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1、/建筑基桩检测技术规范培训讲义超声波法陈久照编广东省建筑科学研究院2003-10-29目 录1概述42 适用范围52.1 声波透射法检测混凝土灌注桩的几种方式52.1.1桩内跨孔透射法52.1.2桩内单孔透射法52.1.3桩外孔透射法52.2关于用声波透射法测试声速来推定桩身混凝土强度的问题63仪器设备73.1混凝土超声仪73.1.1超声仪的功能73.1.2混凝土超声仪的技术要求73.1.3声波仪的校验与维护93.2声波换能器113.2.1 声波换能器的功能113.2.2 换能器的主要技术指标113.2.3 换能器的技术要求143.2.4 换能器的使用与维护144 现场检测164.1声测管的埋
2、设及要求164.1.1声测管埋设数量及布置164.1.2声测管管材、规格、连接174.1.3声测管的连接与埋没184.1.4声测管的其他用途194.2现场检测194.2.1测试系统的延时194.2.2检测前的准备工作204.2.3检测前对混凝土龄期的要求214.2.4检测步骤215检测数据分析与结果判定265.1测试数据的整理265.1.1声学参数的计算和波形记录265.1.2绘制声参数深度曲线275.2数据分析与判断275.2.1波速判据275.2.2 PSD判据（斜率法判据）335.2.3波幅判据345.2.4主频判据345.2.5实测声波波形355.3桩身混凝土缺陷的综合判定355.3.
3、1综合判定的必要性355.3.2综合判定的方法355.3.3混凝土灌注桩的常见缺陷性质与声学系数的关系375.3.4桩身混凝土均匀性的评价385.4声测管的斜管测距修正385.4.1斜管问题385.4.2对斜管测距的修正395.5对桩身缺陷纵向尺寸检测精度的影响因素416检测报告437声波透射法检测混凝土灌注桩工程实例分析447.1概述447.2工程实例及分析447.2.1工程实例1447.2.2工程实例2487.2.3工程实例3517.2.4工程实例4557.2.5工程实例5591概述声波检测一般是以人为激励的方式向介质（被测对象）发射声波，在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波（反射波、
4、透射波、散射波）。通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性质进行推断和表征。而声波透射法则是以穿透介质的透射声波为测试和研究对象的。声波发射系统声波在介质（被测对象）中传播，介质的几何特征、内部结构、力学性能对声波进行调制声波接收系统声波记录和分析系统依据声学参数的变化，对介质特性进行工程解释图1声波检测原理框图混凝土灌注桩的声波透射法检测是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起来的。结构混凝土的声学检测则始于1949年，人们经过几十年的研究、探索和实践，这项技术在测试设备、测试方法、应用范围、数据分析、处理方法等方面得到了很大发展，
5、在世界各国得到了广泛应用，成为混凝土无损检测的重要手段。至二十世纪七十年代，声波透射法开始用于检测混凝土灌注桩的完整性。其基本方法是：基桩成孔后，在混凝土灌注之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道。在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数, 然后对这些检测数据进行处理、分析、判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性、均匀性状况，评定桩身完整性等级。目前，对混凝土灌注桩的完整性检测，主要有：钻芯法，高、低应变动测法，声波透射法等四种方法，与其他三种方法比较，声波透射法有其鲜明的特点
