CN111119254A - 一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置及方法，在同等传播距离下，由检测装置上的调节开关调节超声波换能器的工作频率，发射的超声波透射经过第一空心钢管内的水→第一空心钢管的钢管壁→某一深度下的待检测区域→第二空心钢管的钢管壁→第二空心钢管内的水→超声波接收换能器接收发射出来的超声波信号，并将接收到的超声波传输至记录仪，记录仪显示接收得到的超声波波形幅值大小，根据准备工作得到的泥浆区超声波波形幅值校准范围Att_泥浆和混凝土区超声波波形幅值校准范围Att_砼，将某一深度下的待检测区域检测得到的衰减量Att_待检与Att_泥浆、Att_砼比较即可准确判断出界面介质是混凝土还是泥浆。

Description

一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置及方法。

背景技术

钻孔灌注桩由于其施工工艺成熟、承载力高、适用范围广已被广泛应用于铁路桥梁、公路、高层建筑等结构工程基础中。高等级公路大、中、小桥和互通式立交桥,也基本上采用钻孔灌注桩。灌注桩在基建领域是重要的施工工艺。灌注砼(混凝土)时采用Φ250法兰式导管自流式灌注混凝土，要求导管联结平直且密封可靠；灌注导管下口距孔底30到50cm为宜。首盘浇筑时初灌量必须保证导管底部埋入混凝土中80cm以上，且不得间断、需连续灌注。正常灌注混凝土时，导管底部埋于混凝土中，深度宜2到6米之间。一次拆卸导管不得超过6米，每次拆卸导管前均要测量混凝土面高度，计算出导管埋深，然后拆卸。不得盲目提升、拆卸导管，导管最小埋深为2米。

由于钻孔灌注桩或挖孔桩的灌注是一项隐蔽施工工程,尽管建设单位、施工单位非常关心其工程施工质量，但大量实践表明，仍有6％到20％的钻孔灌注桩存在不同程度的质量问题。因而需加强施工过程中灌注阶段混凝土与泥浆界面检测，确保界面介质测量准确，这样可以有效地避免灌注导管提离混凝土造成的质量事故，以此减少损失。

当前，灌注桩灌注过程中混凝土与泥浆界面的检测采用人工手提重锤上下提升，依据操作人员手工的感觉确定界面高程。一旦操作员手的感觉出了问题，会导致界面介质的检测判断出现错误，这样会导致形成混有泥浆夹层的报废桩，如图1所示，其中1-泥浆夹层，2-混凝土，产生的原因主要是提升灌注混凝土的导管使导管出口脱离了浇灌的混凝土体，导致随后浇灌的混凝土(上方位置)与前次浇灌的混凝土(下方位置)之间有泥浆夹层，而存在的泥浆夹层会形成断桩或报废桩。

中国专利201811156641.0公开了“一种超声反射法检测套筒灌浆饱满度的方法”，使用超声反射法检测套筒灌浆饱满度，通过提高换能器的工作频率来实现对更小缺陷的识别。其发明目的在于利用反射法检测灌浆饱满度，但不能实现检测砼与泥浆的分界面。

中国专利201510618484.0公开了“灌注桩混凝土界面识别及超灌疏松装置及其使用方法”，使用振动反射头在灌注过程中随混凝土浇注提升测得的反射波识别混凝土界面。振动反射头若不在混凝土与泥浆中来回移动就难以准确获得二者的界面。振动反射头在灌注过程中需提离混凝土进入泥浆测出界面，再返回混凝土内部再提离混凝土进入泥浆来第二次测出界面。此方法的缺陷在于因混凝土对振动反射头有大的阻力使得振动反射头难以多次返回混凝土内部；另一个缺陷在于有的灌注桩桩孔很深，振动波在钻孔中传输时因混凝土骨料、泥浆、钢筋等多次反射，接收到的声波强度不够准确。

