超聲測試混凝土樁的完整性分析PPT課件

1、第一講超聲波的基本理論第1頁/共76頁聲波透射法的基本原理基樁成孔后，灌注混凝土之前，在樁內預埋若干根聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的通道，在樁身混凝土灌注若干天后開始檢測，用聲波檢測儀沿樁的縱軸方向以一定的間距逐點檢測聲波穿過樁身各橫截面的聲學參數, 然后對這些檢測數據進行處理、分析和判斷,確定樁身混凝土缺陷的位置、范圍、程度，從而推斷樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性狀況，評定樁身完整性等級。 特點：準確程度高，漏判概率低，但可能出現誤判。第2頁/共76頁聲波的頻率范圍次聲波可聞聲波超聲波特超聲波020Hz20Hz20kHz20kHz1000MHz1000MHz以上根據質點振動方向與波的傳

2、播方向不同，可將機械波分為縱波、橫波和表面波。 第3頁/共76頁縱波 質點振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波，又稱為P波。是依靠介質時疏時密（即時而拉升，時而壓縮）使介質的容積發(fā)生變形引起壓強的變化而傳播的，它和介質的體積彈性有關。任何彈性介質都具有體積彈性，所以縱波可以在任何固體、氣體、液體中傳播。 第4頁/共76頁橫波 介質質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波，又稱為S波。是依靠使介質產生剪切變形引起的剪切力變化而傳播的，它和介質的剪切彈性相關。由于液體、氣體無一定形狀，不具備切變彈性，不能承受剪切應力，所以橫波只能在固體介質中傳播。 第5頁/共76頁表面波 固體介質表面受到交

3、替變化的表面張力作用，介質表面質點發(fā)生相應的縱向振動和橫向振動，結果使質點做這兩種振動的合成運動，即繞其平衡位置作橢圓運動，該質點的運動又波及相鄰質點，而在介質表面?zhèn)鞑?，這種波稱為表面波，又稱R波。表面波傳播時，質點振動的振幅隨深度的增加迅速減少，當深度超過2倍的波長時，振幅已很小了。表面波也只能在固體中傳播。 第6頁/共76頁聲波在固體傳播過程中的衰減 吸收衰減：聲波在介質中傳播時，部分機械能被介質轉換成其他形式的能量（如熱能）而散失，這種衰減現象稱為吸收衰減。 散射衰減：聲波在一種介質中傳播時，因碰到另一種介質組成的障礙物而向不同方向產生散射，從而導致聲波減弱（即聲傳播的定向性減弱）的現象

4、稱為散射衰減。 擴散衰減：聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波波束都有一定的擴散角。波束的擴散，導致能量的逐漸分散，從而使單位面積的能量隨傳播距離的增加而減弱。第7頁/共76頁第二講檢 測 技 術第8頁/共76頁樁內跨孔透射法樁內跨孔透射法 第9頁/共76頁樁內單孔透射法樁內單孔透射法 第10頁/共76頁樁外孔透射法樁外孔透射法 第11頁/共76頁混凝土內部缺陷對聲波波速的影響 第12頁/共76頁接收聲波波幅與混凝土質量接收聲波波幅與混凝土質量接收聲波波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標之一。接收波幅值越低，混凝土對聲波的衰減就越大。根據混凝土中聲波衰減的原因可知，當混凝土中存在低強度區(qū)、離析區(qū)以及

5、存在夾泥、蜂窩等缺陷時，吸收衰減和散射衰減增大，使接收波波幅明顯下降。幅值可直接在接收波上觀察測量，也可用儀器中的衰減器測量，測量時通常以首波（即接收信號的前面半個周期）的波幅為準。接收聲波幅值與混凝土質量緊密相關，它對缺陷區(qū)的反應比聲時值更為敏感，所以它也是缺陷判斷的重要參數之一。 第13頁/共76頁頻率變化與混凝土質量頻率變化與混凝土質量 聲波脈沖是復頻波，具有多種頻率成分。當它們穿過混凝土后，各頻率成分的衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴重，因而導致接收信號的主頻率向低頻端漂移。其漂移的多少取決于衰減因素的嚴重程度。所以，接收波主頻率實質上是介質衰減作用的一個表征量，當遇到缺陷時，由