6、：检测全面、细致，声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面，信息量相当丰富，结果准确可靠。且现场操作简便、迅速，不受桩长、长径比的限制，一般也不受场地限制。声波透射法以其鲜明的技术特点成为目前混凝土灌注桩（尤其是大直径灌注桩）完整性检测的重要手段，在工业与民用建筑、水电、铁路、港口等工程建设的多个领域得到了广泛应用。2 适用范围2.1 声波透射法检测混凝土灌注桩的几种方式按照声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，声波透射法检测混凝土灌注桩可分为三种方式：1.桩内跨孔透射法；2.单孔透射法；3.外孔透射法。2.1.1桩内跨孔透射法在桩内预埋两根以上的管道，把发射、接收换能器分别置于两管道中（如图2
7、(a）所示)。检测时声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效检测范围为超声脉冲从发射到接收换能器所扫过的面积。根据两换能器高程的变化又可分为对测、斜测、扇形扫测等方式。当采用钻芯法检测大直径灌注桩桩身完整性时，可能有两个以上的钻芯孔。如果我们需要进一步了解两钻孔之间的桩身混凝土质量，也可以将钻芯孔作为收、发换能器通道进行跨孔透射法检测。2.1.2桩内单孔透射法在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如钻孔取芯后，我们需进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可采用单孔检测法（如图2(b)所示）。此时，换能器放置于一个孔中，换能器间用隔声材料隔离（或
8、采用专用的一发双收换能器）。声波从发射换能器出发经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水分别到达两个接收换能器上，从而测出声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。单孔透射法检测时，由于声传播路径较跨孔法复杂得多，须采用信号分析技术，当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能采用此方法。单孔检测时，有效检测范围一般认为是一个波长左右。2.1.3桩外孔透射法当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道，由于声波在土中衰减很快，因此桩外孔应尽量靠近桩身。桩测时在桩顶上放置一发射功率较强的低频平面换能器，接收探
9、头从桩外孔中自上而下慢慢放下，声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与孔之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射声波的声学参数。当遇到断桩或夹层时，该处以下各点声时明显增大，波幅急剧下降，以此为判断依据，如图2(c)示。这种方法受仪器发射功率的限制，可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩颈等缺陷，且灌注桩桩身剖面几何形状往往不规则，给测试和分析带来困难。上述三种方法中，桩内跨孔透射法是一种较成熟可靠的方法，是声波透射法检测灌注桩混凝土质量最主要的形式，另外两种方式在检测过程的实施，数据的分析和判断上均存在不少困难，检测方法的实用性、检测结果的可靠性均较低。4(a)231 4(b)
10、23 4(c)231图2 钻孔灌注桩超升脉冲检测方式（a）双孔检测（b）单孔检测(c)桩外孔检测1.声测管2.发射探头3.接收探头4.产生检测仪基于上述原因，建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2002）中关于声波透射法的适用范围规定了适用于已预埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测，即适用于桩内声波跨孔透射法检测桩身完整性。2.2关于用声波透射法测试声速来推定桩身混凝土强度的问题由于混凝土声速与其强度有一定的相关性，通过建立专用“强度-声速“关系曲线来推定混凝土强度的方法广泛地用在结构混凝土的声波检测中。但作为隐蔽工程的桩与上部结构有较大差别。“强度-声速”关系曲线受混凝土混合比、硬化环境等多
