超声波检测技术

陈庆东

（兰州市城市建设设计院，甘肃兰州730030）

1 概述

超声波是一种频率高于人耳能听到的频率的声波，一般用于超声波检测的下限频率为20 kHz，上限为100 kHz。这是由于实践证明，频率愈高，检测分辨率愈高，其测量精度愈高。但频率高时，波长减小，当减小到与被检测材料中的骨料尺寸处于同一数量级时，散射面积扩大，声波的散射量增加，随之衰减量增加，而使有用的反射波减小，相应地波的回收能量也随之减小，使测量误差增加。

超声波检测的基本原理是用人工的方法在工程材料或结构中激出一定频率的弹性波，这种弹性波以及各种波形在材料与结构内部传播并由接受仪器接受。在物体内部传播的弹性波的波速、振幅、频率及波形等波动特性参数与物体的力学参数（如动弹性模量、动泊松比、动剪切模量及物体内部的应力分布状态）有直接的关系。通过分析研究被记录下来的弹性波信号，可以了解材料与结构的力学特性和缺陷。

超声波检测技术在道路路基路面中应用是近年来发展的一种新的测试方法，是一项无损检测的新技术。我国应用超声波检测开始于建筑工程与岩土工程，主要用波速法测量岩石的抗压强度与判断岩石的性质，以及评价建筑工程中材料特别是水泥混凝土与钢筋水泥混凝土材料的质量。由于超声波具有激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜等优点，因此，在道路检测中的应用，特别是高等级公路路基路面检测中的应用有着较广泛的前景。

2 超声波检测的基本原理

波速法是超声波检测路基路面的最基本的方法。所谓波速法，即指用波在路基路面材料中行进的速度来检测其力学性能的一种方法。波的行进速度与该种材料的软硬度即强度有着密切的关系，而强度又与它的密实度、弹性模量以及泊松比有关，如在无限大固体介质中传播的纵波波速为：

式中：vL—超声波纵波波速（m/s）；

E—弹性模量（MPa）；

ρ—介质材料；

μ—泊松比。

无限大的介质实际上是不存在的，当固体介质的尺寸与所传播的波长相比足够大时，可视为半无限大体，其波速与无限大介质中的波速相近。

由式（1）看出，如从材料的力学角度分析，超声波在固体材料中传播，实质上是一种高频机械波在固体材料中的传播。超声波通过固体材料时，使固体材料中的每一个微小区域都产生拉伸、压缩或剪切等应力应变过程，因此，超声波在这种固体材料中的传播速度，实质上就表征了该种固体材料的应力应变状态，亦即直接反映了固体材料弹性模量与密度特性。正如上述，这两个指标与强度有着直接关系，亦即强度是这两个指标的综合反映。由实践证明，材料的强度愈高，穿过它的超声波波速值就愈高，材料的强度愈低，则穿过它的超声波波速值就愈低，实质上用波速值的大小就表征了材料的强度高低。

当材料松软时，其强度小，即表征材料强度的弹性模量与密度小，它们的综合结果也必然小，穿过它的波速亦将随之减小；当材料坚硬时，其强度大，表征材料材料强度的弹性模量与密度必然大，同理，它们的综合结果也必然大，穿过它的波速亦将随之增高。对于有缺陷的材料体，其强度的降低导致超声波在该处所行进波速也必然减小，例如，水泥混凝土材料中的空隙等，这是由于波在该处产生不正常行驶，或发生杂乱的散射或绕射，增加了声波传播的声阻抗，使速度减缓所致。一般来说，正常材料的弹性模量、密度或强度都是稳定的，而且通过室内试验可取得正常的波速值，也可以通过现场取得（需修正）。但当发现测出的波速有异常变化时，可根据用试验方法得到的该种材料的波速标准诊断模式判断出它的缺陷性质，甚至是缺陷位置。这就是超声波测量材料强度与判断材料缺陷的基本原理这给现场施工质量监测带来了方便。

3 超声波检测钻孔灌注桩

目前，我国建筑行业无损检测偏重于超声与回弹的综合法测定和评价混凝土的质量。交通行业对水下钻孔桩的测定基于施工工艺的不同和水下桩极易发生夹层断桩的频率较大而偏重于桩缺陷的测定和评定。超声波检测法是检测混凝土灌注桩连续性、完整性、均匀性以及混凝土强度等级的有效方法。它能直观而准确地检测出桩内混凝土中因灌注质量问题造成的夹层、断桩、孔洞、蜂窝、离析等内部缺陷，并能测出混凝土灌注桩均匀性及强度等级等性能指标。

3.1 灌注桩超声波脉冲检测法

超声波检测法的基本做法是，在灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管，作为超声波发射与接收的通道，由超声波检测仪中的电压式换能器（发射探头）发射一系列周期性超声脉冲波，脉冲穿过被检测的桩体，被另一个电压式换能器（接受探头）所接收，超声检测仪显示出超声脉冲穿过被检测桩体时的各种参数（如超声脉冲在桩体中的传播时间、频率、能量损失、波形畸变等），然后根据声波穿过不同介质时各种参数的变异情况，经过分析判断给出桩内混凝土缺陷的类型、大小和位置，以及混凝土均匀性指标和强度等级。

