基桩检测声波透射法培训教程交通厅.ppt

声波透射法测桩培训教程,南京水利科学研究院2009.2,目 录1 声学基础2 仪器设备3 现场测试4 室内分析 5 工程实例,声波透射法检测灌注桩质量声学基础篇,混凝土超声检测技术因其用途广泛、探测距离大、完全不破坏结构物等优点，迅速在国内外普及推广，成为应用最广泛的混凝土无破损检测方法。应用情况国外始于上世纪40年代后期；国内始于上世纪50年代中期，1980年代用于桩基检测，掀起了新一轮应用高潮。,1.1.1 混凝土超声波检测技术的发展,1.1.2 超声波测桩技术规范,建设部标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T 93-95）中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS 21:2000）国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）建设部标准建筑基桩检测技术规范（JGJ 106-2003）交通部标准公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004）,声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动。接收换能器接收到的由声源传过来的声波，是该点在声波作用下的振动过程。振动大小和方向随时间而变化的过程曲线称为波形。超声仪屏幕上的图线就是传播到接收换能器所在位置的声波的波形。,1.2.1 超声波波形,周期T 相位相同的相邻的波之间所经历的时间。频率f 周期的倒数，Hz。混凝土超声检测使用频率20200kHz。振幅A 波动的幅度，表征波的强弱，以屏幕上波高度的毫米数、输出电压值或分贝（dB）表示。波长 声波波动一次所传播的距离。波速v 单位时间波传播的距离，m/s。,1.2.2 波形参数,波长、频率、波速间关系,1.2.2 波形参数,纵波(P波)介质质点的振动方向与波的传播方向一致。,1.3 波的分类,纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体、液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，纵波可以在任何固体、液体、气体中传播。,1.3 波的分类,横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应力变化而传播，和介质切变弹性有关。由于液体、气体无一定形状，其形状发生变化时不产生切变应力，所以液体、气体不能传播横波,横波只能在固固体中传播。,横波(S波)介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。,表面波 沿固体表面传播的波，它是由纵波和横波组合而成，又称瑞利波，R波。通常的超声换能器置于混凝土表面发射时，振动状况复杂，既有纵向振动又有横向振动，发射出的超声波既有纵波,也有横波和表面波。,1.3 波的分类,同一种类型的波，在同一种介质中，边界条件不同，传播速度也不同。,无限大或半无限大介质中纵波速度,薄板中（板厚远小于波长）纵波速度,细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波速度,1.4 声波在介质中的传播速度,1.4 声波在介质中的传播速度,无限介质中横波速度,固体表面传播的表面波速度,1.4 声波在介质中的传播速度,混凝土,因此,1.4 声波在介质中的传播速度,桩基检测时，声波透射法及低应变反射波法测得的波速为什么不同？,1.5 声波在介质界面的反射和折射,声波在传播过程中，由一种介质到达另一种介质，在两种介质的分界面（界面）上，声波会发生方向和能量的变化：一部分声波被反射回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波透过界面在另一种介质中继续传播，称为折射波。,反射系数与透射系数的大小取决于两种介质的声学特性，具体来说取决于介质的特性阻抗Z。