11、种因素的影响，上部结构混凝土的配合比和硬化环境我们可以较准确地模拟，而在桩中的混凝土由于重力、地下水等多种因素的影响，产生离析现象，导致桩身各个区段混凝土的实际配比产生变化，且这种变化情况无法预估，因而无法对“强度-声速”关系曲线作合理的修正。桩身混凝土硬化环境复杂，无法模拟。另一方面，声测管的平行度也会对强度的推定产生很大影响，声测管在安装埋没过程中难以保证管间距离恒定不变，检测时，我们只能测试桩顶的两管间距，用于计算各测点的声速，这就必然造成声速检测值的偏差。而“强度-声速”关系一般是幂函数或指数函数关系，声速的较小偏差所对应的强度偏差被指数放大了。所以即使在检测前已按桩内混凝土的设计配合
12、比制定专用“强度-声速”曲线，以实际检测声速来推定桩身混凝土强度仍有很大误差。因此，规范在声波透射法的适用范围中，回避了桩身强度推定问题，只提检测灌注桩桩身完整性，确定桩身缺陷位置、程度和范围。当桩径太小时，换能器与声测管的耦合会引起较大的相对误差，所以，声测法一般适于桩径大于0.6米的桩。3仪器设备混凝土声波检测设备主要包含了超声仪和换能器两大部分。用于混凝土检测的声波频率一般在20250kHz范围内，属超声频段，因此，通常称为混凝土的超声波检测，相应的仪器就叫超声仪。3.1混凝土超声仪3.1.1超声仪的功能混凝土超声仪的功能（基本任务），是向待测的结构混凝土发射超声脉冲，使其穿过混凝土，然
13、后接收穿过混凝土的脉冲信号。仪器显示超声脉冲穿过混凝土所需时间、接收信号的波形、波幅等。根据超声脉冲穿越混凝土的时间（声时）和距离（声程），可计算声波在混凝土中的传播速度；根据波幅，可知超声脉冲在混凝土中的能量衰减状况，根据所显示的波形，经过适当处理后可对被测信号进行频谱分析。3.1.2混凝土超声仪的技术要求中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝土缺陷技术规程（CS21：2000）对混凝土超声仪的技术要求作了较详细的规定，现结合建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2002）的要求作如下的介绍：（1）混凝土超声波检测仪应满足下列要求：1） 具有清晰、显示稳定的示波装置。示波装置显示的波形是我们
14、测量和分析混凝土各声学参数的基础，因此波形稳定、清晰是必须具备的条件。2） 声时最小分度为0.1s这个指标决定了声时测量精度，因而也决定了声速测量的精度。混凝土超声仪具有多种功能，即可用于检测结构混凝土强度，也可用于检测混凝土缺陷。用于检测强度时，由于混凝土“强度-声速”相关曲线多为幂函数或指数函数型，声速的较小偏差会导致推定强度的较大偏差，因此测强时，对声时测量精度要求更高。在建筑基桩检测技术规范（JGJJGJ106-2002）中对声时测量精度放宽至0.5s，因为声波法测桩时主要是测桩身完整性，回避了桩身强度问题，所以放宽了声时测量精度要求。3） 具有最小分度为1dB的衰减系统。模拟式仪器采
15、用衰减器测量波幅，其最小分辨率取决于衰减器，衰减器的最小分度为1dB。数字式超声仪的波幅判读由计算机软件进行，精度优于1dB。在建筑基桩检测技术规范（JGJJGJ106-2002）中对波幅测试系统的精度提出了一个总体要求：声波波幅相对测量误差小于5%。4） 接收放大器的频响范围10500kHz，总增益不小于80dB，接收灵敏度（在信噪比为3:1时）不大于50V；仪器实际工作频率（信号频率）取决于换能器，在检测混凝土时，平面换能器的标算频率为20250kHZ，径向换能器为2060kHZ，换能器的频率上限远低于放大器频带上限，即使是宽带换能器也可满足测试要求。接收灵敏度，即对微弱信号的接收分辨能力
16、，它取决于仪器的放大能力和信噪比水平。单纯考虑接收放大器的增益是不全面的，所以用信噪比达到3:1时的接收灵敏度指标更切合实际，它可以直观反映出仪器性能与超声波穿透距离有关的重要技术因素。接收灵敏度越高，可测距离越大，对微弱信号的识别能力越强。总增益不小于80分贝，相当于测试信号的幅值可相差104量级。建筑基桩检测技术规范（JGJJGJ106-2002）要求系统带宽为1200kHz，相应于径向换能器的工作频率为2060kHz；系统最大动态范围为不小于100分贝（相当于105量级）。5）电源电压波动范围在标称值10%的情况下能正常工作；该指标体现了仪器对电源电压的适应范围，即当电源在此范围波动时，