6、于衰減嚴重，使接收波主頻率明顯降低。 第14頁/共76頁波形的變化與混凝土質量波形的變化與混凝土質量 由于聲波脈沖在缺陷界面的反射和折射，形成波線不同的波束，這些波束由于傳播路徑不同，或由于界面上產生波形轉換而形成橫波等原因，使得到達接收換能器的時間不同，因而使接收波成為許多同相位或不同相位波束的疊加波，導致波形畸變。實踐證明，凡超聲脈沖在傳播過程中遇到缺陷，其接收波形往往產生畸變，所以波形畸變程度可作為判斷缺陷程度的參考依據。第15頁/共76頁正常聲波畸變聲波第16頁/共76頁幾種聲學參數的比較幾種聲學參數的比較 聲速的測試值較為穩(wěn)定，結果的重復性較好，受非缺陷因素的影響小，在同一樁的不同剖

7、面以及同一工程的不同樁之間可以比較，是判定混凝土質量的主要參數，但聲速對缺陷的敏感性不及波幅。接收波波幅（首波幅值）對混凝土缺陷很敏感，它是判定混凝土質量的另一個重要參數。但波幅的測試值受儀器系統(tǒng)性能、換能器耦合狀況、測距等諸多非缺陷因素的影響，它的測試值沒有聲速穩(wěn)定，目前只能用于相對比較，在同一樁的不同剖面或不同樁之間往往無可比性。 接收波主頻的變化雖然能反映聲波在混凝土中的衰減狀況，從而間接反映混凝土質量的好壞，但聲波主頻的變化也受測距、儀器設備狀態(tài)等非缺陷因素的影響，因此在不同剖面以及不同樁之間的可比性不強，只用于同一剖面內各測點的相對比較，其測試值也沒有聲速穩(wěn)定。因此，目前主頻漂移指標

8、僅作為聲速、波幅的輔助判據。 接收波形也是反映混凝土質量的一個重要方面，它對混凝土內部的缺陷也較敏感，在現場檢測時，除逐點讀取首波的聲時、波幅外，還應注意觀察整個接收波形態(tài)的變化，作為聲波透射法對混凝土質量進行綜合判定時的一個重要的參考，因為接收波形是透過兩聲測管間混凝土的聲波能量的一個總體反映，它反映了發(fā)、收換能器之間聲波在混凝土各種聲傳播路徑上的總體能量，其影響區(qū)域大于直達波（首波）。 第17頁/共76頁零聲時問題電延遲時間：從聲波儀電路原理可知，發(fā)出觸發(fā)電脈沖并開始計時的瞬間到電脈沖開始作用到壓電體的時刻，電路中有些觸發(fā)、轉換過程。這些電路轉換過程有短暫延遲的響應。 電聲轉換時間：在電脈

9、沖加到壓電體瞬間到產生振動發(fā)出聲波瞬間有電聲轉換的延遲。接收換能器也類似。 聲延遲：換能器中壓電體輻射出的聲波并不是直接進入被測體，而是先通過換能器殼體或夾心式換能器的輻射體，再通過耦合介質層，然后才進入被測體。 這三部分延遲構成了儀器測讀時間t1與聲波在被測體中傳播時間t的差異。聲波在被測物體中的傳播時間t = t1 - t0 第18頁/共76頁零聲時的測量將發(fā)、收換能器平行懸于清水中，逐次改變兩換能器的間距，并測定相應聲時和兩換能器間距，做若干點的聲時間距線性回歸曲線，就可求得t0 t = t0 + b?l 第19頁/共76頁波幅檢測波幅檢測 波幅是標志接收換能器接收到的聲波信號能量大小的

10、參量。波幅的測量是用某種指標來度量接收波首波波峰的高度，并將它們作為比較多個測點聲波信號強弱的一種相對指標。目前在波幅測量中一般都采用分貝（dB）表示法，即將測點首波信號峰值a與某一固定信號量值a0的比值取對數后的量值定為該測點波幅的分貝（dB）值，表示為 。 0Plg20aaA 第20頁/共76頁頻率檢測頻率檢測 數字式聲波儀都配有頻域分析軟件，可用頻譜分析的方法更精確地測試接收聲波信號的主頻。 計算方法為FFT（傅立葉變換）。第21頁/共76頁聲測管的埋設及要求現行規(guī)范：中華人民共和國行業(yè)標準建筑基樁檢測技術規(guī)程JGJ-2003第22頁/共76頁 聲測管的聯(lián)結 有足夠的強度和剛度，保證聲測