特性阻抗Z表征介质的声学特性，其值为介质的密度和波速的乘积，即Z=v,1.5 声波在介质界面的反射和折射,R+T=1，符合能量守恒定律；Z1=Z2时，R=0，T=1，即当两种介质特性阻抗相等时，声波全部透过界面，无反射；两种介质特性阻抗相差悬殊时（Z1 Z2或Z1 Z2），R1，T0，即声波能量在界面绝大部分被反射，难于进入第二种介质。,1.5 声波在介质界面的反射和折射,？为什么换能器和被测体之间需要耦合介质（黄油、水等）？超声波为什么可以探测裂缝！钢、混凝土一类固体介质特性阻抗较大，液体一类介质次之，空气的特性阻抗最小，因此，在空气与固体介质界面上，声波很难通过，绝大部分被反射。,1.5 声波在介质界面的反射和折射,1.6 声波在传播过程的衰减,声波在介质中传播过程中，其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。声波在任何介质中传播都有衰减存在。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构及性能。,1.6.1 固体材料中声波衰减的原因,声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收衰减，以吸收衰减系数表征。吸收衰减系数与声波频率的1次方、2次方成正比。,1.吸收衰减,1.6.1 固体材料中声波衰减的原因,介质中存在颗粒状结构而导致的声波衰减。一方面是因为其中大的颗粒（粗骨料）构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面是微小颗粒在相应频率的超声波作用下产生共振现象，本身成为新的振源，向四周发射声波，使声波能量的扩散达到最大。当颗粒的尺寸远小于波长时，散射衰减系数与频率的4次方成正比。,2.散射衰减,1.6.1 固体材料中声波衰减的原因,3.扩散衰减 超声波束都有一定的扩散角。波束扩散使得声波能量逐渐分散，单位面积的能量随传播距离增加而减弱。混凝土无损检测采用低频超声波，扩散角很大。当超声波传播一定距离后，超声波已近于球面波。远离声源的球面波的声压与至声源的距离r成反比，即r愈大，声压愈小。扩散衰减的大小仅取决于声发射器的扩散性能及波的几何形状而与传播介质的性质无关。测量时选取相同距离，使扩散衰减成为一恒量，以便相对比较。,1.6.2 声波衰减的表示,以p代表某声压，p0代表比较基础的基准声压，则声压比为p/p0,振幅比A/A0以分贝表示,10100100100000倍,20dB+40dB+40dBl00dB,声学中以分贝(dB)表示两个量纲相同的量的比。,1.7 混凝土超声检测中应用的超声波,脉冲超声波是复频波 由许多不同频率的余弦波组成。其固有的主频率就是换能器上的标称频率。频漂 由于声波的衰减与频率有关，频率越高,衰减越大，脉冲超声波传播时由于衰减将引起主频率向低频侧的漂移。,重复间断发射 发射换能器发出的超声波不是连续不断的，而是以一定重复频率(100Hz或50Hz)间断地发射出一组组超声脉冲波。,声波透射法检测灌注桩质量仪器设备篇,上世纪50年代，进口仪器（英国产UCT/2型），电子管式仪器。1964年同济大学研制出我国第一台超声仪CTS-10型。70年代后期天津建筑仪器厂SC-2型超声仪湘潭无线电厂SYC-2型，用于岩体声波参数试验。CTS-25型，同济大学研制，后经汕头超声电子仪器研究所修改定型生产，汕头超声电子仪器公司生产。,2.1.1 超声仪的发展,模拟式超声仪是将接收放大后的信号（模拟信号）直接送到显示系统，以示波器直接显示。每当出现一个同步信号，仪器就发射、扫描、计时、显示一次，然后等待下一次同步信号的触发。同步信号即频率为100Hz或50Hz，每秒钟出现100或50 帧扫描波形和声时显示。这样高的重复频率使得波形无闪烁。,2.1.2 模拟式超声仪,数字式超声仪,U-Sonic,NM-4B,ZBL-U510,CUT201,RS-UT01C,数字式超声仪,数字式超声仪通过信号采集器采集信号，再将采集到的一系列离散信号转化为数字量（A/D转换），加以存储，再将采集并转换后的数字量再转化为模拟量（D/A转换）在屏幕上显示出来。