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1、声波透射法测桩培训经典指导教程 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 T93 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 CECS21 2000 国家标准 建筑地基基础设计
2、规范 GB50007 2002 建设部标准 建筑基桩检测技术规范 JGJ106 2003 交通部标准 公路工程基桩动测技术规程 JTG TF81 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20 200kHz 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
3、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
4、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
5、传播速度 混凝土 0 2 0 3 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
6、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 R 1 T 0 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
7、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
8、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
9、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 10 100 100 100000倍 20dB 40dB 40dB l00dB 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
10、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
11、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 2 1 3数字式超声仪 U Sonic NM 4B ZBL U510 CUT201 RS UT01C 2 1 3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 2 1 3数字式超声仪 数字式超声仪
12、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 2 1 4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
13、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 2 2 1换能器原理 2 2 2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 2 2 3压电材料 天然晶体
14、石英 换能器 2 2 4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 2 2 4 1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 2 2 4 2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
15、避免高电压击穿的危险 2 2 5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10 1 7条规定 直径大于80
16、0mm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CodeforDesignofBuildingFoundationGB50007 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TechnicalSpecificationofDynamicPileTestsforHighwayEngineeringJTG TF81 01 20042004交通部 第6 1 1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TechnicalCodefortestingofBuildingFoundationPilesJGJ106 2003J256 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TechnicalSpecificationforInspection