17、其全部技术指标仍能达到额定值。6）连续正常工作时间不少于4小时。为保证现场检测工作的连续、高效，仪器应达到此要求。（2）目前，用于混凝土声波检测的超声仪有模拟式和数字式两大类，由于两类超声仪的工作原理和功能有所不同，因此，对两类仪器还有一些具体的规定：1） 模拟式超声仪（A）具有手动游标和自动整形两种测读功能。模拟式超声仪接收信号为连续模拟量，由时域波形测读参数、对声时的测读有手动游标和自动整形两种方式。自动整形声时读数功能一般仅适应于强信号、弱噪音。当信噪比比较低时，应用手动游标测读，以免造成大误差关门延时和丢波现象。（B）数字显示稳定，声时调节在2030s范围，连续1小时，数字变化不大于0
18、.2s。现场检测时，连续工作时间在4小时以上，在工作期间，仪器性能必须保持一定的稳定性。模拟仪器数码显示的稳定性是保证现场准确测量的基础。2） 数字式超声仪（A）具有手动游标测读和自动测读方式。当自动测读时，在同一测读条件下，1小时内每隔5分钟测读一次声时的差异应不大于2个采样点；数字式仪器以自动判读为主，在大测距或信噪比较低时，需要手动游标读数。手动或自动判读声时，在同一测试条件下，测读数据的重复性是恒量测试系统稳定性的指标，故应建立一定的检查声时测量重复性的方法，在重复测试中，判定首波起始点的样本偏差点数乘以采样间隔就是声时测读差异。（B）波形显示幅度分辨率应不低于1/256，并且具有可显
19、示、存储和输出打印数字化波形的功能，波形最大存储长度不宜小于4Kbytes。数字化超声仪波幅读数精度取决于数字信号采样的精度（A/D转换位数）以及屏幕波形幅度，在采样精度一定的条件下，加大屏幕幅度可提高波幅读数的精度，直接读取波幅电压值其读数精度应达mV级，并取小数点后有效位数两位。实测波形的形态有助于对混凝土缺陷的判断，数字式超声仪应具有显示存储和打印数字化波形的功能。波形的最大存储长度由最大探测距离决定。（C）自动测读条件下，在显示的波形上应有光标指示声时、波幅的位置。这样做的目的是及时检查自动读数是否存在错误，如果存在偏差，则应重新测读或者改用手动游标测读。（D）宜具有幅度谱分析功能（F
20、FT功能）声波信号的主频漂移程度是反映声波在混凝土中衰减程度的一个指标，也是判断混凝土质量优劣的一个指标。模拟式超声仪只能根据时域波形进行估算，精度较低，频域分析能较准确地反映声波信号的主频漂移程度，是数字式超声仪的一大优势，一般的数字式超声仪都具有幅度谱功能。3.1.3声波仪的校验与维护(1) 声波仪的校验仪器的各项技术指标应在出厂前用专门仪器进行性能检测，购买仪器后，在使用期内应定期（一般为一年）送计量检定部门进行计量检定（或校验）。即使仪器在检定周期内，在日常检测中也应对仪器性能进行校验。1) 仪器声时检测系统校验用声波仪测定的空气声速与空气标准声速进行比较的方法来对声波仪的声时检测系统
21、进行校验。（A）试验步骤：取常用的厚度振动式换能器一对，接于超声仪器上，将两个换能器的辐射面相互对准，以间距为50、100、150、200mm依次放置在空气中，在保持首波幅度一致的条件下，读取各间距所对应的声时值t1、t2、t3、tn。同时测量空气的温度Tk(读至0.5)。测量时应注意下列事项：1 两换能器间距的测量误差应不大于0.5%。2 换能器宜悬空相对位置（如图3所示）。若置于地板或桌面时，应在换能器下面垫以海绵或泡沫塑料并保持两个换能器的轴线重合及辐射面相互平行；21R3T41-定滑轮2-螺栓3-刻度尺4-支架图3换能器悬挂装置示意图3 测点数应不少于10个。（B）空气声速测量值计算：
22、以测距l为纵坐标，以声时读数t为横坐标，绘制“时-矩”坐标图（如图4所示）,或用回归分析方法求出l与t之间的回归直线方程：L=a+bt (1)式中，a,b-为待求的回归系数。坐标图中直线AB的斜率“l/t”或回归直线方程的回归系数“b”即为空气声速的实测值vs（精确至0.1m/s）。l4l(mm)Al3l2l1t(s)t2t3t4t1B图4测空气声速的“时-距”图(C) 空气声速的标准值应按下式计算：（2）式中，Vc-空气声速的标准值（m/s）；Tk-空气的温度（）。(D) 空气声速实测值Vs与空气声速标准值Vc之间的相对误差e，应按下式计算： (3)通过（3）式计算的相对误差er应不大于0.
