CN1077287A - 混凝土桩超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土桩超声波检测方法，主要用于混凝土 桩、地下连续墙查找各种缺陷异常。目前经常使用的 有超声波声时透射法，也有人使用过超声波振幅检测 方法，但都存在检测处理复杂、时间长、抗干扰能力 差、易错判漏判等问题。本发明基本克服了这些问 题。本发明采用了超声波双通道梯度检测技术，用两 个上下固定距离的探头R₁、R₂同时接收发射探头T 的信号首波振幅和首波声时值，并将二者作加权处 理。调整T与R₁和R₂的相对位置成平斜组合或等 距双斜组合，并固定下来，通过自动升降装置，使三个 探头同步上下，将数据整理绘制AT～H等曲线，便 可判别缺陷的大小、形态和具体位置。

Description

本发明属于土木工程质量检测方法。

本发明适用于对混凝土桩、地下连续墙准确、迅速地查找各种缺陷异常;与有关新技术结合可较准确地推算出混凝土强度。

目前，国内外普遍使用法国J.Carrailli提出的超声波声时透射法，非破损检验桩基础混凝土质量情况。其原理是，在预埋于桩内的多根声测管内分别放入超声波发射探头和接收探头，通过上下移动两个探头，测读不同深度上超声波在两侧管间传播时间的长短（即声时值），分析研究传播时间随桩深度值的变化规律，来判别桩内的缺陷。并通过改变发射探头和接收探头相对位置进行反复多次检测，如水平透视、上斜透视、下斜透视、扇形透视等措施来判别缺陷的大小及位置。但人们在工程实践中发现：（1）在测试距离较大时（如大直径混凝土桩），由于缺陷的存在对声时造成的相对变化很小，难以从声时～深度曲线上判别缺陷的存在。即声时参数对缺陷的分辨力较弱;（2）为了判别缺陷的大小及位置，需要作多次反复的检测。检测和分析的工作量很大，难以满足工程进度的需要;（3）由于水平透视、上斜透视、下斜透视、扇形透视等检测工作是分时进行的，各次检测的外来干扰程度不同，特别是设备的一致性较差时，各种透视方法对同一缺陷的重现性较差，即判别缺陷的大小及位置尚存在一定的较大误差;（4）此种单孔发射、单孔接收的方法，受随机干扰影响很大，往往造成声时～深度曲线很不规则，给缺陷的判别带来很大的困难。

近七、八年来，国内在超声波透射法基础上，针对测试距离较大时，缺陷对声时参数的影响较少，即在声时～深度曲线上，缺陷对应的声时变化不明显等特点，提出了一种“PSD判别法”也就是声时斜率曲线判别法，其公式是：PSD值＝（t_i+1-t_i）²/（H_i+1-H_i），其中t_i+1是深度值为H_i+1对应的声时值，t_i是H_i+1前一测点H_i对应的声时值。当声时～深度曲线上出现随机干扰造成的跳跃变化时，PSD法反应敏感，其结果会造成严重的错判。

为了减少错判，有人注意到应该结合超声波振幅的大小来综合评判。因为振幅的变化对缺陷的反应十分敏感，其相对变化是声时值相对变化的7倍。但由于振幅衰减很快，在检测过程中其信噪比很小，到目前止人们还不能直接检测振幅从数学上简单定量处理来判别缺陷，一般都是定性地把振幅变化作为一个辅助参量，而真正通过数学上处理分析的仍是声时参数。为提高振幅的信噪比，有人采用了大功率的窄脉冲电火花振源，提高了信号的强度，但还不能从根本上解决利用振幅进行定量化的处理。因为外来干扰造成的影响尚不能忽略，特别是由于电火花振源尚受本身系统的温度、湿度、疲劳程度、电压波动和外来干扰因素的影响，其能量转换效率变化较大，从而导致不同测点上激振能量发生变化，这些变化直接影响实测声波振幅的大小，有时掩盖缺陷对振幅的影响。