徐林等人“基于小波的超声波测钻孔灌注桩混凝土灌注面高程回波识别”、兰凯等人在“钻孔桩砼灌面超声波测量的关键技术及其实现”论文中所做工作均采用反射法检测界面的高程，指出超声波在泥浆介质中衰减强烈，由于桩孔孔径的局限，波形发生混响叠加，再加上桩顶浮浆层的存在，极大程度上衰减了回波信号。由于泥浆密度变化剧烈，反射法在应用中受到一定影响和限制。

发明内容

为了解决人工检测以及超声波反射法检测砼与泥浆界面准确性差的技术问题，而提供一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置及方法。本发明的检测方法利用超声透射法能够获得精度较高的测量数据，提高砼与泥浆界面的检准率，可替代当下的手工重锤测量以及超声波反射检测砼与泥浆界面方法。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置，包括检测控制部和若干相对应的超声波发射部与超声波接收部，所述超声波发射部由底部封闭、注满水的敞口第一空心钢管和若干置于所述第一空心钢管内的超声波发射换能器构成，所述超声波接收部由底部封闭、注满水的敞口第二空心钢管和若干置于所述第二空心钢管内的超声波接收换能器构成，所述超声波发射换能器、超声波接收换能器分别以牵引线连接并置于所述第一空心钢管和第二空心钢管内，所述牵引线需露出所述第一空心钢管和第二空心钢管的敞口端且连接检测控制部，

所述检测控制部包括控制所述牵引线上下移动的控制开关、调节换能器工作频率大小的调节开关以及记录接收得到的超声波波形及其幅值的记录仪。

一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，包括如下步骤：

(1)泥浆区校准：在钻孔灌注桩孔的泥浆区的顶部插入权利要求1中所述装置的所述第一空心钢管和底部封闭、所述第二空心钢管，打开所述牵引线的控制开关使所述牵引分别带动超声波发射换能器和超声波接收换能器在所述第一空心钢管和所述第二空心钢管中上下移动，然后打开调节开关并调节所述超声波发射换能器和超声波接收换能器的工作频率，在所述记录仪上得到接收到的泥浆区顶部的超声波发射波形幅值和超声波接收波形幅值，计算泥浆取顶部的衰减量；

重复操作检测并计算所述钻孔灌注桩孔泥浆区的中部、底部的衰减量，最后得到泥浆区超声波波形幅值的校准范围，记为Att_泥浆；

所述衰减量是所述超声波发射波形幅值与所述超声波接收波形幅值的差值；

(2)灌注混凝土、混凝土区校准：在钻孔灌注桩孔中以浇注管灌注混凝土，以步骤(1)的操作方法多次检测并计算钻孔灌注桩孔内灌注的混凝土区不同部位的衰减量，得到混凝土区超声波波形幅值的校准范围，记为Att_砼；

(3)待检测区域混凝土与泥浆界面的判断：权利要求1中所述装置的所述第一空心钢管和所述第二空心钢管插入某一深度下的待检测区域，插入时避开钢筋笼的钢筋，按步骤的方法检测并计算钻孔灌注桩孔在某一深度下的待检测区域的衰减量，记为Att_待检；

若Att_待检在Att_泥浆的范围内则某一深度下的待检测区域界面介质为泥浆，

若At t_待检在Att_砼的范围内则某一深度下的待检测区域界面介质为混凝土。

进一步地，所述超声波发射部和超声波接受部为多组，且多组之间等距离分布，相邻两组之间的间距为30mm～500mm，等距离分布可以更好的动态实时监控砼与泥浆界面在空间的三维分布情况。

更进一步地，相邻两组之间的间距优选为80mm～120mm。

进一步地，所述牵引线的上下移动的速度为0.01m/s～8m/s。

进一步地，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器的工作频率为10KHz～20MHz。

更进一步地，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器的工作频率优选为15KHz～500KHz。

