超声波对模具钻孔试验研究

提要：本文提出了一种准确判定缺陷性质、位置和大小的较合理的检测方法，并对国家规程中三种缺陷判定方法逐一进行分析，指出判断时应注意的问题，最后提出了自己新研制的综合判定方法。

关键词：超声波对模具钻孔  超声波  声参量  缺陷

 

前言

随着近几年公路工程建设的不断发展，尤其是高速公路的飞速发展，河南省超声波对模具钻孔据粗略统计每年都在6000根以上。鉴于超声波对模具钻孔大都采用水下灌注，看不见，摸不着，加之地质复杂，施工单位的施工工艺和经验不同，出现了许多事故。1983年，由河南省交通厅公路管理局与湖南大学在参考法国同类桩基检测基础上，运用超声脉冲技术共同研制成功的一种新的检测桩基质量的方法即埋管法（或声波透射法），为我国无损检测开辟了新领域。该方法是超声波对模具钻孔非检测方法中的一种，因其机理明确、设备简单、使用方便、检测准确可靠，能非性地检测超声波对模具钻孔完整性、均匀性，因而被广泛应用于公路、水利、建筑、铁路等领域。该方法现也被列入中华人民共和国《基桩低应变动力检测规程》并作为一种典型的方法由河南逐步推向全国。超声波法的研制成功，填补了我国无损检测领域的一项空白。现根据多年来从事超声波检测的经验和体会，对超声波检测方法和缺陷判断方面进行总结，供同行参考。

 

一、超声波法的测试

超声波法的测试原理：由仪器中的脉冲信号

发生器发出一系列周期性电脉冲，并加在发射换

能器的极板上而产生超声脉冲，超声脉冲这被测

桩体，并被接收换能器所接收（图1），声波信号

重新转变成电信号，仪器显示出超声脉冲穿过被

测介质时的各种物理量如声波传播时间t、能量

的损失A、频率f的变化和波形畸变等。由于声

波穿过不同的介质时，这些物理量均不同，因此

可根据这上结物理量与介质性质之间的关系判断

桩身中混凝土质量的变异及内部缺陷的性质、大

小和位置。

 

 

二  测试方法

1．粗测：粗测一般为平测（图2）。平测是将两探头放置在声测管同一水平高度（声测管中应事先注满清水，作为接触良好的介物），以声测管管平面为基准首先把探头入置在离声测管管平面最近的好的混凝土中，此时屏幕上应出现正常波形即正弦波（或余弦波），调整衰减倍数，使接收波首波幅值达到屏幕刻度的3～4格，等波形稳定后，方可进行数据采集，测出声时和首波幅值。探头每次放下0.5米，直至测至管底。目前，大多数超声波对模具钻孔预埋三根声测管，需测三个测面才能包络基桩的主要部分，该桩才算检测完整。用桩基数据处理软件自动进行数据处理，再由有经验的检测工程师对桩基完整性进行判读，并得出判断结论。若无问题，则该桩测试完毕，判读若有异常，则须对异常位置进行细测。值得注意的是，桩基检测混凝土品质是个相对比较的过程，各种声参量只有在同条件下才有可比性，才能正确判断出缺陷严重程度，所以在检测时均应固定发射电压、固定衰减、固定换能器。又由于换能器长度较短，超声波能达到的声场有限，50cm或40cm（规范上规定的测点间距，是由实验的有效声场包络范围所制定的）一个测点，难免会出现漏测部分，所以放探头时应往下移，此时，检测人员应注意观察波形变化，遇有波形畸变，波幅衰减较大，应随时记录在案，以便复测。另外值得注意的是，目前在桩基缺陷判断时，提倡采用多参数（声时、幅值、频率、波形）综合判断法，要想方便地采集到所有的声参量，必须采用智能型声波仪。所以，有条件的话，应尽可能采用智能型超声波检测仪。在声参数中，幅值对缺陷是最敏感的，当声测管倾斜严重时，当声波绕过一个小缺陷而声速变化不大时，你会感觉到该参数的重要性。还需指出的是，桩基检测时，会出现探头不在管中心或探头贴住管壁或探头旋转一定角度的现象，对幅值读数产生影响，所以探头应选压电式并带定位器的径向柱状探头。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.细测：细测是在粗测的基础上对声波参数异常，怀疑有缺陷的部位进行加密平测和增加斜测和交叉控制。所谓加密平侧（图3）是指两探头仍在同一水平面上，只是将探头每次下放的距离缩小至20cm一测。根据经验，对于桩径在1m，探头频率40KC，声波从发射到接收其声场所达到的水平和垂直方向的最大距离约20cm。测试时若相邻测点距离较小如5cm、10cm，那么测试数据较多，缺陷重叠。若相邻测点距离较大如30cm、40 cm，则易产生漏判。20cm一个测点比较合理，建议采用。所谓加密斜测（图4）是指检测之前使两探头不在同一高度即错位法。两探头每次机时下放的距离也应缩小至20cm一测。最后用细测软件进行数据处理，进一步对缺陷范围，性质和大小进行定位判断。那么两探头中到中之间的错位高度究竟多少为合适呢？这里应掌握一个原则：在好的混凝土中，固定发射电压、固定探头、固定衰减后，只要声波接收信号强，首波幅度满足测试要求，错位高度越大越好。根据经验，建议采用60～100cm错位高度。