本发明克服了普通声时检测中分辨力低的不足，切实有效地提高检测系统的抗干扰能力，减少了检测次数并使检测、分析进度大大加快。

本发明的要点在于，采用了超声波双通道梯度检测技术，即在普通声时检测技术的基础上用两个上下固定距离的探头同时接收发射探头信号的首波振幅和首波声时值，并将二者作加权处理。在混凝土桩内预埋的声测管中放置一个发射探头T（可以是普通超声发射探头，也可以是电火花振源的高压放电极），在另一声测管中放置两个接收探头R₁和R₂（R₁和R₂的一致性不作任何要求），其中一个接收探头R₁与发射探头T在同一水平面上，另一个探头R₂与R₁保持某一固定距离，使它与发射探头T处于斜同步，这是平斜组合的方式，通过同步升降机将发射探头和接收探头沿声测管同步提升或下降，每移动一个测点，由发射探头发射脉冲波，用普通两通道超声仪或高速瞬态振动记录仪同时接收记录R₁和R₂信号的首波振幅A₁、A₂和首波声时值t₁、t₂。计算振幅比△A＝A₁/A₂和声时差△t＝t₁-t₂，然后整理成一个综合参数AT＝△t/△A。整条桩上下一次测完后，便得到一条反映振幅和声时随深度变化的综合曲线AT～H曲线。也可先沿桩内的声测管测读各测点的A₁、A₂、t₁、t₂后，最后计算各测点上的△t、△A，从而同样整理得到AT～H曲线。对不同的缺陷，t₁～H，△A～H，△t～H，AT～H等曲线的形态、大小、宽窄等特征不同。因此可直接从实测的曲线形态上判别缺陷的形状，如水平薄层缺陷、斜薄层缺陷、三度体缺陷等，并可从各缺陷对应的曲线异常宽度、大小直接求解三角形去判别缺陷的具体位置。

本发明的两个接收探头R₁和R₂还可以布置成R₁和R₂相联的中点与发射探头T在同一水平面上的等距双斜的组合方式。等距双斜组合方式测得的△T或△A异常曲线是对称的，记录点为R₁和R₂的中点;而采用平斜组合方式得到的△T或△A异常曲线一般不对称，记录点为与发射探头T在同一水平面的接收探头位置点。本发明还可以延拓出三通道梯度检测、四通道梯度检测、五通道梯度检测，如有必要还可以搞成更多通道的梯度检测。即接收探头可以是三个、四个、五个甚至更多个，每个探头之间都有固定距离并同时接收发射探头的信号。

本发明与前述的现有技术相比，所具有的优点在于：

1、对小直径混凝土桩可一次性检测，即能发现桩内任何缺陷。所测得的AT～H等曲线是水平和斜透视的组合结果，水平透视不会漏掉斜薄夹层，而斜透视不会漏掉水平薄夹层。从而大大地减少了检测工作量。而过去为了不漏掉水平层状薄夹层或斜层状薄夹层时，需在水平透视检测后再作斜透视检测或作斜透视检测后再作水平或其它斜透视检测。

2、双通道梯度检测具有很好的抗干扰能力。没有干扰时R₁、R₂的声时值分别为t₁、t₂，此时△t＝t₁-t₂。而当存在外来随机干扰时，R₁和R₂的声时值将发生改变，设改变了△t₁和△t₂，即相应声时值为t₁+△t₁，t₂+△t₂，由于外来随机干扰对R₁和R₂两接收探头的影响是同步同程度的，故△t₁≈△t₂＝△t，这时则有△t′＝（t₁-△t₁）-（t₂+△t₂）≈（t₁+△t）-（t₂+△t）＝t₁-t₂＝△t。可见，测试结果能压制随机干扰的影响。

3、双通道梯度检测不受激振能量的变化而产生影响。设某点在某一激振能量Q作用下，R₁和R₂的首波振幅分别为A₁和A₂，此时△A＝A₁/A₂;如果激振能量从Q变为βQ时，使R₁、R₂两接收探头接收到的首波幅值分别改变了α₁和α₂倍，即A′₁＝α₁A₁，A′₂＝α₂A₂;注意到激振能量变化对R₁、R₂的影响程度基本相同，故有α₁≈α₂≈α，这时△A′＝α₁A₁/α₂A₂≈αA₁/αA₂＝A₁/A₂＝△A。这一点从根本上解决了目前最棘手的问题。