更进一步地，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器的工作频率最优选为30KHz。

有益技术效果：

一般地，泥浆由黏土颗粒悬浮、溶解在水中而形成并以水为主；砼(混凝土)由水、石子、沙子、水泥等混合而成，水的占比较少。可见泥浆与砼二者组成成分差异很大，因而泥浆的声阻抗(泥浆声速×泥浆密度)与砼的声阻抗(混凝土声速×混凝土密度)差异也很大。另外泥浆密度大约为1.2g/cm³时，超声波声速约为1400m/s，声衰减系数为13dB/m。而超声波在泥浆介质中衰减强烈，由于灌注桩桩孔孔径局限，波形发生混响叠加，再加上桩顶浮浆层的存在导致回波信号极大衰减，而振幅严重衰减的原因：组成预应力混凝土结构的各种材料声阻抗差异较大，超声波会在混凝土界面上发生反射、散射、波型转换等现象，造成超声波能量的衰减。

本发明方法中采用水、钢管为超声波透射传输介质，在同等传播距离(等距离插入)情况下，由本发明检测装置上的调节开关调节超声波发射换能器的工作频率，这时在第一空心钢管内的超声波发射换能器发射出超声波→透射经过第一空心钢管内的水→第一空心钢管的钢管壁→某一深度下的待检测区域(砼或泥浆)→第二空心钢管的钢管壁→第二空心钢管内的水→最后被超声波接收换能器接收→并将接收到的超声波传输至记录仪，记录仪显示接收得到的超声波波形幅值大小，根据准备工作得到的泥浆区超声波波形幅值校准范围Att_泥浆和混凝土区超声波波形幅值校准范围Att_砼，将某一深度下的待检测区域检测得到的衰减量Att_待检与Att_泥浆、Att_砼比较，若Att_待检在Att_泥浆的范围内则在某一深度下的待检测区域界面介质为泥浆，若At t_待检在Att_砼的范围内则在某一深度下的待检测区域界面介质为混凝土。因传输介质的不同，接收到的超声波在传输时间、传输衰减上有很大的差异，接收到的超声波波形、超声波强度也有差异。本发明方法中超声波在未凝固的混凝土中传播时的衰减量大于在泥浆中传播时的衰减量，依据泥浆区和混凝土区波形幅值校准范围来判断检测深度下得到的超声波波形幅值衰减量落入哪个范围，依此即可准确判断出界面介质是混凝土还是泥浆。

本发明方法利用超声波的透射作用，能够获得精度较高的测量数据，以提高砼与泥浆界面的检准率，可替代当下的手工重锤测量以及超声波反射检测砼与泥浆界面方法。

附图说明

图1为混有泥浆夹层的报废桩示意图，其中，1-泥浆夹层，2-混凝土。

图2为实施例1的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置的示意图，其中，1-检测控制部、2-超声波发射部、3超声波接收部、11-控制开关、12-调节开关、13-记录仪、21-第一空心钢管、22-超声波发射换能器、31-第二空心钢管、32-超声波接收换能器、4-水、5-牵引线。

图3为实施例2中一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法记录仪接收到的超声波波形幅值大小示意图，其中，A为步骤(1)中记录仪接收到的泥浆区顶部超声波波形幅值大小示意图，B为步骤(2)中记录仪接收到的混凝土区超声波波形幅值大小示意图，①-泥浆区顶部超声波发射波形幅值、②-泥浆区顶部超声波接收波形幅值、③-混凝土区超声波发射波形幅值、④-混凝土区超声波接收波形幅值。

图4为实施例2中一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法步骤(2)的示意图，其中，1-检测控制部、2-超声波发射部、3超声波接收部、11-控制开关、12-调节开关、13-记录仪、21-第一空心钢管、22-超声波发射换能器、31-第二空心钢管、32-超声波接收换能器、4-水、5-牵引线、6-钻孔灌注桩孔、7-浇注管、8-泥浆区、9-混凝土区。

图5为实施例3中两组超声波发射部和超声波接受部等距离分布俯视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。

实施例1

一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置，如图2所示，包括检测控制部1和一组相对应的超声波发射部2与超声波接收部3，所述超声波发射部2由底部封闭、注满水4的敞口第一空心钢管21和置于所述第一空心钢管21内的两个超声波发射换能器22构成，所述超声波接收部3由底部封闭、注满水4的敞口第二空心钢管31和置于所述第二空心钢管内31的两个超声波接收换能器32构成，所述超声波发射换能器22、超声波接收换能器32分别以牵引线5连接并置于所述第一空心钢管21和第二空心钢管31的水4中，所述牵引线5需露出所述第一空心钢管21和所述第二空心钢管31的敞口端且连接检测控制部1，所述第一空心钢管21和所述第二空心钢管31之间距离为80mm；

