論超聲脈沖法在路橋樁基檢測中的應用

劉蓓

【摘 要】:簡要介紹了超聲脈沖法的原理，提出了應用該法檢測路橋樁基以及路橋樁基質量的方法，并根據檢測經驗指出檢測過程中應注意的問題。

【關鍵詞】:超聲波；應用；路橋樁基工程；質量檢測

Abstract: This paper take a brief introduction to the principle of ultrasonic pulse method, put forward the application of the method for the detection of pile foundation in road and bridge as well as road and bridge pile foundation quality methods, and to detect the experience points detection process should pay attention to the problem.

Key words: ultrasonic; application; road and bridge pile foundation engineering; quality inspection

中圖分類號：TU2文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1．超聲脈沖法

波動是物質運動的一種形式，可分為機械波和電磁波2大類。機械波是由于機械振動在彈性介質中引起的波動過程，如水波、聲波等。聲波是彈性介質傳播的機械波。當聲波傳播到介質中某處時，該處原來不動的質點開始振動，因而具有動能，同時該處的介質產生形變而具有位能。聲波在介質中傳播時，能量是逐層傳播出去的。

人們所能聽到的聲波頻率范圍是20～2×104Hz，這叫可聞聲波。當聲波頻率超過2×104 Hz時，人耳就聽不到了，這種聲波就叫作超聲波。超聲波由于頻率高而具有較大的傳播能量。超聲波屬于機械波，它在介質中傳播時，也存在有透射、反射、散射、干涉、衰減等現象，而這些現象的出現，間接地反映了介質的結構和本質。所以接收透過介質的超聲波，并對其聲速、頻率、振幅等聲學參數進行分析，就可了解介質相關的結構信息，從而使超聲波用作金屬和路橋樁基等非金屬介質的質量檢測成為可能。為了避免連續波在介質中傳播時發生疊加、干涉現象，更直觀地從通過介質的超聲波聲學參數來分析被測介質的結構特性，超聲波探傷儀發射換能器就以一定的重復頻率（50 Hz或100Hz）間斷地發射出一組組超聲脈沖波。

超聲脈沖波不具有單一頻率，而是一組由不同頻率的余弦波組成的復頻波。超聲換能器上的標稱頻率只是其固有的主頻率。用超聲脈沖波檢測介質結構性能的方法被稱作超聲脈沖法。

2．超聲脈沖法用于路橋樁基質量檢測

路橋樁基是當代建筑工程中最主要的結構材料之一，由于路橋樁基通常是在工地進行配料、拌和、澆注、養護，其中一個環節稍有不慎都將影響其質量。而路橋樁基標準試件的抗壓強度對結構路橋樁基來說，畢竟是一種間接測定值，是路橋樁基在特定條件下的性能反映，當施工中某環節存在問題，試件的可信度降低或結構路橋樁基受外界因素侵蝕、損害時，就不能代表結構路橋樁基的真實狀態。

我國《路橋樁基強度檢驗評定標準》（GBJ107—87）中規定，當對路橋樁基試件強度的代表性有懷疑時，可用從結構中鉆取試樣或采用破損檢驗的方法，按照有關標準的規定來推定結構或構件中路橋樁基的強度。

早在30年代初，路橋樁基無損檢測方法開始被探索和研究，我國在這一領域的研究工作始于50年代中期，60年代初開始批量生產回彈儀，發展至今已使回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法、拔出法、超聲缺陷檢測法等主要無損檢測技術規范化。

和其它單一檢測路橋樁基強度的無損檢測方法相比，超聲脈沖法既可檢測路橋樁基的強度，也可檢測結構路橋樁基中的缺陷。

2．1 路橋樁基強度檢測

路橋樁基是由水泥石和骨料復合而成的彈塑性材料，組分和施工條件不同，都會影響路橋樁基的性質。采用一種普通的數學模型，嚴密地描述結構路橋樁基的強度是比較困難的。

超聲脈沖法檢測路橋樁基強度的基本依據，是根據超聲脈沖波在路橋樁基中的傳播速度與路橋樁基的彈性性質存在著密切關系，以及路橋樁基的彈性模量與其力學強度的內在聯系，建立超聲波聲速與路橋樁基抗壓強度之間的相互關系，應用超聲波探傷儀準確地測量超聲脈沖波通過一定長度的路橋樁基所需的聲時，計算出路橋樁基中的超聲波聲速，推定路橋樁基的強度。

超聲脈沖法測強以路橋樁基立方體試件28d齡期的抗壓強度為基準，把這種路橋樁基當作彈性體看待，而原材料品種、配合比、施工工藝等對檢測參數的影響，采用預先校正的方法建立超聲脈沖法測強的經驗公式加以消除。

