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聲波透射法測樁檢測技術(shù)培訓(xùn)課件

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聲波透射法測樁檢測技術(shù)
南京銘創(chuàng)測控科技有限公司
主講人：仇道剛

備注：1
基樁概述
基本原理
儀器設(shè)備
檢測技術(shù)及影響因素
數(shù)據(jù)分析與判定
工程實例

目      錄
內(nèi)容包括以下5個部分
備注：在“幻燈片放映”模式下，選擇箭頭訪問相應(yīng)鏈接。
備注：2
第一部分 基樁概述
PowerPoint 設(shè)計器根據(jù)幻燈片中的內(nèi)容，為演示文稿提供專業(yè)的設(shè)計建議。 
設(shè)計器是訂閱專屬功能。如果你有 Office 365 訂閱，下一張幻燈片會介紹如何在新的演示文稿中使用此功能。
樁基礎(chǔ)，主要基礎(chǔ)形式，地下隱蔽工程，承受建筑物的全部荷載并將其傳遞給地基，基樁質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到建筑物的安全。

樁身缺陷會引起基礎(chǔ)失穩(wěn)。必須在結(jié)構(gòu)施工前找出并處理缺陷樁。

備注：4
樁基分類
擠土樁
部分?jǐn)D土樁
非擠土樁
按成樁方法對土層影響分
木樁
混凝土樁
鋼樁
組合樁
按樁材分
按功能分
抗軸壓樁：摩擦樁、端承樁、端承摩擦樁
抗剪樁
抗拔樁
打入樁
就地灌注樁
靜壓樁
螺旋樁
噴粉樁或攪拌樁
按成樁工藝分
水下混凝土灌樁的灌注過程
灌注樁的成型
混凝土通過導(dǎo)管注入，頂托封口混凝土或砂漿，排出孔中的水，逐漸灌滿樁孔
b.干孔灌注
干孔混凝土灌注樁的灌注過程:混凝土通過導(dǎo)流管灌入，直至灌滿。
水下混凝土灌注樁的常見缺陷:

斷樁（全斷面夾泥或夾砂）
局部截面夾泥或頸縮
樁底沉渣
集中性氣孔
分散性泥團(tuán)及“蜂窩”狀缺陷
樁頭低強(qiáng)區(qū)

干孔灌注樁的常見缺陷: 
因地下水涌入而形成的混凝土層狀離析，嚴(yán)重時成斷樁。
混凝土局部嚴(yán)重離析。
樁底沉渣。
人為因素造成的質(zhì)量缺陷

總結(jié)缺陷成因
澆灌砼不連續(xù)，隔水層凝固，后結(jié)砼無法下灌，上拔導(dǎo)管，泥漿進(jìn)入形成斷樁； 若沖破隔水層，造成樁身局部低劣砼。
泥漿比重不當(dāng)，孔壁易坍塌
清孔不干凈，孔底沉渣太厚，影響樁端承載力發(fā)揮
砼和易性不好，易離析
導(dǎo)管連接處漏水，形成斷樁
成孔質(zhì)量不合格

成孔質(zhì)量不合格
例如：成孔垂直度不達(dá)標(biāo)，易造成鋼筋保護(hù)層缺失
第二部分 基本原理
對聲波的一般傳播規(guī)律掌握的不好；
不注重掌握施工過程的相關(guān)資料（如對灌注樁  的成孔、成樁工藝 及工藝過程、工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料等）；
缺少經(jīng)驗,多驗證，積累經(jīng)驗。
經(jīng)常看到從事聲波透射法檢測基樁完整性的同志，對測試聲參量的分析判斷，力不從心。出現(xiàn)這種局面的原因可歸納為：
（一）聲波的性質(zhì)       超聲波是一種機(jī)械波。也就是彈性介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點彈性振動引起的波動。分縱波，橫波，表面波。      混凝土聲波檢測主要應(yīng)用縱波，即質(zhì)點振動和傳播方向相同的一種波動形式（另一種是傳播方向與振動方向相垂直稱為橫波，暫不論述）。  縱波波速大于橫波 
聲學(xué)基礎(chǔ)
聲學(xué)理論要系統(tǒng)學(xué)的起來，內(nèi)容太多，但把它的一些重要的、結(jié)論性的內(nèi)容加以掌握和運用，還是可以解決問題的，現(xiàn)在就按這樣一個原則來論述
（二）聲波的傳播速度