所述检测控制部1包括控制所述牵引线5上下移动的控制开关11，所述控制开关11可调节所述牵引线上下移动的速度，可调范围为0.01m/s～8m/s；调节所述超声波发射换能器22、超声波接收换能器32工作频率大小的调节开关12，所述调节开关12的可调工作频率的范围为10KHz～20MHz；以及记录接收得到的超声波波形及其幅值的记录仪13。

实施例2

一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，包括如下步骤：

(1)泥浆区校准：在直径为600mm钻孔灌注桩孔6内将实施例1中的检测装置的所述第一空心钢管21和所述第二空心钢管31间隔80mm插入泥浆区8的顶部，打开所述牵引线5的控制开关11使所述牵引线5分别带动超声波发射换能器22和超声波接收换能器32分别在所述第一空心钢管21和所述第二空心钢管31内的水4中上下移动，上下移动的速度为0.1m/s，然后打开调节开关12并调节所述超声波发射换能器22和超声波接收换能器32的工作频率为30KHz，当所述第一空心钢管内的超声波发射换能器22发射的超声波→透射经过第一空心钢管21内的水4→第一空心钢管21的钢管壁→泥浆→第二空心钢管的钢管壁→第二空心钢管内的水→最后被超声波接收换能器32接收→并将接收到的超声波传输至记录仪13，记录仪13显示接收得到的超声波波形幅值大小，如图3A所示，图3A中①为泥浆区顶部超声波发射波形幅值、②为泥浆区顶部超声波接收波形幅值，将①的幅值减去②的幅值即得到泥浆区顶部衰减量；

重复以上操作检测并计算钻孔灌注桩泥浆区8的中部衰减量和泥浆区8的底部衰减量，合并泥浆区8的顶部、中部、底部的衰减量得到一个范围，即为泥浆区超声波波形幅值的范围，记为Att_泥浆；

(2)灌注混凝土、混凝土区校准：在钻孔灌注桩孔6中以浇注管7灌注混凝土，如图3所示，以步骤(1)的操作方法多次(≥3次)检测并计算钻孔灌注桩孔内混凝土区9不同部位的衰减量，得到混凝土区9超声波波形幅值的范围，记为Att_砼，记录仪接收到的混凝土区9的超声波波形幅值大小如图3B所示，图3B中③为混凝土区超声波发射波形幅值、④为混凝土区超声波接收波形幅值；

(3)待检测区域混凝土与泥浆界面的判断：以间隔80mm插入实施例1中所述检测装置的所述第一空心钢管21和所述第二空心钢管31，插入时避开钢筋笼的钢筋，按步骤(1)的方法检测并计算钻孔灌注桩孔6内某一深度下的待检测区域的衰减量，记为Att_待检，将Att_待检与Att_泥浆、Att_砼比较，

若Att_待检在Att_泥浆的范围内则某一深度下的待检测区域的介质为泥浆，

若Att_待检在Att_砼的范围内则某一深度下的待检测区域的介质为混凝土。

实施例3

本实施例的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置与实施例1中的相同，不同之处在于超声波发射部2中的是单个超声波发射换能器，超声波接收部3中的是单个超声波接收换能器；具有2组相对应的超声波发射部2和超声波接收部3；

按照实施例2中的检测方法进行检测，插入时两组之间等距离分布，相邻两组之间的间距为d，d的范围为30mm～500mm，优选80mm～120mm，等距离分布的俯视图如图5所示，弧线标识的为一组超声波发射部2的第一空心钢管21和超声波接收部3的第二空心钢管31。