实例：河南省某高速公路三标某桥2－1＃桩。桩径1.5m，桩长23m，示号20＃，埋置三根声测管，管距（中到中）依次为L12＝98cm、L13＝92cm、L23＝95cm。灌注完毕7天以后进行超声波检测。使用北京市政研究所NM－3A智能型超声仪，探头用扬州超声仪器设备厂生产的40KC径向柱状探头。

首先粗测：按前面所述粗测方法（以声测管

管平面为基准向下计算深度）依次对1＃－2＃管、

1＃－3＃管、2＃－3＃管检测（图5），经综合判

断，结果如下：

1＃－2＃管：混凝土良好，无缺陷。

1＃－3＃管：14～15m，夹泥砂。

2＃－3＃管：14～15.5m，夹泥砂。

初步判断上述缺陷是局部夹泥类缺陷。为进一

步判定缺陷上、下限和局部缺陷占桩横截面的比例，

必须进行细测。

细测：两探头错位高度60cm，相邻测点间距20cm。注意：初测深度从13m开始至16m结束即可。探头放置过程中一定要按刻度（20cm）准确往下放，否则影响判定结果。

1＃～2＃管：先加密平测（图3）。两管同时放13m。

加密斜测（图4）。1＃管放置13m，2＃管入置13.6m。

20cm一测，测至16m（以1＃管为准）结束。

再斜测。1＃管放置13m，2＃管放置12.4m。20cm一测，测至16m（以1＃管为准）结束。

同理，检测1＃～3＃管（以1＃管为准）。

检测2＃～3＃管（以2＃管为准）。

整桩检测完后，为了对缺陷的位置、大小进行判定，以声测管作为横坐标，深度作为纵坐标。 按以下方法进行分析（图6），按比例绘图，黑阴影线为有缺陷的点。

整桩检测结果：

3＃测管附近，14.2～15.0m之间，夹泥砂。缺陷面积约占桩基横截面积的48％。平面示意图（图7）。

钻孔验证：由于地下水位较高，该桩采用钻孔压浆法修补。其钻孔取结果如下（图8）。共钻5个孔：1、2、3、4、5。

单位：cm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三  缺陷判断

超声波对模具钻孔在施工中易产生的缺陷主要有以下几种：蜂窝、孔洞、扩径、缩径、离析、沙砾、夹层、泥砂夹层。如何定性、定量准确判断出各种缺陷性质、大小和范围，目前国家规范和行业标准中都没有可操作性强的方法和标准供大家使用。再有，究竟缺陷桩属第几类桩，是否需要处理，也没有相应的判断标准，所以仍须凭经验去判断。但中华人民共和国行业标准《基桩低应变动力检测规程》中为我们制定了三种判定桩身有无缺陷的方法：1、数值判断法。2、PSD判断法。3、波幅判断法，这无疑为我们声测人员在数据处理和缺陷判断方面提供了原理、理论和参数定性的判断依据。另外，还有多因素概率分析法等。

3．1  数值判断法

该方法是利用数理统计学原理，在保证声测管两两基本平行且管距基本相等的情况下，则声时平均值μt与声时2倍标准差σt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值，并按下列公式计算：

                     

式中     n――测点数；        

 tci――混凝土中第i测点声波传播时间；

μt――声时平均值；   

σt――声时标准差；

若某点的声时值ti＞μt＋2σt，则该点混凝土有缺陷。

应注意的是：该方法是建立在声测管基本平行、管距基本相等、混凝土均匀、数值符合正态分布的前提下，缺陷判定才比较准。但是，由于工程管理、施工水平和混凝土离散性大，声测管不平行且管距不等诸因素的影响，终使声时标准差σt偏大，导致缺陷易漏判。