由理論計算，可知無限體的縱波聲速VP如下式

（1）式中E 為彈性模量，Σ為泊松比，Ρ為密度。一般的混凝土密度大約在2400KG/M,泊松比約為0.23 左右，彈性模量約在3.84×104MPA 左右。
  灌注樁由于生產(chǎn)的特殊性，其縱波聲速：
  水下灌注的在4000M/S上下;
  干作業(yè)灌注的在4000－4500M/S。 
一般情況:
優(yōu)質(zhì)的、致密、堅硬的混凝土聲速高；
振搗不勻、疏松的、有缺陷的混凝土聲速低；
混凝土聲速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系比較復(fù)雜，國內(nèi)有關(guān)科研單位的研究結(jié)果表明，其影響因素與石子的材質(zhì)、粒徑、養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)；
在基樁完整性檢測中，用聲速直接確定混凝土強(qiáng)度是困難的，甚至是不科學(xué)的。
 
（三）聲波在灌注樁中的傳播及特點     假設(shè)：混凝土是勻質(zhì)性介質(zhì)    在均勻介質(zhì)中,聲波按著發(fā)射時的方向，一往無前的向前傳播。當(dāng)遇到介質(zhì)變化時，會發(fā)生聲波的折射、反射、繞射、疊加等現(xiàn)象
當(dāng)介質(zhì)不均勻，例如混凝土中存在一個夾層,如圖1中的2。當(dāng)縱波P由介質(zhì)1入射到夾層2時，在1－2的分界面處會產(chǎn)生折射縱波PP,夾層2內(nèi)的縱波PP傳播到另一個分界面2－1時，同樣要產(chǎn)生折射波PPP ,并進(jìn)入介質(zhì)1。
 產(chǎn)生上述折射的先決條件是：界面兩邊介質(zhì)的聲速C和介 質(zhì)的密度ρ的乘積不相等，這就是Snell定律。
圖 1 聲波的傳播
（1）聲波的折射─關(guān)于斯奈爾（SNELL）定律
（2）聲波的反射       當(dāng)混凝土不均勻，存在一個分界面（如二次澆灌面、振搗不均、漏振、完全沒有振搗、離析、夾泥、異物等與正常混凝土的分界面）如圖2，界面兩邊的聲速C與密度Ρ的乘積不相等時，入射的P波，在界面處產(chǎn)生反射波PP。（上層介質(zhì)1的聲速為C1，下層介質(zhì)的聲速為C2）同樣,根據(jù)SNELL 定律，可知入射角與反射角是相等的。
圖 2 聲波的反射
 （3）聲波的繞射—關(guān)于惠更斯原理     惠更斯原理說的是：彈性介質(zhì)中，在某一時刻T，聲波波前上的所有點，均可視為該時刻開始振動的新的點振源，各點振源產(chǎn)生新的球面波，這些球面波經(jīng)T +?T 后，波前的包絡(luò)迭加組合，形成新的球面波前，如此循環(huán)不已。 
圖3  聲波的繞射
（4）聲波的疊加─疊加定律    在聲波的傳播過程中，有時從不同路徑傳播的聲波先后到達(dá)接收點，如圖4中混凝土缺陷部位的繞射、折射、多次反射的聲波。這些不同路徑來的聲波脈沖，在接收點將按照到來的先后時間順序，疊加成新的脈沖聲波，這就是疊加定律。不同路徑到來的波，疊加的結(jié)果，會使接收波形復(fù)雜、畸變。 
圖4  聲波的疊加
（四）聲波波幅的衰減
 在混凝土中聲波波幅與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)關(guān)系是有一定規(guī)律的，故波幅成為可用的聲參量。
 聲波在傳播過程中，質(zhì)點振動的幅度，隨著傳播距離的延伸，而逐漸減小，也就是波幅的衰減，其規(guī)律如下：