23、5%，否则仪器计时系统不正常。2) 波幅校验波幅检测准确性的校验方法较简单：将屏幕显示的首波幅度调至一定高度，然后把仪器衰减系统的衰减量增加或减小6dB，此时屏幕波幅高度应降低一半或升高一倍。如果波幅高度变化不符，表示仪器衰减系统不正确或者波幅计量系统有误差，但要注意，在测试时，波幅变化过程中不能超屏。（2）超声仪的维护与保养1） 使用前务必了解仪器设备的使用特性，仔细阅读仪器使用说明书，需对整个仪器的使用规定有全面的了解后再开机使用。2） 注意使用环境，在潮湿、烈日、尘埃较多等不利环境中使用时应采取相应的保护措施。3） 仪器使用的电源电压要稳定，并尽可能避开干扰源（电焊机、电锯、电台及其他强
24、电磁场）。4） 仪器发射插座有脉冲高压，接拨发射换能器时应将发射电压调至零伏或关机后进行。5） 仪器的环境温度不能太高，以免元件变质、老化、损坏，一般半导体元件及集成电路组装的仪器，使用环境温度为-1040。6） 连续使用时间不宜过长。7） 保持仪器清洁，以免短路，清理时可用压缩空气或干净的毛刷。8） 仪器应存放在干燥、通风、阴凉的环境中保存，若长期不用，应定期开机驱潮。9） 仪器发生故障时，应由专业技术人员维修或与生产厂家联系维修。3.2声波换能器3.2.1 声波换能器的功能用超声波检测混凝土，首先要解决的问题是如何产生超声波以及接收经混凝土传播后的超声波，然后进行测量。解决这类问题通常采用
25、能量转换方法；首先将电能转化为超声波能量，向被测介质（混凝土）发射声波，当超声波经混凝土传播后，为了度量超声波的各声学参数，又将超声能量转化为最容易量测的量电量，这种实现电能与声能相互转换的装置称为换能器。换能器依据其能量转换方向的不同，又分为发射换能器和接收换能器。发射换能器：实现电能向声能的转换；接收换能器：实现声能向电能的转换。发射换能器和接收换能器的基本构成是相同的，一般情况下，可以互换使用，但有的接收换能器为了增加测试系统的接收灵敏度而增设了前置放大器，这时，收、发换能器就不能互换使用。3.2.2 换能器的主要技术指标（1） 工作频率换能器的工作频率，也就是发射换能器的谐振频率（压电
26、体的自振频率）。它取决于压电体的材料特性和几何尺寸。设压电体厚度为（mm），压电体声速为c（m/s），则压电体的自振频率f0(kHz)为如果用声波仪直接接收发射换能器发射的声波信号（未经其他介质调制），并对接收信号作频谱分析，则频谱图的主频值应接近发射换能器的谐振频率（理论上应相等）。目前，用于结构混凝土检测的平面换能器的工作频率一般为20500kHz，用于混凝土灌注桩跨孔检测的增压式径向换能器工作频率一般为2040kHz，圆环式径向换能器的工作频率一般为2060kHz。如果频域分析是测试的重点，则对换能器频响特性的带宽有一定要求：换能器应有尽可能宽的频带范围，在频带范围内幅值基本不变，这样才
27、能在发射脉冲穿过混凝土后明显地呈现各频率成分幅值的衰减状况。f0f(KHz)(m/s2)图5换能器的频响特性(2)换能器的指向性换能器的指向性是换能器的发射响应（电压响应或功率响应）或接收响应（声压灵敏度或功率灵敏度）的幅值随方位角的变化而变化的一种特性。通常，它在某个参考方向上有一个极大值，将这种指向性响应按其相对比值画成图，就可以得到指向性图。发射换能器指向性形成的原因是发射换能器各部分所发射声波在自由场远场区中干涉叠加的结果，将辐射面上每一点看作点声源，点声源是没有指向性的球面波，所有这些子波相互叠加，在发射空间的远场便形成了指向性。接收换能器指向性的形成是由于接收换能器处于声源的远场区
28、，到达接收换能器表面上的声波产生的总声压是各子波干涉叠加结果，这一总声压随入射声线束入射角变化而变化。其开路输出电压也随入射声线束入射角变化而变化。一般的换能器收、发构造相同，功能可以互易，可以证明在这种条件下，换能器的发射指向性图和接收指向性图是相同的。1） 平面换能器的指向性平面换能器（圆盘声场）的指向性，其指向角可表达为（4）0：圆盘声场的半扩散角：声波波长D：辐射面线度，对平面换能器，就是辐射面直径。从式中可以看到：l 越小，越小，指向性越好。l D越大，越小，指向性越好。例如，在结构混凝土检测中，常用的平面换能器5cm，=8cm，=100，指向性差。/2图6平面换能器的指向性2） 径