3．2  PSD判据法

该方法是河南省公路管理局与湖南大学土木系于1983年为确保郑州黄河公路大桥桩基质量而研制成功的可定性、定量判断桩身质量的方法，1985年在洛阳通过交通部专家鉴定。PSD判据即声时－深度曲线相邻测点的斜率K与相邻两点声时差值Δt的乘积即K×Δt。

K=(ti-ti-1)/(hi-hi-1)

Δt=ti-ti-1

PSD=K×Δt=(ti-ti-1)2/(hi-hi-1)                            (1)

式中：  ti――第i测点的声时（μs）；   ti－1――第i-1测点的声时（μs）；

hi――第i测点的深度（m）；    hi-1――第i－1测点的深度（m）；

PSD对缺陷很敏感，在判据－深度曲线上可明显地反映出缺陷的位置及性质。当声测管不平行时，由于相邻测点声时差值变化不大，故PSD还可解决声测管倾斜问题。需要提醒大家的是，当遇低强且均匀的混凝土或相邻测点均在缺陷区时，由于声时值的变化也不大，在判据――深度曲线上反映不出缺陷，易漏判，需用波幅衰减、声速、波形畸变来综合判定。

3．3  波幅判断法

声波在穿过有缺陷的混凝土时，其声能要被衰减，声参量波幅会比声速对缺陷更敏感。中华人民共和国行业标准《基桩低应变动力检测规程》中规定可采用接收信号首波能量平均值的一半作为判断缺陷临界值的标准，公式如下：

式中：  ――平均幅值（dB）；――第i测点的幅值（dB）；n――测点数。

需指出的是，该判据利用了衰减对缺陷的敏感性。但为什么能量衰减一半正是判别缺陷有无的界限？这一点还缺乏理论依据和足够的工程验证资料，实际检测中也容易检测到能量衰减一半的值，但混凝土并无缺陷，这可能与混凝土本身是非均质材料，灌注过程中易产生小的蜂窝、孔洞有关，应谨慎使用。

3．4  多因素概率分析法（简称NFP）

该方法使用多因素，即声速V、频率F、波幅A。通过对整体的概率分析，获得一个综合判断值NFP来判断缺陷的方法。NFP值按下式计算：

式中：NFP（i）――第i点的判据值；

Vi，Fi，Ai――第i点的声速、频率、幅值的相对值，即声参数分别除以该桩各测点所对应声参数中最大值所得之商；

σ――以上述三个参数相对值之积为样本的标准差；

m――概率保证系数，它系根据与样本相拟合的夏里埃（Char Liar）概率密度函数及样本的偏相关系数、峰凸系数极其保证概率（如<0.01）所决定的。当NFP值＜1，表示该处有缺陷，其值越小，混凝土质量越差。NFP值＞1，则无缺陷，其值越大，混凝土质量越好。

前三种方法都有一共同特点：均使用一个声参数。众所周知，混凝土中存在缺陷，会使测试的声速、波幅、频率发生明显减小，三个声学参数单独用于缺陷判断，则各有其优点和局限性。如声时（或声速），相对其它两参数来说，受测试操作人员经验的影响较少，但对小缺陷反映不敏感。用频率值判别缺陷需要有较熟练的测试技术，否则容易出现测试误差。波幅对缺陷反映十分敏感，但受仪器、探头和基桩质量影响较大。综上所述，用单一的声学参数作为判断的依据，必然有较大的局限性。而多因数概率分析法（简称NFP法），把三种参数综合在一起，可较全面地反映缺陷的性质，但该方法把三种参数平均参与判定，没有考虑实际缺陷情况而应给某声参量以适当的权值，其判定缺陷性质略显偏颇。

近年来，河南省交通厅质监站在运用多参数对缺陷进行综合判断方面也进行了尝试，根据多年来的检测经验，在总结PSD法、声速V和首波幅度A变化的情况下，提出如下判断缺陷性质的方法。见下表。该方法进一步细化了PSD判据和首波幅值，不但解决了声测管倾斜造成地误判，而且在判断缺陷性质方面又前进了一步。该判别式在实际检测中也得到了很好的验证。

 

 

其中：L、S、N分别为水泥砂浆、砂砾夹层、泥砂夹层临界判据值（该值与管距、平均声速、测试间距、缺陷声速有关）。

结束语：如何运用多参数对桩基质量进行检测，从而准确判断出缺陷性质、位置和范围是我们检测人员努力研究的方向，本文在这方面进行了探讨，由于水平有限，不妥之处，请批评指正。