简述超声波技术在高速公路施工检测中的应用

王志军 冯云

摘要：从一些模拟实验和大量工程实测结果来看，采用超声波技术检测高速公路工程特别是钻孔灌注桩混凝土缺陷可达到其他检测手段无法达到的独特检测效果。本文概述了超声波无损检测技术的原理和技术，并提出了超声波技术在高速公路施工检测中应用的注意事项。

关键词：超声波技术；灌注桩；检测

一、超声波无损检测技术原理

超声波是一种频率高于人耳能听到的频率的声波，它在传输过程中服从于波的传输规律。超声波路面检测技术主要是通过发射超声波到材料介质，接收反射波的相关参数，进而判断结构内部破损情况的一种新型无损检测方法。在介质中不同位置设置传感器，测量超声波在一定距离内传播的时间，利用速度、时间与位移的关系计算波速，利用速度与介质相关参数的关系可以测定材料的有关参数如弹性模量、抗压强度、抗折强度等，还可用来检测材料或结构内部的缺陷。

构成钻孔灌注桩桩身的材料混凝土是由多种材料组成的非均质非单相的多孔结构，在力学特性上是一种粘—弹—塑性的凝聚体。因此，混凝土内部有着较大的声阻抗差异并存在许多声学界面。超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实程度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。

另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，超声脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。

根据上述原理，可以利用超声脉冲波在混凝土中传播时声学参数（声时、波幅、频率等）和波形的变化综合分析、判别混凝土缺陷的位置和范围，或者估算缺陷的尺寸。

二、超声波技术的基本方法

声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2根～4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量，借助这些物理量来判断桩身结构完整性。

1、现场测试装置。声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上换能器标高控制绞车和数据处理计算机。

2、声测管布置方式。桩径0.6m～1.0m应埋设双管（见图1a））；1.0m～2.5m应埋设三根管（见图1b））；桩径2.5m以上应埋设四根管（见图1c））。

三、超声波技术在高速公路施工检测中的应用

某高速公路混凝土灌注桩被检测桩为K8+940处1号-3号，桩径1.2m，桩底标高-27m，C20混凝土翻浆灌注，钢管声测管采取的三角形布置方式，A—B剖面两声测管外壁距离75cm，A—C剖面两声测管外壁距离78cm，B—C剖面两声测管外壁距离80cm。换能器采用压电陶瓷式径向换能器，其长度约20cm，检测所用声波仪为RSMSY5非金属声波仪。

通过检测数据的基本分析，对桩的质量进行初步判断；然后结合声时、声速和声幅的不同判断方法对桩身进行质量的综合判断。利用声幅作为判据可以看出在桩身的各个剖面均存在一定程度的缺陷，甚至个别测点处的缺陷还较为严重，而利用声时结合声幅作为判据时，可看出除了在A—B剖面的0m～3.2m左右的区域内存在缺陷外，其他部分桩身基本完好，只是在部分测点处声速偏小，造成这种情况的原因可归咎于检测时混凝土的龄期较短，部分混凝土的强度尚未完全达到一定的强度值。结合声幅、声速和声时判据可对该桩做出如下判断：当利用不同的判据得出各个测点的判据曲线均满足要求时，则在该测点处桩身质量完好；当利用声幅作为判据得出该测点处存在缺陷而利用声时、声速作为判据得出该处不存在缺陷时，可认为该处不存在缺陷。造成这种现象的原因是由于：用声幅作为判据时，判据过于严格，往往会出现重判现象。当用不同的判据进行判断时，若均出现异常情况，则可断定该处存在缺陷。对于缺陷处进行重复检测、分析和判断。综合以上分析可看出，除在桩顶及A—B剖面的0m～3.2m左右处存在缺陷外，其余部分桩的质量基本完好。根据《规范》要求，该桩可判为二类桩。由现场钻芯取样分析结果可知，上述判断是基本正确的，因而该检测和分析方法是可行的，可在实际工程中应用推广。

四、超声波检测中的一些注意事项

（一）超声波传播速度的快慢

超声波传播速度的快慢与混凝土的密实程度有直接关系，混凝土密实则声速高，反之，声速则低。而且混凝土中的超声波传播速度与混凝土的强度有关，而混凝土的强度又与混凝土的龄期密切相关，因此，混凝土中的超声传播速度是混凝土龄期的函数。超声波在混凝土中的传播速度，与混凝土强度没有严格的经科学推导的数学公式。现在使用的一些数学公式或称为关系式，是些专家、学者通过大量的试验数据进行归纳而来的。正是这样，不同地方、不同研究人员得到的关系式是不同的。在一般情况下，超声波检测不提供混凝土强度数据。

（二）检测龄期

当养护龄期较短就进行超声波检测时，桩顶3m左右范围内往往出现波速偏低、波幅偏小现象。那是因为桩顶3m左右以下的混凝土受上部混凝土重力的压实作用，密实程度就比桩顶高，而桩顶3m以内的混凝土受外力较小。建议在桩身混凝土养护14d以上进行超声波檢测，寒冷季节、寒冷地区应加长养护龄期，以便于采集、便于分析高质量的检测资料，或结合实际的资料和经验确定合适的检测龄期。

（三）缺陷范围

声测管紧贴钢筋笼内侧埋设，当缩颈没有缩到钢筋笼的内侧，这时，声波从发射换能器到达接收换能器，没有穿透有缺陷的混凝土，对这种缩颈，超声波检测是不容易检测到的。

对于一些灌注桩，桩身存在孔洞或蜂窝状孔洞缺陷，且缺陷部位在饱含水的砂层中，由于水的渗透作用，地下水进入孔洞，声波穿透缺陷时，声波并不是穿透混凝土和空气，而是穿透混凝土和水，这时声波的传播方向没有改变，只不过声波的传播时间稍长于在无缺陷的混凝土中的传播时间，如果缺陷范围不大，是不易被检测出来的。

（四）超声波法与钻孔取芯法相互应证

某桥5-2桩设计桩径为1.5m，预埋3根声测管。超声波检测发现桩顶以下3.5m处砼嚴重夹砂。用钻孔取芯法验证时，却反映为完整桩。开挖检查证实超声波法结果正确，缺陷部位正好处于流砂层，2根声测管被流砂包裹住，所以声测结果显示的缺陷截面有点偏大。而钻孔部位靠近桩的中心，避开了缺陷范围，没有反映桩身真实情况。因此钻芯取样位置应尽量选择在声测过程中发现问题的界面附近。超声检测中发现异常情况时不能盲目定性，必须结合地质及相关资料，综合不同的检测方法合理判定基桩质量。

（五）声测管问题

声测管是进行声测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要组成部分，其在桩内的预埋方式及在桩横截面上的布置形式将直接影响检测结果。因此，应将声测管的布置和埋置方式标入检测桩的设计图纸，声测管的埋置数量及在桩横截面上的布局应考虑检测的控制面积。

在实测中常遇到声测管堵塞或卡住探头的情况，这是由声测管安装不当造成的。声测管一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接，保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁保持平整，安装完后封闭管口。声测管安装不平行也是常见问题，由于在施工中钢筋笼容易出现扭曲变形而导致声测管位移甚大，因而导致检测的声时值、均方差、离散系数、平均声速等产生偏离，可采用PSD法判断来消除这些非缺陷因素的影响。声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测带来误差。因此，检测前应冲洗检测管并灌满清水作为耦合剂。

参考文献：

[1]李永利，董伟.路面无损检测技术探析[J].交通标准化，2011，（08）.

[2]潘凤文.关于桥梁桩基检测及质量评定的探讨[J].黑龙江交通科技，211，（09）.