29、向换能器的指向性3） 径向换能器的辐射声场在水平面上可以由如图7-(a)所示，以换能器为圆心的一系列同心圆来表示，同心圆上各点的声压是相等的（根据对称性由亥姆霍斯积分可得），与方位角无关。因此径向换能器在水平方向无指向性。所以在灌注桩的声波透射法检测时，采用平测法（发、收换能器在同一水平面上）径向换能器是无指向性的。（a） (b)图7 径向换能器的指向性dB756453423325676050403020100（a） (b)图8径向换能器的垂直面指向性试验（a）径向换能器布置图（b）接收波幅度（dB）与倾角的关系l 径向换能器辐射声场在铅垂面上的剖面图如图7-(b)所示，它的辐射声场实际上是剖
30、面图7-(b)，以换能器纵轴为回转轴的一个回转体，其指向角同样与辐射面浅度（径向换能器有效工作长度）及声波波长有关。在用声透法检测灌注桩完整性时，经过“平测”扫查后，对声参数异常点往往进一步采用斜测法或扇形扫测法进行加密检测来确定缺陷范围，此时，收、发换能器不在同一水平面上，这就涉及径向换能器在铅垂面上的指向性问题。在实际检测时，发、收换能器之间存在耦合水、声测管、混凝土组成的多个异质界面，其间的声波传播规律是相当复杂的，因此径向换能器在铅垂面上的指向性是一个相当复杂的问题。关于径向换能器在铅垂面上的指向性问题，我们作过如下试验，如图8所示，在一混凝土灌注桩内，发、收换能器分别置于两声测管中，
31、现固定发射换能器在桩的中部（桩顶或桩底声波传播可能受边界影响）保持高程不变，接收换能器沿声测管在竖直方向上移动，发、收换能器中心连线与水平面的夹角为，声波仪接收信号的幅值A 与的关系如图8-(b)所示，从图中可以看到，径向换能器在铅垂面上存在明显的指向性：接收信号的幅度随角的增大迅速减小。=0（平测）时，接收波幅度（A0）最大，当=60时，接收波幅已很小。在实际检测时，为保证测试系统有足够的接收灵敏度，同时又能达到斜测的目的，的取值一般为3040。3.2.3 换能器的技术要求用于混凝土灌注桩的声波透射法检测的换能器应符合下列要求：（1）圆柱状径向振动：沿径向（水平方向）无指向性。（2）径向换能
32、器的谐振频率宜采用3050kHz、有效工作面轴的长度不大于150mm。当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器的接收换能器。应根据测距大小和被测介质（混凝土）质量的好坏来选择合适频率的换能器。低频声波衰减慢，在介质中传播距离远，但对缺陷的敏感性和分辨力低；高频声波衰减快，在介质中传播距离短，但对缺陷的敏感性和分辨力高。一般在保证具有一定接收信号幅度的前提下，尽量使用较高频率的换能器，以提高声波对小缺陷的敏感性。使用带前置放大器的接收换能器可提高测试系统的信噪比和接收灵敏度，此时可选用较高频率的换能器。声波换能器有效工作面长度指起到换能作用的部分的实际轴向尺寸，该尺寸过大将夸大缺陷实际尺寸并影响测试
33、结果。关于这个问题在后面将作专题讨论。（3）换能器的实测主频与标称频率相差应不大于10%，对用于水中的换能器，其水密性应在1Mpa水压下不渗漏。换能器的实测频率与标称频率应尽可能一致。实际频率差异过大易使信号鉴别和数据对比造成混乱。混凝土灌注桩的检测一般用水作为换能器与介质的耦合剂。一般桩长不大于90米，在1Mpa压力下不渗漏，就是保证换能器在90米深的水下能正常工作。3.2.4 换能器的使用与维护（1） 换能器的耦合耦合的目的是使尽可能多的声波能量进入被测介质中。混凝土灌注桩的声波检测一般采用水作为换能器与混凝土的耦合剂，应保证声测管中不含悬浮物（如泥浆、砂等），悬浮液中的固体颗粒对超声波有
34、较强的散射衰减，影响声幅的测试结果。（2） 换能器的选配在混凝土检测中，应根据结构的尺寸及检测目的来选择换能器。由于目前主要使用纵波检测，所以只介绍纵波换能器的选配。1）换能器种类选择纵波换能器有平面换能器、径向换能器。平面换能器用于一般结构、试件的表面对测和平测，是必备的换能器。径向换能器（增压式、园环式、一发双收换能器）则用在需钻孔检测或灌注桩声测管中检测等场合以及水下检测。2）换能器频率选择由于超声波在混凝土中衰减较大，为了有一定的传播距离，混凝土超声检测都使用低频率超声波，通常在200kHz以下。在此频率范围内，到底采用何种频率取决于以下两个因素：1 结构（或试件）尺寸结构尺寸不同，应