通過測試大量不同配比及強度等級的路橋樁基的抗壓強度值和超聲波聲速，就可以根據數學模型建立超聲脈沖法測強曲線。應用超聲脈沖法檢測結構路橋樁基強度時，應根據骨料品種、用量、所處環境的溫度及濕度等因素對路橋樁基聲速的影響程度，對測強曲線重新校正。超聲波穿過分布有鋼筋的路橋樁基時，垂直于鋼筋的路橋樁基聲速可根據超聲波經過鋼筋的聲程與總聲程的比值進行修正。

2．2 路橋樁基缺陷檢測

對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的路橋樁基來說，路橋樁基越密實則聲速越高。路橋樁基中有空洞或裂縫時，超聲波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，再加上空氣的聲阻抗率遠低于路橋樁基的聲阻抗率，超聲波遇著蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時，便在缺陷表面發生反射和散射現象，聲能量被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，接收信號的聲速、波幅和頻率明顯降低。所以，可以根據路橋樁基中超聲波聲學參數測量值的相對變化來判斷所測路橋樁基中缺陷的位置和范圍。

超聲脈沖波的穿透力較強，尤其是用于檢測路橋樁基缺陷時，檢測設備較簡單，操作方便。1990年中國工程建設標準化協會頒布了《超聲法檢測路橋樁基缺陷技術規程》，以利于推廣應用。

水工結構路橋樁基具有體積大、施工期長、環境復雜等特點，施工過程中溫度控制措施不滿足設計要求時，路橋樁基中易出現裂縫。澆注過程中漏漿、漏振時，路橋樁基中會存在蜂窩、空洞。當澆注（碾壓）層面間處理不當時，層與層之間的路橋樁基就不能較好地結合。超聲脈沖法不但可以檢測路橋樁基中裂縫、空洞、不均勻性這些缺陷，而且可以方便地檢測受侵蝕、凍融破壞的路橋樁基層厚度以及路橋樁基鉆孔灌注樁的連續性和均勻性。

2．2．1 路橋樁基裂縫檢測

當裂縫部位處只有一個路橋樁基表面可供檢測時，可采用平測法進行裂縫深度檢測。當結構路橋樁基的裂縫部位具有一對相互平行的表面時，可優先選用對穿斜測法。保持T—R換能器的連線通過縫和不通過縫時測試距離相等、傾斜角一致的情況下，逐層逐點讀取接收波的聲時、波幅和頻率值。當超聲波通過裂縫時，在裂縫界面上衰減，接收到的首波信號就很弱，聲時、波幅和頻率值與不過縫的測點相比較，存在著顯著差異。據此可判定裂縫的長度和深度。

2．2．2 表面損傷層檢測

當需要檢測路橋樁基結構物表面在物理、化學因素作用下損傷層的厚度時，可將超聲波發射換能器T置于檢測面上某點保持不動，再將接收換能器R以測距li= 100 mm、150 mm、200 mm等依次移動，并讀取相應的聲時值。

當測距較大時，超聲波透過損傷層沿著未損傷的路橋樁基傳播，聲時中的大部分反映了未損傷路橋樁基的傳播速度。當測距達到某一測距時，沿損傷層傳播的脈沖波與經過兩次穿透損傷層沿未損傷路橋樁基中傳播的脈沖波同時到達接收換能器。

2．2．3 其它缺陷檢測

路橋樁基中的蜂窩、空洞以及結合面處的缺陷，可將其視為“裂縫”，按2．2．1中的對穿斜測法檢測出缺陷的位置和尺寸。路橋樁基鉆孔灌注樁施工時在樁內預埋聲測管后，通過分析在聲測管中移動的超聲波探頭所接收到的脈沖波的聲時、波幅和頻率的變化，可判斷出樁體的均勻性和連續性，并結合聲速檢測樁體路橋樁基的強度。

3．結論

根據超聲脈沖法在路橋樁基工程質量檢測中應用的原理和結果，可得出以下結論。

（1）超聲脈沖法用于檢測對接鋼焊縫質量及鋼管壁厚，不但方便可行，而且經濟可靠。

（2）超聲脈沖法不但可檢測結構路橋樁基的強度，而且可定量地檢測路橋樁基中缺陷的位置和尺寸。

（3）隨著路橋樁基強度理論和計算機技術的不斷發展以及超聲檢測技術的不斷完善，超聲脈沖法檢測路橋樁基工程質量的能力會越來越強，應用范圍越來越廣。