11、管不致因受力而彎折、脫開；有足夠的水密性，在較高的靜水壓力下，不漏漿；接口內壁保持平整通暢，不應有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨礙接頭的上、下移動。 第23頁/共76頁檢測前的準備工作檢測前的準備工作按照規(guī)范要求，安排檢測工作程序。 按照規(guī)范要求，調查、收集待檢工程及受檢樁的相關技術資料和施工記錄。 將伸出樁頂的聲測管切割到同一標高，測量管口標高，作為計算各測點高程的基準。向管內注入清水，封口待檢。 在放置換能器前，先用直徑與換能器略同的圓鋼作吊繩。檢查聲測管的通暢情況。用鋼卷尺測量樁頂面各聲測管之間外壁凈距。第24頁/共76頁 原則上，樁身混凝土滿28d齡期后進行聲波透射法檢測是最合理的，也是最

12、可靠的。但是，為了加快工程建設進度、縮短工期，當采用聲波透射法檢測樁身缺陷和判定其完整性等級時，可適當將檢測時間提前。規(guī)范中規(guī)定：“當采用低應變法或聲波透射法檢測樁身完整性時，受檢樁混凝土強度至少達到設計強度的70%，且不小于15MPa。”，混凝土達到28d強度的70%一般需要兩周左右的時間。 檢測前對混凝土齡期的要求第25頁/共76頁平測步驟將多根聲測管以兩根為一個檢測剖面進行全組合，剖面編碼。 將發(fā)、收換能器分別置于某一剖面的兩聲測管中，并放至樁的底部，保持相同標高。 自下而上將發(fā)、收換能器以相同的步長（一般不宜大于250mm）向上提升。 在同一樁的各檢測剖面的檢測過程中，聲波發(fā)射電壓和儀

13、器設置參數應保持不變。 第26頁/共76頁測試方法平測單向斜測交叉斜測第27頁/共76頁對可疑測點的細測 對可疑測點，先進行加密平測（換能器提升步長為1020cm），核實可疑點的異常情況，并確定異常部位的縱向范圍。再用斜測法對異常點缺陷的嚴重情況進行進一步的探測.斜測。就是讓發(fā)、收換能器保持一定的高程差，在聲測管內以相同步長同步升降進行測試，而不是象平測那樣讓發(fā)、收換能器在檢測過程中始終保持相同的高程。由于徑向換能器在鉛垂面上存在指向性，因此，斜測時，發(fā)、收換能器中心連線與水平面的夾角不能太大，一般可取3040。 第28頁/共76頁缺陷的細測 第29頁/共76頁第三講檢測數據分析與結果判定 第

14、30頁/共76頁測試數據的整理 首先計算各測點波速首先計算各測點波速 波幅波幅 頻率頻率 波形記錄與觀察波形記錄與觀察 繪制聲參數深度曲線繪制聲參數深度曲線 第31頁/共76頁聲速判據聲速判據 概率法 聲速低限值法 第32頁/共76頁聲速臨界值的計算方法 將同一檢測面各測點的聲速值vi由大到小依次排序，即（1）式中 vi按序列排列后的第i個測點的聲速測量值；n某檢測剖面的測點數；k逐一去掉（1）式vi序列尾部最小數值的數據個數。對逐一去掉vi序列中最小值后余下的數據進行統(tǒng)計計算，當去掉最小數值的數據個數為k時，對包括vn-k在內的余下數據v1vn-k按下列公式進行統(tǒng)計計算： nnknivvvv

15、vv121.第33頁/共76頁kniivknv1m1kniivvkns12mv11 v0異常判斷值；vm（n-k）個數據的平均值；sv（n-k）個數據的標準差；1由表查得的與（n-k）相對應的系數。 vm0svv（2）（3）（4）第34頁/共76頁n-k2022242628303234363811.641.691.731.771.801.831.861.891.911.94n-k4042444648505254565811.961.982.002.022.042.052.072.092.102.11n-k6062646668707274767812.132.142.152.172.182.19