4、双通道梯度检测的结果AT＝△t/△A能突出反映缺陷存在的异常，较单一振幅或单一声时检测具有特别强的缺陷分辨力。因为凡是混凝土内缺陷对声时和振幅的影响都是使声时相对增大，使振幅相对变小，这样经AT＝△t/△A处理后，实质是对声时异常或振幅异常进行相应的加权放大。这种加权放大作用只对混凝土内缺陷造成的异常而言，而对单一的声时变化而相应点的振幅不变或振幅变化而相应的声时不变化的各测点非混凝土缺陷（往往是随机干扰或系统误差）异常的放大作用不明显。因而从另一个途径上提高了信噪比，使判别结果更为可靠。

5、双通道梯度检测的结果为反映缺陷的纯异常，双通道的非一致性（如探头的频率不同，探头的灵敏度不同等）对测试处理结果不会造成错判的来源。因为当混凝土匀质性很好时，由于发射探头与接收探头R₁和R₂的距离均不变，其t₁、t₂、A₁、A₂应不变。故△T＝t₁-t₂，△A＝A₁/A₂和AT＝△T/△A均为常数，表现在△T～H，△A～H，AT～△T/△A曲线为一条直线。如果探头不一致时，各常数值变大或变小而已，但各曲线仍为直线。

6、双通道梯度检测方法集水平透视、斜透视、扇形透视为一体，能从一次性的检测结果中直接识别缺陷的形状和大小，除了层状缺陷外，还能从非层状缺陷对应的异常宽窄等特征，通过求解几何问题来确定非层状缺陷的具体位置，从而使混凝土桩质量判别结果进入定量化。

本发明的实施例是在深圳商业中心大厦（52层）进行的，做了38根大直径混凝土桩（φ3.25m～φ4.40m）无损质量检测。仅用了20天时间完成全部检测工作，并于4天后提交了测试结果报告。经钻孔抽芯验证，本发明检测桩内缺陷的性质、大小及位置均较为准确。

在实际应用中，根据混凝土桩径的大小，对每根桩成孔后预埋2～4条声测管，各管等距垂直布置，稍比实际桩长些，分别测1～6个测面。每次检测（检测每个测面）是在两孔间进行的，一孔置入发射探头T（或高压放电极），另一孔置入接收探头R₁和R₂，调整T与R₁和R₂的相对位置成平斜组合或等距双斜组合，并固定下来，然后通过自动升降装置按设定的点距间隔，自上而下或自下而上检测R₁和R₂的首波到达时间和首波幅值，最后整理数据绘制△T～H、△A～H、t₁～H、AT～H曲线，便可判别缺陷的大小、形态和具体位置。

本发明精确定量的检测，快速地给出结果，使工程有可靠的质量保证和加快施工进程，有重大的社会效益和经济效益。

Claims (6)

1、一种混凝土桩超声波检测方法，使用普通的超声波仪器，本发明的特征是在一条声测管内同时放置两个接收探头，并同时接收另一声测管内发射探头发出的声波信号；

2、一种混凝土桩超声波检测方法，利用了通常的超声波声时值检测手段和振幅检测手段，本发明的特征是用一个探头同时接收首波振幅和其声时值，并将二者做加权处理;

3、根据权利要求1所述的一种混凝土桩超声波检测方法，其特点是放在同一条声测管内的两个接收探头之间有一固定距离，并与另一声测管内的发射探头同步地上升或下降。

4、根据权利要求1、3所述，其特点是发射探头可以是与两个接收探头中的任一个等高放置，也可以是放在两个接收探头的中间位置;

5、根据权利要求1、3、4所述，其特点是接收探头还可以是三个、四个、五个甚至更多;

6、根据权利要求1、2、3所述，其特点是同时接收记录两个接收探头R₁和R₂信号的首波振幅A₁、A₂和首波声时值t₁、t₂，计算振幅比△A＝A₁/A₂和声时差△t＝t₁-t₂，然后整理成一个综合参数AT＝△t/△A，并制成随高度H变化的综合曲线-AT～H曲线。