衰減系數(shù)Α 與介質(zhì)的物理性能有關(guān)。
由此可見，聲波是按指數(shù)規(guī)律衰減的。
1.致密的混凝土衰減小；疏松的混凝土衰減大；
2.不均勻的混凝土衰減大；
3.有缺陷的混凝土，因繞射、折射、反射因素衰減大。

Am—— 發(fā)射點的波幅
      A —— 為傳播了L距離后接收點的波幅
      e —— 為自然對數(shù)的底
     α —— 為聲衰減系數(shù)
      L —— 傳播距離
聲波透射法檢測基樁完整性的優(yōu)點：
檢測細(xì)致，結(jié)果準(zhǔn)確可靠；
不受樁長、樁徑限制；
不需樁頂露出地面即可檢測，方便施工；
正因為如此，雖然該方法需要預(yù)埋聲測管，用較高，但仍然得到廣泛的采用，特別是橋梁、高層建筑的大型、特大型灌注樁的檢測。

1、不適合檢測水平裂縫、薄層狀缺陷；
2、聲測管外、樁徑里的區(qū)域無法檢測；
3、樁基是立體的，聲波透射法簡化成3個或者6個面來評定立體的樁；

聲波透射法檢測基樁完整性的缺點
規(guī) 范
目前，超聲法檢測灌注樁質(zhì)量的方法已列入許多檢測規(guī)范中。
作為全國性的規(guī)范有：
建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》JGJ 106-2014
中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21：2000
交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》   JTG/T 3512―2020 
鐵路系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TB 10218-2019鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程

第三部分 儀器設(shè)備
儀器的組成
1、主機(jī)
2、徑向換能器
3、管口輪
4、計數(shù)器
5、三腳架
1、主機(jī)發(fā)射高壓脈沖至發(fā)射換能器，發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換位聲能傳入被測結(jié)構(gòu)。2、接收換能器將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號被主機(jī)系統(tǒng)采集，聲波信號在傳播過程中攜帶了大量被測介質(zhì)的聲參量信息，由于聲參量與被測介質(zhì)的性質(zhì)具有一定的相關(guān)性，通過信號分析處理評價被測介質(zhì)的性能。

高壓脈沖發(fā)射
A/D轉(zhuǎn)換
顯示屏
系統(tǒng)總線
鍵盤
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
程控系統(tǒng)
直流高壓程控
打印機(jī)
專用
計算機(jī)系統(tǒng)
跟檢測有關(guān)的幾個重要參數(shù)：
1 、發(fā)射電壓：50v  250v  500v 1000v
2、 采樣周期：0.5us， 1us
3 、增 益  ：     信號放大的倍數(shù)
4 、聲 時 ：     聲波傳播的時間
5 、波 幅  ：     聲波傳播過程中能量的衰減情況

首波：接收的超聲波的第一個波谷(向下)或波峰(向上)。       是聲參量判讀的前提

首波及其判定
1、完整的接收波
 首波自動增大到一定幅度（1/4波形區(qū)），后續(xù)波削波。
 波形清晰。
 基線較干凈、平直。
2、不正常的波

延時過小

增益過小
零聲時
電延遲時間(儀器內(nèi)部電路及信號線)
電聲轉(zhuǎn)換時間(傳感器)
聲延遲時間
聲波在聲測管中傳播的時間
聲波在水中傳播的時間

零聲時t0的標(biāo)定方法:

時距曲線法：該部分在規(guī)范中已介紹
 t=t0+bl 記錄不少于4個點，t0為零時，b為斜率
直接對測法：一般認(rèn)為，只要將發(fā)射與接收傳感器直接耦合即可讀出t0。即當(dāng)測距為零時，聲時也應(yīng)當(dāng)為零。

舉例說明： 
 如樁徑為1.5M，埋設(shè)三根聲測管，聲測管管距為1.126M，取混凝土聲速為4500M/S。此時，聲波傳播時間約為250ΜS， 
   水中聲速V水＝1.5KM/S  
   鋼材中聲速V鋼＝5.8KM/S 
   換能器直徑D＝26MM 
   聲測管外徑Φ外＝60MM，內(nèi)徑Φ內(nèi)＝54MM

水平面無指向性。
鉛垂面指向性，它的輻射聲場實際是以換能器縱軸為回轉(zhuǎn)軸的一個回轉(zhuǎn)體。因此斜測角度要保證信號有良好的接收條件下，盡量選大的斜測角度。
徑向換能器
常用頻率50KHZ，波長8~10CM
計量

為保證基樁檢測數(shù)據(jù)的可靠性，和可追溯性，檢測所用的儀器必須送至省級法定計量檢測單位進(jìn)行檢定。證書在有效期內(nèi)。
第四部分 現(xiàn)場檢測技術(shù)方法及影響因素
現(xiàn)場檢測原理
聲測線遇到缺陷會引起聲參量的突變
為什么會突變？因為介質(zhì)發(fā)生了變化
具體表現(xiàn)為：
1、Psd突變
2、聲速突變
3、波幅突變
聲測管的根數(shù)依據(jù)樁的直徑而定，目的是在保證所有剖面聲場的覆蓋范圍，占樁的截面積一定比例的前提下，盡可能節(jié)省費用、提高檢測效率。建筑規(guī)范：樁徑小于等于800MM，兩根聲測管。                   樁徑大于800、小于等于1600MM，三根聲測管。                   樁徑大于1600MM，四根聲測管。
2、聲測管布置示意圖
3.聲測管的安裝
檢測管材質(zhì)的選擇以透聲率大，便于安裝，費用較低為原則。一般采用鋼管。
管徑大于換能器的直徑，一般以內(nèi)徑Ф50~60MM為宜。
管子一般采用與鋼筋籠架立筋焊接或綁扎的方式固定。
安裝管子時應(yīng)注意管子接頭應(yīng)不漏漿，內(nèi)壁光滑平順，管底密封。
管子之間力求平行。

4、聲測管的聯(lián)接 
聯(lián)接方式主要有：套筒聯(lián)接、螺紋聯(lián)接、對接焊聯(lián)接三種方式，最常用的方式是套筒聯(lián)接，效果比較好。
注意：管距測量，聲測管外邊緣到外邊緣的距離

5、檢測前的準(zhǔn)備工作
 收集資料，工程地質(zhì)資料、基樁設(shè)計圖紙和施工記錄、監(jiān)理日志等。
了解工藝及施工過程中出現(xiàn)的異常情況。
制定相應(yīng)的檢測方案。
檢測方案包括：
工程概況
目的與任務(wù)
方法與技術(shù)
儀器設(shè)備
檢測場地要求
檢測人員和時間安排
檢測報告
檢測時間應(yīng)滿足齡期要求；
檢測前應(yīng)沖洗聲測管，在孔中注滿清水作為耦合劑
標(biāo)定超聲儀從發(fā)射至接收的系統(tǒng)零聲時；
用直徑大于換能器的假探頭對聲測管疏通并記錄深度，以保證換能器在全程范圍內(nèi)移動通暢；
準(zhǔn)確測量并記錄聲測管內(nèi)、外徑和各個聲測剖面兩聲測管外壁間的距離，精度為±1MM。
測試方法
依據(jù)收發(fā)換能器的相對位置關(guān)系，有平測、斜測、扇測
1）平測法
一般先用平測法，一對換能器分別置于兩個對應(yīng)的聲測管中，位于同一高度；相鄰兩測點間距不大于10CM。
   平測法速度快、效率高，可作為是否存在缺陷的初步判斷依據(jù)；