16、2.202.212.222.23n-k8082848688909294969812.242.252.262.272.282.292.292.302.312.32n-k10010511011512012513013514014512.332.342.362.382.392.412.422.432.452.46n-k15016017018019020022024026028012.472.502.522.542.562.582.612.642.672.69第35頁/共76頁將vn-k與異常判斷值v0進行比較，當vn-kv0時，vn-k及其以后的數據均為異常，去掉vn-k及其以后的異常數據；再用數據

17、v1vn-k-1并重復式(2)至（4）的計算步驟，直到vi序列中余下的全部數據滿足：聲速異常時的臨界值判據為：vi vc0（5） 當式（5）成立時，聲速可判定為異常。 0vvi第36頁/共76頁概率法判據應注意的幾個問題 以一個剖面的所有測點測值為統(tǒng)計樣本，且測點總數不少于20個點，當樁長很短時，可減小測點間距，加大測試點數。由于臨界值的計算是以正?；炷恋穆曀俜植挤恼龖B(tài)分布為前提，統(tǒng)計計算正常波動下可能出現的最低值。因此參與統(tǒng)計的測點都是正常波動測點，異常點不應該參與統(tǒng)計計算vm和sv，否則，將使計算統(tǒng)計的離散度增大（sv變大），平均值降低（vm變小），影響臨界值的合理取值。 若樁身缺陷太

18、多，不能獲得反映樁身混凝土正常波動下測值的平均值、標準差時，應擴大檢測范圍或參考同一工程質量較穩(wěn)定的樁的聲速臨界值，來評定多缺陷樁。 采用概率法計算樁身混凝土聲速臨界值，只考慮了單邊情況，即“小值異?！鼻闆r，其原因如下：一方面環(huán)境條件惡劣或人為失誤造成的過失誤差一般只會引起混凝土質量的惡化，即聲速降低，而使測點的聲速向小值方向偏離正態(tài)分布；另一方面，即使出現“大值異?！?，這樣的偏離是有利于工程結構安全的,不應判為異常點。 當聲速的某些測值明顯高于混凝土聲速的正常取值時，應分析原因（可能是聲測管彎曲或系統(tǒng)延時t0設置不正確）后作適當剔除，再作數理統(tǒng)計分析，或參考同一工程其他樁的聲速臨界值。 概率

19、法本質上也是一種相對比較法，在進行異常點的鑒別和缺陷的判定時，應結合測點的實際聲速與正常值的偏離程度以及其他聲參數進行綜合判定。 第37頁/共76頁概率法失效如果一混凝土灌注樁實測聲速普遍偏低（低于混凝土聲速的正常取值），但離散度小，采用概率法是無法找到異常測點的，這樣將導致漏判。 有的工程，為了搶進度，采用比樁身混凝土設計強度高12個等級的混凝土進行灌注，雖然樁身混凝土聲速有較大的離散性，可能出現異常測點，但即使是聲速最低的測點也在混凝土聲速的正常取值范圍，不應判為樁身缺陷。而用概率法判據，可能視其為樁身缺陷，造成誤判。 第38頁/共76頁聲速低限值法聲速低限值法 vi vL vi第i測點的

20、聲速； vL 聲速低限值，由預留同條件混凝土試件的抗壓強度與聲速對比試驗結果，結合本地區(qū)實際經驗確定。 第39頁/共76頁PSD法判據法判據 Ki第i測點的PSD判據；tci、tci-1分別為第i測點和第i-1測點聲時； zi、zi-1分別為第i測點和第i-1測點深度。 121cc)(iiiiizzttK1cciittt第40頁/共76頁根據實測聲時計算某一剖面各測點的PSD判據，繪制“判據值深度”曲線，然后根據PSD值在某深度處的突變，結合波幅變化情況，進行異常點判定。采用PSD法突出了聲時的變化，對缺陷較敏感，同時，也減小了因聲測管不平行或混凝土不均勻等非缺陷因素造成的測試誤差對數據分析判

21、斷的影響 。第41頁/共76頁波幅判據波幅判據 在規(guī)范中采用下列方法確定波幅臨界值判據：Am同一檢測剖面各測點的波幅平均值（dB）；n同一檢測剖面測點數。 6mpi AAniAnA1pim1第42頁/共76頁主頻判據主頻判據 在規(guī)范中只是把它作為樁身缺陷的一個輔助判據，即“主頻深度曲線上主頻值明顯降低的測點可判定為異?！?。 第43頁/共76頁實測聲波波形實測聲波波形 實測波形可以作為判斷樁身混凝土缺陷的一個參。接收波的后續(xù)部分是發(fā)、收換能器之間各種路徑聲波迭加的結果，目前作定量分析比較難，但后續(xù)波的強弱在一定程度上反映了發(fā)、收換能器之間聲波在樁身混凝土內各種聲傳播路徑上總的能量衰減。在檢測過程