早期研制的数字式超声仪单次（或数次）采集一个信号后即显示这个信号，即静态显示。近年来新研制的数字式超声仪已实现了多次循环采集和显示，重复的频率可到数十次每秒，可获得动态波形，称为动态显示。,数字式超声仪,数字式超声仪优点接收信号被转化为数字量，便于对信号（包括测试结果和整个波形）的存储和重现；信号为数字量，可方便地对信号进行各种后处理。目前常进行的是对信号作频谱分析；信号已变成不同幅值（电压）的离散量，根据信号幅值的前后变化情况可以判断出接收信号到达的起点，即实现用软件进行的声时和振幅自动判读。数字式超声仪以计算机为主体，许多测试规程规定的数据处理、计算均可编制成软件在仪器上运行，直接获得测试的初步结果。,全自动超声仪,通过手工或步进电机驱动同步提升发射和接收换能器，仪器每隔一定间距自动采集信号，读取声学参数，自动保存波形及 参数。,优点：效率高，定位准确。,换能器 应用超声波检测混凝土，首先要解决超声波的产生和接收，再进行测量。采用换能器产生和接收超声波。发射换能器 采用最方便的能量电能，将它转化为超声能量，即产生出超声波。接收换能器 当超声波在混凝土中传播后，为了度量超声波的各种声学参数，将超声能量转化为最容易量测的量电量。,换能器原理,压电效应,正压电效应 对某些不显电性的电介质施加压力，引起介质内部正负电荷中心发生相对位移而极化，导致介质两端上出现符号相反的束缚电荷。正压电效应被用来接收超声波。反压电效应 将具有压电效应的介质置于电场内，由于电场作用引起介质内部正负电荷中心发生位移，这位移在宏观上表现出产生了应变。反压电效应被用来发生超声波。,压电材料,天然晶体石英,换能器,换能器种类,夹心式换能器构造 1-配重块；2-压电片；3-辐射体,平面换能器,普通平面换能器构造1-压电陶瓷片；2-外壳；3-插座；4-弹簧；5-引出线；6-背衬（吸声块）7-铜片,径向换能器,增压式换能器构造1-压电陶瓷片；2-金属管；3-绝缘层；4-引出电缆,JF 圆环式径向换能器构造1-引出电缆；2-压电圆环；3-下锥体；4-扶正器；5-前置放大器,可靠性高，无时效、疲劳、过热、失效问题。,发射功率大、发射频率高，能量稳定、能量转换效率高，穿透距离远；,接收信号频带宽、重复性好、计时准确、余振短；机械强度高，大功率不会引起系统破坏；工作电压低，避免高电压击穿的危险；,超磁致发射换能器,声波透射法检测灌注桩质量现场测试篇,3.1.1 声波透射法测桩原理,声波透射法定义：在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土 介质中的传播时间、频率和波幅衰减等声学参数的变化，对桩身完整性进行检测的方法。,？充水，水的声阻抗,3.1.2 声波透射法测桩的优点,不受缺陷数量限制；,通过测量波速可估算桩身混凝土强度；,无盲区，可检测桩顶低强区和桩底沉渣厚度；,不受桩长、桩径限制，已测最大桩长110m，最大桩径 3.0m；,勿需开挖，声测管露出地面（或水面）即可检测。,检测细致，通过加密、斜测、CT扫描，检测可做到准确可靠；,第条规定：直径大于800mm的混凝土嵌岩桩应采用钻孔抽芯法或声波透射法检测，检测桩数不得少于总桩数的10%，每根柱下承台抽检桩数不得少于1根。,中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范Code for Design of Building Foundation GB50007-20022002 北京,3.2 超声波法测桩规范,中华人民共和国推荐性行业标准公路工程基桩动测技术规程Technical Specification of Dynamic Pile Tests for Highway EngineeringJTG/T F81-01-20042004 交通部,第条规定：超声波法适用于直径不小于800mm的混凝土灌注桩的完整性检测，包括跨孔透射法和单孔折射法。