当超声波检测仪的发射探头与接受探头沿桩的轴向逐点测量各深度断面上混凝土的声时、波幅、接受波频率等参数之后，即可获得一组数据，并可绘制出桩的纵剖面上的“声时—深度曲线”、“波幅—深度曲线”、“频率—深度曲线”等。鉴于桩内混凝土施工方法其状态的特殊性，缺陷的判断及强度的推断方法都与一般的混凝土超声测缺与测强方法有所不同，因此，如何在这些实测数据的基础上，对桩的完整性、连续性、均匀性、强度等级作出判断，已成为基础超声脉冲检测技术的关键之一。目前常见的缺陷分析方法可分为缺陷的临界值，作为判断的依据。为此必须在测试的声参数和存在缺陷的可能性之间，建立合理的数学或物理模型，以便找出适当的判据形式。此法能对大量测试数据作出明确的定量判断。由于计算工作量大，一般应由计算机完成。数值判据是超声脉冲测缺技术中近年发展起来的一个新领域，使混凝土超声检测技术由原先经验性的判断方法变成了根据实测数值的定量判断，这无疑是一项重大进展。但由于研究时间较短，现有数据的合理性及其适应范围有待进一步研究。数值判据常用于对桩全面扫测时的初步判断。第二类为声阴影区重叠法，即从不同的方向测出缺陷背面所形成的声阴影的重叠区，这些声阴影区即为缺陷的位置所在。该法直接明确，但测量必须细致，效率较低，通常用于在数值判据法确定位置后的细测判断，以便在数值判据法粗略判断出缺陷的存在区间后，仔细测量缺陷的位置、大小和性质。在桩的超声检测中，这两种方法必须结合使用。在现有研究水平的条件下，过分强调数值判据的准确性是不妥的。

3.2 超声法判断缺陷的原理

从超声传播理论可知，超声波的传播速度与其物理性质有关，即与材料的密度和弹性有关。通过定量测试超声波在混凝土中的传播速度，振幅变化及频率变化，反映混凝上的密实程度。

（1）根据声时值在缺陷区的变化规律是一不连续函数，至少在缺陷区的边界上斜率明显增大，导出“声时差值与相邻两点声时斜率乘积”的PSD判距来判断缺陷的大小，范围及性质：

式中：PSDi——第i个测点的判距值；

ti，ti-1——相邻两点的声时值；

Di,Di-1——相邻两点的位置（高度）。

当缺陷为夹层时：

式中：L—测管间距；

V1、V2——分别为完好混凝土和夹层杂物的声速；

△D——测点间距。

夹杂物声速可由以往观测资料分析确定或采用测试完好混凝土的某一折扣值。实际应用时应将二者结合起来。

（2）依据超声波在缺陷界面上产生的反射，使接收探头能量衰减或接收频率的明显降低，判断缺陷的存在和大小。

（3）依据超声波在缺陷处，因介质不同使得波形转换和叠加，造成接收波形畸变的波形现象，判别缺陷的存在和大小。

（4）各种缺陷判距计算公式中的有关参数，可依据理论分析或现场模拟（如泥夹层、砂砾夹层、砂夹层）试件测试相比较。笔者建议，在有条件时，尽量在施工现场采集和模拟可能发生缺陷性质的试件（块），并测出相应的波长、声时、衰减及波形参数和有关图形。

3.3 影响判断的几个因素及处理措施

（1）耦和剂的影响。

测定标准试块时，应选用黄油作耦和剂，并在探头两端加压，使其与试件紧密接触，当读数（如波形）不再变化时测量；桩基检测钢管以水作耦和剂时应加注清水。

（2）检测探头的影响。

用不同的换能器测量时，其波形相差很大。因此对标准件的平探头和桩基检测的雷管状增压式探头波形应作合理的分析。

（3）桩基钢筋的影响。

钢筋截面积较小，其接收信号远小于混凝土信号。实际测试时，可通过仪器中的增益旋扭抑制箍筋的接收信号；当梁式构件中有较粗的横向钢筋时，应从波形上加以区别。

（4）混凝土龄期影响。

混凝土声速随龄期的增加而上升。但在硬化初期，声速很低，与泥砂夹层难以区别。而且在硬化初期，混凝土对声能的吸收系数较大，信号较低。试验证明：混凝土强度达到设计标号的60%以上时，便于明确地判断缺陷的存在。

4 结语

超声法检测桩基混凝士质量缺陷是很敏感的方法。由于超声波检测技术具有准确、直观、迅速、简便、费用低等优点，已成为我国灌注桩质量检测的重要手段之一。

[1]盛安连.路基路面检测技术[M].人民交通出版社,1999.

[2]夏连学,宁金成.公路与桥梁结构检测[M].黄河水利出版社,1999.

[3]王登科.超声波检测钻孔灌注桩混凝土质量的缺陷分析和判断[J].公路,1999(9).