35、选择不同的超声频率。这里所谓的尺寸包括穿透距离和横截面尺寸。被测体测距越大，超声波衰减也越大，接收波振幅越小。为保证正常测读，必须使接收波有一定的幅度，因此，对于大的测距只能使用更低频率的超声波甚至声波。目前，探测十多米以上的大型结构通常使用20kHz或以下频率的换能器。当测距较短时，为使接收信号前沿陡峭，起点分辨率精确以及对内部缺陷与裂缝有较高分辨率，则尽量使用较高的频率。被测体的横截面尺寸主要是考虑超声波传播的边界条件。通常所说的超声波声速均指超声波在半无限大的介质中的速度。若横截面小到某种程度，超声波声速将有明显的频散（几何频散），所测得的声速（表观声速）将降低。通常认为，横断面最小尺寸
36、应大于超声波波长的2倍以上。因此，在测试小截面尺寸的结构或试件时，应用较高频率。但也有人认为，在试件测试中，频率也不宜太高。因为虽然较高频率波长短，满足半无限大的边界条件，但由于被测体由各种颗粒组成，若波长与颗粒尺寸相比较太小，则被测体呈明显的非均质性。不利于用声学参数来反映被测体总体的性能，因此也不宜用过高的频率。根据实际使用情况，对于一般的正常混凝土，换能器频率选择可参见表1 。换能器频率选择表1测距（cm）选用换能器频率（kHz）最小横截尺寸（cm）102010020010201005010020100300502030050030503050020502被测混凝土对超声波衰减情况上述根
37、据被测体尺寸来选择超声波频率指的是对一般混凝土而言。对于某些特殊场合，例如，被测混凝土质量差，强度低，当用所选用频率测试时接收信号很微弱，则须降低使用频率，以期获得足够幅度，被测混凝土处于早龄期，甚至尚未完全硬化，超声波衰减很大，则只能使用更低的频率甚至使用可闻声波的频率。（3）换能器的维护与保养1） 目前使用的换能器大多用压电陶瓷作为压电体，因此换能器在使用时必须保证温度低于相应压电陶瓷的居里点。部分压电陶瓷换能器的使用温度表2压电体名称使用温度钛酸钡70锆钛酸铅250酒石酸钾钠40石英5502) 换能器内压电陶瓷易碎，粘结处易脱落，切忌敲击，现场使用时应避免摔打或践踏，不用时可用套筒防护保
38、存。3）普通换能器不防水，不能在水中使用，水下径向换能器虽有防水层，但联结处常因扰动而损坏，使用中应注意联结处的水密性。4 现场检测4.1声测管的埋设及要求声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其埋设数量决定了检测剖面的个数(检测剖面数为Cn2，n为声测管数)，同时也决定了检测精度：声测管埋设数量多，则两两组合形成的检测剖面越多，声波对桩身混凝土的有效检测范围更大、更细致，但需消耗更多的人力、物力，增加成本；减小声测管数量虽然可以缩减成本，但同时也减小了声波对桩身混凝土的有效检测范围，降低了检测精度和可靠性。声测管之间应保持平行，否则对测试结果造成很大影响，甚至导致检测方法失效：声测管两
39、两组合形成的每一个检测剖面。沿桩长方向具有许多个测点（测点间距不大于250mm），我们以桩顶面两声测管之间内边缘的距离作为该剖面所有测点的测距，在两声测管相互平行的条件下，这样处理是可行的。但两声测管不平行时，在实测过程中，检测人员往往把因测距的变化导致的声学参数的变化误认为是混凝土质量差别所致，而声参数对测距的变化都很敏感。这必将给检测数据的分析、结果的判定带来严重影响。虽然在有些情况下，可对斜管测距进行修正，作为一种补救办法。但当声测管严重弯折翘曲时，往往无法对测距进行合理的修正。导致检测方法失效。因此声测管的埋设质量（平行度）直接影响检测结果的可靠性和检测试验的成败。建筑基桩检测技术规范
40、（JGJ106-2002）对声测管的埋设要求作了具体规定。4.1.1声测管埋设数量及布置声测管的埋设数量由桩径大小决定，如图9所示：北沿直径布置呈三角形布置呈四方形布置D800mm800mm2000mm图9 声测管布置图注：图中阴影为声波的有效检测范围在检测时沿箭头所指方向开始将声测管沿顺时针方向编号。检测剖面编组分别为：1-2；1-2，1-3，2-3；1-2，1-3，1-4，2-3，2-4，3-4这样编号的目的一方面使检测过程可以再现；混凝土灌注桩声波透射法是一种无损检测方法，当现场检测完成后，回来处理数据时，如果对检测数据有疑问或对结果存在争议时可对受检桩进行复检。采用上述方式对声测管进行