实施例4

本实施例一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法与实施例2相同，不同之处在于，钻孔灌注桩孔直径为800mm以上的大直径桩孔，以80mm～120mm等距离分布两组以上的超声波发射部2和超声波接收部3；根据实际施工现场的泥浆和混凝土的物理化学性质，设置牵引线5上下移动的速度为0.01m/s～1m/s；调节开关12调节两组以上超声波发射部2和超声波接收部3工作频率为15KHz～500KHz。

Claims (8)

1.一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的装置，其特征在于，包括检测控制部(1)和若干相对应的超声波发射部(2)与超声波接收部(3)，所述超声波发射部(2)由底部封闭、注满水的敞口第一空心钢管(21)和若干置于所述第一空心钢管(21)内的超声波发射换能器(22)构成，所述超声波接收部(3)由底部封闭、注满水的敞口第二空心钢管(31)和若干置于所述第二空心钢管(31)内的超声波接收换能器(32)构成，所述超声波发射换能器(22)、超声波接收换能器(32)分别以牵引线(5)连接并置于所述第一空心钢管(21)和第二空心钢管(31)内，所述牵引线(5)需露出所述第一空心钢管(21)和第二空心钢管(31)的敞口端且连接检测控制部(1)，

所述检测控制部(1)包括控制所述牵引线(5)上下移动的控制开关(11)、调节换能器工作频率大小的调节开关(12)以及记录接收得到的超声波波形及其幅值的记录仪(13)。

2.一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)泥浆区校准：在钻孔灌注桩孔(6)的泥浆区(8)的顶部插入权利要求1中所述装置的所述第一空心钢管(21)和所述第二空心钢管(31)，打开所述牵引线(5)的控制开关(11)使所述牵引线(5)分别带动超声波发射换能器(22)和超声波接收换能器(32)在所述第一空心钢管(21)和所述第二空心钢管(31)中上下移动，然后打开调节开关(12)并调节所述超声波发射换能器(22)和超声波接收换能器(32)的工作频率，在所述记录仪(13)上得到接收到的泥浆区(8)顶部的超声波发射波形幅值和超声波接收波形幅值，计算泥浆区(8)顶部的衰减量；

重复操作检测并计算所述钻孔灌注桩孔(6)泥浆区(8)的中部、底部的衰减量，最后得到泥浆区(8)超声波波形幅值的校准范围，记为Att_泥浆；

所述衰减量是所述超声波发射波形幅值与所述超声波接收波形幅值的差值；

(2)灌注混凝土、混凝土区校准：在钻孔灌注桩孔(6)中以浇注管(7)灌注混凝土，以步骤(1)的操作方法多次检测并计算钻孔灌注桩孔(6)内灌注的混凝土区(9)不同部位的衰减量，得到混凝土区(9)超声波波形幅值的校准范围，记为Att_砼；

(3)待检测区域混凝土与泥浆界面的判断：权利要求1中所述装置的所述第一空心钢管(21)和所述第二空心钢管(31)插入某一深度下的待检测区域，插入时避开钢筋笼的钢筋，按步骤(1)的方法检测并计算钻孔灌注桩孔(6)在某一深度下的待检测区域的衰减量，记为Att_待检；

若Att_待检在Att_泥浆的范围内则某一深度下的待检测区域界面介质为泥浆，

若At t_待检在Att_砼的范围内则某一深度下的待检测区域界面介质为混凝土。

3.根据权利要求2所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，所述超声波发射部(2)和超声波接受部(3)为多组，且多组之间等距离分布，相邻两组之间的间距为30mm～500mm。

4.根据权利要求3所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，相邻两组之间的间距为80mm～120mm。

5.根据权利要求2所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，所述牵引线(5)的上下移动的速度为0.01m/s～8m/s。

6.根据权利要求2所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，所述超声波发射换能器(22)和超声波接收换能器(23)的工作频率为10KHz～20MHz。

7.根据权利要求6所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，所述超声波发射换能器(22)和超声波接收换能器(32)的工作频率为15KHz～500KHz。

8.根据权利要求7所述的一种超声透射法检测灌注桩砼与泥浆界面的方法，其特征在于，所述超声波发射换能器(22)和超声波接收换能器(23)的工作频率为30KHz。

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