,3.2 超声波法测桩规范,10 声波透射法,中华人民共和国行业标准建筑基桩检测技术规范Technical Code for testing of Building Foundation PilesJGJ 106-2003J 256-20032003 北京,3.2 超声波法测桩规范,中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝土缺陷技 术 规 程Technical Specification for Inspection of Concrete Defects by Ultrasonic MethodCECS 21-20002000 北京,9 灌注桩混凝土缺陷检测,3.2 超声波法测桩规范,3.3 声测管的安装埋设,2)声测管尺寸声测管内径应比换能器外径大15mm，推荐用40、50、65号钢管,3.3 声测管的安装埋设,3)声测管的联结优先采用螺纹联结套筒联结，不得对焊,3.3 声测管的安装埋设,JGJ/T F81-01-2004：800mm D 1500mm，3根；D1500mm，4根。JGJ 106-2003：D800mm，2根；8002000mm，不少于4根。CECS21:2000：600 D2500mm，4根。,4)声测管数量及布置,管口加盖管底封闭管中灌水管子绑牢管间平行,5)声测管安装,3.3 声测管的安装埋设,管口高出桩顶300mm以上；埋设至桩底；牢固焊接或绑扎在钢筋笼的内侧。,3.4 对仪器设备的要求,对超声仪的要求：,1.应包括信号放大器、数据采集及处理存储器、径向振动换能器；2.具有一发双收功能；3.声波发射应采用高压阶跃脉冲或矩形脉冲，电压最大值不应小于1000V，且分档可调。,接收放大器的频带宽度为5200kHz，增益不应小于100dB，放大器的噪声有效值不大于2V；波幅测量范围不小于80dB，测量误差小于1dB。2.计时显示范围应大于2000s，精度优于0.5s，计时误差不应大于2%。3.采集器模-数转换精度不应低于8 bit，采样频率不应小于10MHz，最大采样长度不应小于32kB。,对接收放大与数据采集的要求：,3.4 对仪器设备的要求,对径向振动换能器的要求：,1.径向水平面无指向性；2.谐振频率宜大于25kHz；3.1MPa水压下能正常工作；4.收、发换能器的导线均应标注长度，标注允许偏差不应大于10mm；5.接收换能器宜带有前置放大器，频带宽度宜为560kHz；6.单孔检测采用一发双收换能器，发射换能器至接收换能器的最近距离不应小于30cm，两接收换能器的间距宜为20cm。,3.4 对仪器设备的要求,接受委托,3.5 检测工作程序,3.6 检测前的准备工作,1）被检桩的混凝土龄期应大于14d；2）声测管内应灌满清水，且保证通畅；3）标定超声波检测仪发射至接收的系统延迟时间t0；4）准确量测声测管的内、外径和两相邻声测管外壁间的距离，量测精度为1mm；5）取芯孔的垂直度误差不应大于0.5%，检测前应进行孔内清洗。,检测前的准备应符合下列规定：,检测前还应收集的信息：,1）了解灌注桩有关技术资料，包括地质资料、桩长、桩径、混凝土设计标号、龄期；灌注桩施工情况，有无异常等；2）记录桩底及桩顶的设计标高；3）测量声测管管口标高；4）绘出各声测管方位图。,3.6 检测前的准备工作,检测剖面的编号及检测次序,2根管1个剖面：1-2,3根管3个剖面：1-2、2-3、3-1,4根管6个剖面：1-3、2-4、1-2、2-3、3-4、4-1,声测管的布置以路线前进方向的顶点为起始点，按顺时针旋转方向进行编号和分组，每两根编为一组。,3.6 检测前的准备工作,JGJ/T F81-01-2004 规定：重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测桩数不少于50%。GB50007-2002 规定：直径大于800mm的混凝土嵌岩桩应采用钻孔抽芯法或声波透射法检测，检测桩数不得少于总桩数的10%，且每根柱下承台的抽检桩数不得少于1根。JGJ 106-2003 规定：声波透射法仅适用于在灌注桩成型过程中已经预埋了两根或两根以上声测管的基桩，抽检数量不得少于总桩数的10%。,抽检数量,3.6 检测前的准备工作,3.7 现场检测,(1)测点间距不宜大于250mm。