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1、超声波在公路质量检测中的应用、尸、 亠前言随着我国基础建设的迅速发展，桩基础已成为桥梁工程最常用的基础形式。由于其 成桩质量受地质条件、成桩工艺、机械设备、施工人员、管理水平等诸多因素的影响， 较易产生夹泥、断裂、缩颈、砼离析、桩底沉渣较厚及桩顶砼密实度较差等质量缺陷， 危及主体结构的正常使用与安全，甚至引发工程质量事故。因此如何测定缺陷的位置， 并准确地对其进行评价成为基桩质量检测的一个核心问题。上个世纪 70 年代起，超声波作为一种混凝土无损检测新技术引入建筑工程、 岩土工 程的质量检测以及钢筋、混凝土等结构探伤。最初，超声波主要用于评价水泥混凝土或 钢筋混凝土材料的施工质量。近年来，随着
2、公路、桥梁、隧道等结构物的大量建设，超 声波以无破损、易操作、速度快等特点在公路质昔检测中得到极为广泛的应用。随着国家西部开发战略的使用， 作为重要基础建设的公路对保证其顺利进行越发显 得重要。而在西部建设公路交通主骨架，首先面临的就是公路隧道建设，和铁路隧道相 比，公路隧道的要求更多、更具体，伴随着大量的公路隧道的建成通车，传统检测办法 还能不能进行隧道结构检测就成了新的话题。如对隧道中的衬体混凝土进行强度检测 时，若按照传统的破损检测办法进行，会对隧道结构造成不可挽回的破坏；同时也无法 保证评价所需的最小样本数量， 表明传统的破损检测办法已无法用于隧道衬体强度的检 测中。超声波在作为一项公
3、路质量检测方法主要用于桥梁桩基础成孔质量、桩身、昆凝土 完整性检测，水泥路面厚度、施工质量检测以及面层隐含裂隙的探测，隧道开挖过程中 松动圈的探测、衬砌混凝土质量检测。论文主要介绍超声波原理及其在桥梁桩基、隧道 施工中的应用。1 超声波法的基本原理1.1 声波测试基本介绍众所周知，混凝土的力学性质和声波在其中传播规律有着密切的联系，这是声波探 测力学参数测定问题的物理前提。声波测试是弹性波测试方法中的一种，其理论基础建 立在固体介质中弹性波的传播理论上。该方法是以人工激振的方法向介质（混凝土构筑 物）发射声波，在一定的空间距离上接受介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声 波在不同介质中的传播
4、速度、振幅、频率等声学参数，解决工程中的相关问题。采用此 方法进行测定，最大的优点是简便、快速、经济、便于重复测试，而且对测试物体无破 损等优点。1.2 基本原理超声波法检测的基本原理是 :由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波， 并用高 精度的接收系统记录该脉冲波在砼内传播过程中表现的波动特征； 当砼内存在不连续或 破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收 到的透射能量明显降低；当砼内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射 和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特征、 频率变化及波形畸变程度等特性， 可以获得测区范围内砼的密实度参数。测试及
5、记录不同侧面、不同高度上的超声波动特 征，经过处理分析就能判别测区内砼内部存在缺陷的性质、大小及空间位置，并对砼总 体的均质性和完整性的作出评价。1.3 超声波的检测在基桩施工前，依桩径大小预埋一定数量的声测管 （一般采用钢管或镀锌管，底端 封闭、顶端加盖），作为换能器的通道。 测试时每2根声测管为一组， 声测管内注满清水， 通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的换能器发射出去，在另一根声测管中的 换能器接收信号， 测定有关参数并采集记录储存。 发、收换能器同步向上提升进行检测，遇到异常时可采用水平加密、等差同步和扇形扫测等方法加密细测频率发生器T功率放大器 T压电换能器（发射）I分析器J
6、信号接收器材J压电换能器（接收）记录打印图1.3-1检测装置示意图声波是压缩波，即介质振动方向与波的传播方向一致。声波的波速取决于介质的性质。越致密，则波速越高VCC-R1U1 B3 874LSO474LSO4165 UIC.74LSO4R2 |/10 UIE1 Ki图1.3-2超声波发射电路图超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C与U1E并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极（T1的1脚）;另一路经两级反相器（U1D 为第一级，U1B和U1A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个
7、电极 （T1的2脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2 方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。o!1】“门1 L 10n.,.2i lII33.3 p 1V25V+ 4vccl 0.05 m F2OOk O3.3 u !330pFARM 1QK； 1GPHOex2O1O6A1 I KIGNDFOOUTvccVCCI vcc图1.3.3超声波接收电路图超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 的专业芯片, 常用于电视机
8、红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试 的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲， 这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。声波在传输过程中，能量会衰减，遇到“界面”时会折射和反射。声波的衰减主要 由于传递介质的吸收，以及介质内散射以及扩散作用引起。由此可知，当声波检测作用 于桩的质量时，桩身材料的特性就影响到声速传播。可归纳为：a材料越密实，波速越高，材料强度越高；反之，则越低。b材料越均匀，传播时能量的衰减少，由空洞或不连续时，波速衰减厉害。2超声波法在桥梁桩基质量检测中的应用2.1桩基检测介绍2超声检测
