的抗压强度值和超声波声速，就可以根据数学模型建立超声脉冲法测强曲线。应用超声脉冲法检测结构路桥桩基强度时，应根据骨料品种、用量、所处环境的温度及湿度等因素对路桥桩基声速的影响程度，对测强曲线重新校正。超声波穿过分布有钢筋的路桥桩基时，垂直于钢筋的路桥桩基声速可根据超声波经过钢筋的声程与总声程的比值进行修正。

2．2路桥桩基缺陷检测

对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的路桥桩基来说，路桥桩基越密实则声速越高。路桥桩基中有空洞或裂缝时，超声波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，再加上空气的声阻抗率远低于路桥桩基的声阻抗率，超声波遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时，便在缺陷表面发生反射和散射现象，声能量被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，接收信号的声速、波幅和频率明显降低。所以，可以根据路桥桩基中超声波声学参数测量值的相对变化来判断所测路桥桩基中缺陷的位置和范围。

超声脉冲波的穿透力较强，尤其是用于检测路桥桩基缺陷时，检测设备较简单，操作方便。1990年中国工程建设标准化协会颁布了《超声法检测路桥桩基缺陷技术规程》，以利于推广应用。

水工结构路桥桩基具有体积大、施工期长、环境复杂等特点，施工过程中温度控制措施不满足设计要求时，路桥桩基中易出现裂缝。浇注过程中漏浆、漏振时，路桥桩基中会存在蜂窝、空洞。当浇注（碾压）层面间处理不当时，层与层之间的路桥桩基就不能较好地结合。超声脉冲法不但可以检测路桥桩基中裂缝、空洞、不均匀性这些缺陷，而且可以方便地检测受侵蚀、冻融破坏的路桥桩基层厚度以及路桥桩基钻孔灌注桩的连续性和均匀性。

2．2．1路桥桩基裂缝检测

当裂缝部位处只有一个路桥桩基表面可供检测时，可采用平测法进行裂缝深度检测。当结构路桥桩基的裂缝部位具有一对相互平行的表面时，可优先选用对穿斜测法。保持T—R换能器的连线通过缝和不通过缝时测试距离相等、倾斜角一致的情况下，逐层逐点读取接收波的声时、波幅和频率值。当超声波通过裂缝时，在裂缝界面上衰减，接收到的首波信号就很弱，声时、波幅和频率值与不过缝的测点相比较，存在着显著差异。据此可判定裂缝的长度和深度。

2．2．2表面损伤层检测

当需要检测路桥桩基结构物表面在物理、化学因素作用下损伤层的厚度时，可将超声波发射换能器T置于检测面上某点保持不动，再将接收换能器R以测距li=100mm、150mm、200mm等依次移动，并读取相应的声时值。

当测距较大时，超声波透过损伤层沿着未损伤的路桥桩基传播，声时中的大部分反映了未损伤路桥桩基的传播速度。当测距达到某一测距时，沿损伤层传播的脉冲波与经过两次穿透损伤层沿未损伤路桥桩基中传播的脉冲波同时到达接收换能器。

2．2．3其它缺陷检测

路桥桩基中的蜂窝、空洞以及结合面处的缺陷，可将其视为“裂缝”，按2．2．1中的对穿斜测法检测出缺陷的位置和尺寸。路桥桩基钻孔灌注桩施工时在桩内预埋声测管后，通过分析在声测管中移动的超声波探头所接收到的脉冲波的声时、波幅和频率的变化，可判断出桩体的均匀性和连续性，并结合声速检测桩体路桥桩基的强度。

3．结论

根据超声脉冲法在路桥桩基工程质量检测中应用的原理和结果，可得出以下结论。

（1）超声脉冲法用于检测对接钢焊缝质量及钢管壁厚，不但方便可行，而且经济可靠。

（2）超声脉冲法不但可检测结构路桥桩基的强度，而且可定量地检测路桥桩基中缺陷的位置和尺寸。

（3）随着路桥桩基强度理论和计算机技术的不断发展以及超声检测技术的不断完善，超声脉冲法检测路桥桩基工程质量的能力会越来越强，应用范围越来越广。

参考文献

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[5]刘树军、陈晓军．超声脉冲法在路桥桩基检测中的应用[J]．科技资讯，2007，（1）

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