发射与接收换能器应以相同标高同步升降，其累计相对高差不应大于20mm，并随时校正；(2)在对同一根桩的检测过程中，声波发射电压应保持不变；(3)对于声时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫描等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。,现场检测要求,声时，波速2）首波波幅,缺陷处声学参数特征,3.7 现场检测,3.7 现场检测,4)波的传播 路径复杂，各种波叠加造成波形畸变,3)接收波主频值,缺陷处声学参数特征,A,B,1.常规对测测点间距S250mm,2.局部加密对测S100mm,3.A高B低斜测S同加密对测,4.A低B高斜测S同加密对测,现场缺陷测试程序,3.7 现场检测,3.8 验证检测,对于声波透射法检测结果有争议时重新检测钻芯法验证静载试验,声波透射法检测灌注桩质量室内分析篇,4.1 声速计算,发、收换能器置于清水中的同一高度；中心间距从400mm开始逐次加大；,定幅测量不同间距下的声时，不少于5点；分别以纵、横轴表示间距和声时作图，声时横轴上的截距即为t0,4.1.1 回归法标定t0,4.1.2 长短测距法标定t0,4.1 声速计算,4.1.3 实际声时值计算,计算实际声时值时，应扣除两部分时间：1)声波检测系统延迟时间t0；2)声时修正值t/，包括两部分:,4.1 声速计算,a)超声波在声测管水中的传播时间tw；b)超声波在声测管管壁中的传播时间tt。,4.1 声速计算,vw=1483m/s,vt=5800m/s,4.1.4 透射法声速计算,t 两个接收换能器间声时差；t1近道接收换能器声时；t2远道接收换能器声时；vi 第i测点的声速值；h 两个接收换能器间距离。,4.1.5 单孔折射法声速计算,l30cm，h宜为20cm,4.1 声速计算,缺陷分析方法,异常测点判断概率法、PSD法,异常范围判断阴影重叠法,异常程度判断超声波CT,4.2.1 异常测点判断概率法,南京水利科学研究院罗骐先教授提出，现已编入各类超声检测规范。,基本构想如下：正常混凝土质量波动是偶然误差所引起，符合正态分布；缺陷是由过失误差（漏振、漏浆、架空等）引起，不符合正态分布；找出一批检测数据的临界值，低于临界值就是缺陷异常点。,4.2.1 异常测点判断概率法,步骤1 将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小依次排列,步骤2 逐一去掉vi序列中最小数值。当去掉最小数值的数据个数为k时，对余下的数据v1vn-k统计计算,4.2.1 异常测点判断概率法,对n-k个测点统计平均值、标准差,测点数不少于20个,4.2.1 异常测点判断概率法,步骤3 将vn-k与异常判断值vD比较，当vn-k vD时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k，对数据v1vn-k-1重复步骤1、步骤2，直到vi序列中余下的全部数据满足,JGJ106-2003按波速从小往大依次计算,JGJ/T F81-01-2004及 CECS21:2000舍弃明显的波速异常值后试算,4.2.1 异常测点判断概率法,4.2.1 异常测点判断概率法,步骤1,假设 t16、t20可疑，对t1 t15统计：n=15，=109.9，=1.71，=109.9+21.71=113.3t15tD说明t15为正常值。同样计算得到t16也为正常值。,4.2.1 异常测点判断概率法,步骤2,结论,对t1 t17统计：n=17，=110.27，=2.00=110.27+22.00=114.27t17tD说明t17为异常值。,4.2.2 异常测点判断PSD法,湖南大学吴慧敏教授提出PSD：声参数-深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积（Product of Slope and Difference）,单位：cm?m?,当检测剖面n个测点的波速值普遍偏低且离散性很小，采用波速低限值判据,vL波速低限值，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,波速低限值判据,4.2.4 声测管管距问题及修正,规范要求声测管平行，实际上很难做到。