2）斜測法
將一對換能器分別置于兩個對應(yīng)的聲測管中，換能器保持一定的高程差。
由于平測有局限性，對于缺陷范圍及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判定時，應(yīng)至少結(jié)合斜測加以綜合判定

3）扇測法
扇形掃測是將一對換能器分別置于兩個對應(yīng)的聲測管中，保持一個換能器高度位置固定，另一個以一定的高程差上下移動進(jìn)行測試。
扇測法工作量大
沒有公認(rèn)判據(jù)
4）平測 斜測 特點
平測只能分辨缺陷在樁軸向上的位置和大小，無法分辨缺陷在樁徑向上的位置和大小。
斜測加平測，近似一個二維坐標(biāo)，能定位缺陷在剖面（平面）上大小和位置。

第五部分 數(shù)據(jù)分析與判定
數(shù)據(jù)分析處理
首波判定錯誤的要重新改判
管斜的進(jìn)行自動糾偏 ，嚴(yán)重管斜的應(yīng)改用其他方法判定

輕微管斜
使用管斜修正功能，并在報告上注明修正的范圍
嚴(yán)重管斜
依據(jù)規(guī)范不能采用聲測的方法評定
判據(jù)
主判據(jù)
波速  臨界值概念
波幅  臨界值概念
輔助判決
頻譜 主頻是否頻散
PSD  是否突變
波速臨近值
計算方法復(fù)雜，先剔除異常值，再計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差
波幅臨近值
平均值－6
單位DB
PSD值
反映聲速變化，比聲速敏感
沒有單位
聲參量與缺陷關(guān)系
混凝土離析 
    粗骨料堆積的地方，聲速不降低甚至偏高，幅值降低。
   砂漿多的低強(qiáng)區(qū)，其波速偏低，但幅值可能沒有明顯降低。
坍塌形成的縮徑、夾泥（砂）缺陷
    聲速、幅度均有明顯的下降。
沉渣
    波速和幅度的明顯下降。
   樁頭低強(qiáng)區(qū)
     波速和幅度明顯或緩慢下降
   斷樁 二次澆筑
    聲速和幅度的急劇下降、波形嚴(yán)重畸變或無接收波形

樁身完整性判斷依據(jù) 
建筑規(guī)范
Ⅰ類樁 
Ⅱ類樁 
Ⅲ類樁 
Ⅳ類樁 
第六部分 工程實例
某橋梁灌注樁檢測，樁徑1M，檢測樁長26.6M。超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)平測數(shù)據(jù)1-2剖面在4.2M-4.9M位置有缺陷，1-3剖面在4.2M-4.6M有缺陷
案例一
1-2剖面做了斜測，繪制缺陷示意圖
初步判斷缺陷在1號管附件，大小約占1-2剖面管距的四份之一
決定采用開挖驗證的方案
60°角度斜測

缺陷距離樁頭4M左右
范圍基本在1號管附件
與測試數(shù)據(jù)基本吻合
現(xiàn)場開挖圖片
貴州某高速橋梁灌注樁，樁徑2.4M，檢測樁長23.2M，在17米和20米有全斷面缺陷，范圍20-30CM
沒有做斜測
驗證方案取芯
案例二
取芯照片
一共取了3個孔
取芯照片   1號孔芯樣
取芯照片   2號孔芯樣
3個孔均沒有取到缺陷，原因？
貴州某高速橋梁灌注樁，設(shè)計樁徑2.4米，樁長44.8米，設(shè)計水下灌注，實際干灌注，波列圖
層狀缺陷
多個缺陷
沒有做斜測
案例三
END
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