22、中應注意對測點實測波形的觀察，應選擇混凝土質量正常的測點的有代表性的波形記錄下來并打印輸出，對聲參數異常的測點的實測波形應注意觀察其后續(xù)波的強弱，對確認樁身缺陷的測點宜記錄并打印實測波形。 第44頁/共76頁樁身混凝土缺陷的綜合判定 在規(guī)范中第條明確指出：樁身完整性類別應結合樁身混凝土各聲學參數臨界值、PSD判據、混凝土聲速低限值以及樁身質量可疑點加密測試后確定的缺陷范圍，按規(guī)范表的規(guī)定和表的特征進行綜合判定。 第45頁/共76頁綜合判定的方法綜合判定的方法 采用平測法對樁的各檢測剖面進行全面普查。 對各檢測剖面的測試結果進行綜合分析確定異常測點。 對各剖面的異常測點進行細測（加密測試） 。綜

23、合各個檢測剖面細測的結果推斷樁身缺陷的范圍和程度。在對缺陷的幾何范圍和程度作出推斷后，對樁身完整性類別的判定可按表4-2描述的各種類別樁的特征進行，但還需綜合考察下列因素：樁的承載機理（摩擦型或端承型），樁的設計荷載要求，受荷狀況（抗壓、抗拔、抗水平力等），基礎類型（單樁承臺或群樁承臺），缺陷出現的部位（樁上部、中部還是樁底）等等。 第46頁/共76頁類別特征表10.4.7表3.5.1各檢測剖面的聲學參數均無異常，無聲速低于低限值異常。樁身完整某一檢測剖面?zhèn)€別測點的聲學參數出現異常，無聲速低于低限值異常。樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結構承載力的正常發(fā)揮 某一檢測剖面連續(xù)多個測點的聲學參數出現異

24、常；兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學參數出現異常；局部混凝土聲速出現低于低限值異常。樁身有明顯缺陷，對樁身結構承載力有影響 某一檢測剖面連續(xù)多個測點的聲學參數出現明顯異常；兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學參數出現明顯異常；樁身混凝土聲速出現普遍低于低限值異?；驘o法檢測首波或聲波接收信號嚴重畸變。樁身存在嚴重缺陷第47頁/共76頁常見缺陷性質與聲學參數的關系常見缺陷性質與聲學參數的關系 沉渣：沉渣是松散介質，其本身聲速很低，對聲波的衰減也相當劇烈，所以凡遇到沉渣，必然是聲速和振幅均劇烈下降。通常在樁底出現這種情況多屬沉渣所引起。 夾泥：這類缺陷多由澆注導管提升不當造成，若在樁

25、身就是斷樁；若在樁頂就是樁頂標高不夠。其特點也是聲速和振幅均明顯下降。只不過出現在樁身時往往是突變，在樁頂是緩變。若樁頂緩變低到某一界限（可根據波速值確定這一界限），其以上部位應截樁，根據應截樁的標高可判定樁頂標高是否夠。 第48頁/共76頁混凝土被洗漿：若是挖孔樁出現各斷面均測值異常的層狀缺陷，則往往是施工中的事故引起的疏松層或樁孔中沁水控制不好或混凝土澆注后泌水過大所致?？妆谔蚰鄨F：聲速與振幅均下降，但下降多少則視缺陷情況而定。如果是局部的泥團，并未包裹聲測管，則下降的程度并不很大；如果泥團包裹聲測管，則下降程度較大，特別是振幅的下降更為劇烈。一根聲測管被泥團包裹將影響兩個測試面。通過斜測可以分辨這些情況。 第49頁/共76頁混凝土離析：灌注樁容易發(fā)生混凝土離析，造成樁身某處粗骨料大量堆積，而相鄰部位漿多骨料少的情況。粗骨料多的地方，由于粗骨料多，而粗骨料本身波速高，往往造成這些部位聲速值并不