极限状况下两根声测管靠到一起。管口测量值并不能代表每一深度的实际管距。,计算出的声速波动很大，无法用概率法统计。PSD可削减管距变化的干扰。,有时会出现误判，有时掩盖缺陷。,4.2.4 声测管管距问题及修正,4.2.5 用振幅判断缺陷,将所有相交的缺陷阴影区进行叠加，其交叉重叠所围成的区域，称为缺陷阴影区，即为缺陷的范围。,阴影重叠法原理,A,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,声测管周围局部缺陷,实际缺陷,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,声测管之间局部缺陷,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,缩颈缺陷,4.3 缺陷区域判断阴影重叠法,4.3阴影重叠法,4.4.1 缺陷性质的判断,1.桩底沉渣 声速低，波幅衰减严重；,2.层状缺陷 声速与波幅明显下降，桩身则为断桩，桩头则超高不够；,3.孔壁坍塌或泥团 若包裹声测管则波幅衰减严重，斜测可分辨。,4.孔壁坍塌或泥团 若包裹声测管则波幅衰减严重，斜测可分辨。,5.蜂窝 声速下降不大，波幅明显衰减。,4.4.2 桩身完整性评价JTG/T F81-01-2004,4.4.3 桩身完整性评价JGJ106-2003,4.5.1 检测报告内容通用部分,委托方名称，工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理和施工单位，基础，结构型式，层数，设计要求，检测目的，检测依据，检测数量，检测日期；地质条件描述，包括土层分布及物理力学指标；受检桩的桩号、桩位和相关施工记录；检测方法，检测仪器设备，检测过程叙述；受检桩检测数据，实测与计算分析曲线、表格和汇总结果；与检测内容相应的检测结论；检测中异常情况的说明，检测机构认为有必要说明的问题。,4.5.2 检测报告内容,除超声波法单桩检测报告单中的内容外，检测报告还应包括：,受检桩各声测剖面声速深度曲线、波幅深度曲线，并将相应判据临界值所对应的标志线绘制于同一坐标系；2)当采用PSD值进行辅助分析判定时，绘制PSD曲线；3)桩缺陷位置及程度的分析说明。,4.5.3 检测报告示例,超声波法检测结果汇总表,工程名称：,检测人：审核人：,4.5.3 检测报告示例,超声波法单桩检测报告单,提交报告时间：年 月 日,4.5.4 报告签章,检测、分析、校核、审批人员（技术负责人）签名；加盖机构报告专用章（包括骑缝章）；加盖计量认证章（CMA章）,N 测线数目；m 单元数目；Li第i条测线长度；i 测线沿Li的走时；Vj(x,y)单元 j的波速；aij 测线i在网格 j中的长度；fj(x,y)单元j的慢度，亦即波速的倒数。,由 Randon 变换(1)假设单元足够小，fj(x,y)可以看作常量(2)或者写成(3),4.6 超声波CT简介,迭代类算法：代数重建技术（ART）；最优化准则和联合迭代技术（SIRT）。,最小二乘类算法：最小二乘法QR分解法（LSQR）；共轭梯度法（CGLS）。,4.6 超声波CT简介,4.6 超声波CT简介,4.6 超声波CT简介,4.6 超声波CT简介,声波透射法检测灌注桩质量工程实例篇,5.1 特大桥灌注桩1,桩顶以下42m附近为低强区，芯样试压结果为10MPa以下，与超声推算强度一致。,5.2 特大桥灌注桩2,桩头以下15m处超声波信号异常。后钻芯取样，发现芯样不完整，局部芯样破碎，该处混凝土不密实。,超声波测桩现场,5.3 大桥灌注桩1,5.4 大桥灌注桩2,桩头以下2m左右超声波信号异常，开挖发现钢筋笼严重偏斜，局部区域（高80宽55深25cm）钢筋外露、夹泥。,5.5 高层建筑灌注桩,桩顶以下8.5m附近混凝土严重不密实，芯样不成形,5.5 高层建筑灌注桩,王五平单位：南京水利科学研究院电话：E-mail：,欢迎提出宝贵意见！,