9、实质是振动（或波动）检测的一种，它是用一组的声波频率范围的波的输入桩身，并接收透射和反射后的波，进行分辨，判定桩身质量。声波有很多种：a次声波段频率f 12*1010 Hz听不见桩基础多在地表以下，属于隐蔽工程，对其施工质量的检测、缺陷类型和位置的判 断没有上部结易于检查和发现，这也导致基础存在隐患的一个直接原因。因此工程建设 中对桩基础质量检测要求较为严格。图2.1-1灌注桩成孔质量检测原理示意图超声波法检测灌注成孑L质量包括桩孑L的垂直度和断面形式两部分。检测时，发射传感器发出的超声波遇到孑L壁产生反射，由接收传感器接收反射信号和相应的时间差t，据此可计算得到传感器到孑L壁的距离S：S （
10、 2.1-1）2t式中V表示超声波的传播速度。传感器沿孔中心线垂直提升，连续采集反射信号便 可得到桩孔的形状。2.2声测管声测管是进行声测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要 组成部分，其在桩内的预埋方式及在桩横截面上的布置形式将直接影响检测结果。因此,应将声测管的布置和埋置方式标入检测桩的设计图纸，声测管的埋置数量及在桩横截面上的布局应考虑检测的控制面积。在实测中常遇到声测管堵塞或卡住探头的情况，这是由声测管安装不当造成的。声 测管一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接，保证 在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁保持平整，安装完后封闭管口。声测管
11、安装不平行也是常见问题，由于在施工中钢筋笼容易出现扭曲变形而导致声 测管位移甚大，因而导致检测的声时值、均方差、离散系数、平均声速等产生偏离，可 采用PSD法判断来消除这些非缺陷因素的影响。 声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大 声波衰减和延长传播时间，给声波检测带来误差。因此，检测前应冲洗检测管并灌满清 水作为耦合剂8 o双管三管(c)管图2.2-1声测管埋设及声波透射示意图2.3 灌注桩成孔质量的检测2.3.1 影响声波传递因素 4 、 7 首先，钻孔灌注桩桩身混凝土是由多种材料组成的非均质非单相的多孔结构，在力 学特性上是一种粘弹塑性的凝聚体。 因此，混凝土内部有着较大的声阻抗差异并存 在
12、许多声学界面。超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实程度有直接 关系，对于原材料、 配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说， 声速高则混凝土密实， 相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波 只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或 声速降低。其次，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，超声脉冲波在混凝土中传播 时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中 频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中 高频成分明显减少。 再者经缺陷反射或绕过缺陷
13、传播的脉冲波信号与直达波信号之间存 在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。根据上述原理，可 以利用超声脉冲波在混凝土中传播时声学参数（声时、波幅、频率等）和波形的变化综 合分析、判别混凝土缺陷的位置和范围，或者估算缺陷的尺寸。2.3.2 桩身混泥土缺陷判断方法 概率法： 对同一根桩同一剖面的声速、波幅、主频值进行计算和异常值判别。当某一测点的 一个或多个声学参数被判为异常值时，即为存在缺陷的可疑点。 斜率法：用声时（ti）-深度（h）曲线相邻测点的斜率k和相邻两点声时差值t的乘积乙绘 制Z-h曲线，根据Z-h曲线的突变位置，并结合波幅值的变化情况，可判断存在缺陷的可疑点或
14、可疑的区域边界K= ( t ti i) /(di di i)Z=k* t=(t ti i )2/( di d 1)(232-1 )式中ti ti 1和di di 1分别代表相邻两点的声时差和深度差。根据可疑点的分布及数 值大小综合分析，可以判断缺陷的位置和范围，缺陷的性质应根据各声学参数的变化情 况及缺陷的位置和范围进行综合判断。2.4 灌注桩完整性检测2.4.1完整性检测方法、3目前检测灌注桩完整性的方法有低应变法、高应变法、超声波、放射性能量衰减法、 开挖检查法取芯检查法等。其中，超声波法检测精度高、无盲区，且不受桩长、桩径的 限制，因此在混凝土桩基检测中得到广泛应用。我国2004颁布的公路工程基桩动测技术规程明确要求：对一般工程，超声波法的检测数量不少于50 %，重要工程则要求100 %的检测率。超声波法检测桩基时，可采用水平同步、高差同步和扇形测法，见图2.4.1系列图c根据发射传感器与接收传感器的距离 s,发射接收信号的时间差确定这一部分混凝土的 波速v s，将实测波速与相应标号混凝土的标准波速进行比较即可反映检测断面的混t泥土质量。下面介绍三种测试方法。平测法图2.4.1-1 平测示意图斜测法扇形扫测法图241-2 斜测示意图图241-3 扇形扫测示意图某桩基施工时在桩身预埋了 3根声测管，需检测6个断面，其检测方法如下:图 2.4.1-4 超声波检桩示意