41、编排，使各个剖面在复检时不至混淆。另一方面，当桩身存在缺陷时，便于有关方根据检测报告对缺陷方位作出准确定位，为验证试验或桩身补强指明方向。由于声波在介质中传播时，能量随传播距离的增加呈指数规律衰减，所以两声管组成的单个剖面的有效检测范围占桩横截面的比例将随桩径的增大而变小。由于两根声测管只能组成一个检测剖面，其有效检测范围相当有限，但测距短（D800mm），声波衰减小，有效检测面积占桩横截面积的比率有一定，所以D800mm时规定埋两根声测管。三根声测管可组成三个检测剖面，其有效检测范围覆盖钢筋笼内的绝大部分桩身横截面。其声测管的利用率是最高的。因此，建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2002
42、）把预埋三根管的桩径范围放得很宽。这样处理，符合检测工作既细致又经济的双重要求。对于桩径大于2米得特大型桩，考虑到测距得进一步加大所导致检测精度的降低，所以增至四根声测管。4.1.2声测管管材、规格、连接对声测管的材料有以下几个方面的要求：1） 有足够的强度和刚度，保证在混凝土灌注过程中不会变形、破损，在声测管外壁与混凝土粘结良好，不产生剥离缝，影响测试结果。2） 有较大的透声率：一方面保证发射换能器的声波能量尽可能多地进入被测混凝土中，另一方面，又可使经混凝土传播后的声波能量尽可能多地被接收换能器接收，提高测试精度。在发射换能器与接收换能器之间存在四个异质界面，水声测管管壁混凝土声测管管壁水
43、，异质界面声能量透过系数，可按下式计算：（5）4个界面声能总透过系数为（6）当时，声能量透过系数为1（最大），所以当声测管材料声阻抗介于水和混凝土之间时，声能量的总透过系数较大。目前常用的管子有钢管、钢质波纹管、塑料管3种。钢管的优点是便于安装，可用电焊焊在钢筋骨架上，可代替部分钢筋截面，而且由于钢管刚度较大，埋置后可基本上保持其平行度和平直度，目前许多大直径灌注桩均采用钢管作为声测管，但钢管的价格较贵。钢质波纹管是一种较好的声测管，它具有管壁薄、钢材省和抗渗、耐压、强度高、柔性好等特点，通常用于预应力结构中的后张预留孔道，用作声测管时，可直接绑扎在钢筋骨架上，接头处可用大一号波纹管套接。由于
44、波纹管很轻，因而操作十分方便，但安装时需注意保持其轴线的平直。塑料管的声阻抗率较低，用作声测管具有较大的透声率，通常可用于较小的灌注桩，在大型灌注桩中使用时应慎重，因为大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散。鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊，混凝土凝固后塑料管因温度下降而产生径向和纵向收缩，有可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，在声通路上又增加了更多反射强烈的界面，容易造成误判。声测管内径大，换能器移动顺畅，但管材消耗大；内径小，则换能器移动时可能会遇到障碍，但管材消耗小。因此，声测管内径通常比径向换能器的直径大1020毫米即可。普通的增压式换能器直径为30毫米左右，可
45、采用2英寸管钢管，其外径为60mm，内径为53毫米，近几年出现的圆环式径向换能器尺寸比普通的增压式换能器小了很多，可采用1.5英寸甚至更小的声测管。选配直径较小的径向换能器可减小声测管的直径，节约检测成本。声测管的壁厚对透声率的影响较小，一般不作限制，但从节约成本的角度出发，管壁在保证一定刚度（承受新浇混凝土的侧压力）的前提下，尽可能薄一点。4.1.3声测管的连接与埋没用作声测管的管材一般都不长（钢管为6米长一根）当受检桩较长时，需把管材一段一段地联结，接口必须满足下列要求：l 有足够的强度和刚度，保证声测管不致因受力而弯折、脱开；l 有足够的水密性，在较高的静水压力下，不漏浆；l 接口内壁保持平整通畅，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍接头的上、下移动。通常有两种联结方式：焊接套1声测管套筒螺纹螺纹套筒声测管（a）螺纹联结（b）套筒联结图10 声测管的联结声测管一般用焊接或绑扎的方式固定在钢筋笼内侧，在成孔后，灌注混凝土之前随钢筋笼一起
