声波透射法在基桩检测中常见的问题与探讨

卢 亮

（南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

目前基桩检测的方法主要有钻芯法和动力测试法［1-2］等，钻芯法虽然较为直观，但费用高，检测周期长且对局部缺陷的判断上存在一定的误差。低应变法虽检测速度较快，检测成本相对较低，对场地要求也不高，但对于较长和较短的桩均不适用，尤其检测的局限性，且对检测桩长无法进行准确判断。高应变速度快，但现场要求也较高，尤其对于高承载了的基桩，需吊车进行配合，而工程现场因道路较差，吊车往往无法到达现场，且检测时对大承载力桩基需较大重锤进行冲击，检测难度大，费用高。超声波法检测速度快，不受桩长桩径的限制，检测结果准确可靠，检测范围可覆盖基桩的多个剖面。

声波透射法优点众多，并也得到了广泛的应用，但在进行超声波测试时，如果忽视一些问题，如连接发射和接收换能器的声测线未对齐，零声时未标定准确以及声测管管距测量不准确等都会对测量结果产生影响，本文将针对这些方面，分析研究声波透射法测试时应注意的问题。

1 检测原理

超声波，即频率超过 2×104Hz 的声波，声波，是可在弹性介质中传播的一种机械波。在现场对基桩进行检测时，基桩中需要首先预埋至少两根与桩身平行的声测管，检测前将管内灌满清水并保证管内畅通，将超声波的发射和接收换能器分别置于两根管中，发射换能器将发射的电信号转换成脉冲信号并向桩内辐射，对桩身的混凝土进行逐点、逐段的探测，脉冲信号在混凝土中传播并最终到达接收换能器，接收换能器根据接收到的信号的特征，如波速、波幅等来对桩身混凝土的质量进行判断。其原理图如图 1 所示［3］。

图1 声波透射测量原理图

超声波检测时，两个剖面为一组检测面，一个为发射端，一个为接收端。发射端在混凝土内激发一个高频次的弹性脉冲波，接收端为高精度的接收系统，可以记录该高频次的脉冲波在混凝土内的传播过程以及传播的波动特征。当混凝土内存在混凝土质量问题，如夹泥、蜂窝、麻面甚至断桩时，有问题的截面会形成一个波阻抗界面，高频脉冲波达到该问题界面时，由于波的透射和反射，使接收到的透射能量明显降低；当混凝土内存在严重缺陷时，甚至产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间、频率变化、波的能量衰减特征及波形畸变程度等特性，可以获得测量范围内混凝土的质量参数。通过在不同侧面、不同高度上的检测，并记录超声的波动特征，就可以判别测区内混凝土内部存在的缺陷，以及缺陷的大小和位置，并对混凝土的总体均质性和完整性作出评价。现场检测时可根据现场情况进行平测、斜侧或扇形扫射等，如图 2 所示。

图2 平测、斜测和扇形扫测示意图

2 存在的主要问题

2.1 声测线未对齐对测试结果的影响

现场检测时，检测人员有时认为两根声测线在高度上存在一定的偏差对结果影响不大，而且由于声测线上往往 20 cm 才进行一次标记，现场检测对齐时也存在一定的难度，导致现场检测时两根声测线不对齐的现象经常存在。同时，在检测过程中，由于两根或更多根声测线上拉时没有同步，导致声测线在开始时是对齐的，但上拉一定高度后声测线会存在高度上的偏差，此时检测人员往往不会注意去及时调整声测线，导致声测线的高度不一致［4-5］。

假设波速在混凝土中传播的速度为 4.0 km/s，两根声测管之间混凝土的净距离分别为 500、600、800、1 000 mm。当两根声测线刻度未对齐时，两根声测管之间距离的测量值与实际值之间存在一定的差异，可根据不同的测线相差距离求出设置的管距，求出实测的声时，并求出实测的波速，该波速与原假设波速 4.0 km/s 进行比较，将在不同的管距下，测线相差距离与实测波速的关系曲线绘于图 3 中，将测线相差距离与实测波速误差的关系曲线绘于图 4 中。

从图 3 中可以看出，随着测线相差距离的增大，实测声速迅速减小，两根声测线之间的水平距离越小，减小的越为明显，从图 4 中可以看出，当两根声测管之间的水平距离为 500 mm，垂直距离相差 20 cm，测量的波速误差就将达到 7 %～8 %，这对测量的结果将有较大影响，根据 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》的规定：对具有 3 个及 3 个以上检测剖面的桩，应取各个检测剖面声速异常判断临界值的算术平均值，作为该桩各声测线的声速异常判断临界值［3］。即各测试剖面的声速异常判断临界值为同一个值，若某根桩有三个测试剖面，其中两个测试剖面测试时声测线基本对齐，而其中一个测试剖面测试时声测线未对齐，那么有可能导致该测试剖面的某些本来大于临界值的较小的声速值而低于临界值，并最终导致误判。

图3 测线相差距离与实测波速的关系

图4 测线相差距离与实测波速误差的关系

2.2 系统延迟时间设置不当对测试结果的影响

按规范 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》的规定，在进行现场检测之前，需采用率定法确定仪器系统的延迟时间，然而因对仪器进行率定较为麻烦，在进行现场检测前，检测人员往往不对仪器的延迟进行率定。同时，一台声波测试的主机，有时配备多套声速测试线（即多个换能器），使用不同的测试线时，往往不更改系统的延迟时间，导致设置的系统延迟时间不准确，使声时存在误差。声时误差有两种情况，即真值比设置值大和真值比设置值小，将真值比设置值大时实测声速值及测量误差随声时误差的变化关系以及真值比设置值小时实测声速值及测量误差随声时误差的变化关系分别绘于图 5 及图 6 中。

图5 真值比设置值大时实测声速值及测量误差随声时误差的变化关系

图6 真值比设置值小时实测声速值及测量误差随声时误差的变化关系

从图 5 中可以看出，当真值比设置值大时，随着声时误差的增大，实测波速值将逐渐减小，即声速测量误差逐渐增大，同时在相同的声时误差下，管距越小，实测波速值也将越小，即测量的误差也将越大。在管距为 500 mm，假定声时误差为 6 时，声速测量误差将达到 5 % 左右，即当真实波速为 4 000 m/s 时，实测波速只有 3 800 m/s 左右。这已经对测量结果产生的较大影响。在真值比设置值小时，也有类似的误差出现，只是波速实测值会比真值偏大，如图 6 所示。

2.3 管距测量不准确对测试结果的影响

规范 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》10.4.1 条规定，在现场检测开始前，需在桩顶测量各声测管外壁间的净距离，并将净距离录入仪器中，以便于计算混凝土的波速。如果管距净距离测量不准确或者未测量直接根据经验输入一个值，将对检测结果产生较大影响。以下分别分析了当实际管距为 600 mm 和 500 mm，声测线声时为 150 时，管距的测量误差对检测结果的影响，从图 7 及图 8 可以看出，管距测量的不准确对测量声速的影响很大，例如，当实际管距 600 mm，声测线声时为 150 时，实际测量声速应为 4.0 km/s，随着测量误差的增大，实际测量到的声速将呈线性减小，当管距测量误差为 10 % 时，实测声速则仅有 3.6 km/s，已明显小于真值声速 4.0 km/s，此时有可能将本是无异常的剖面判为异常剖面，对测试结果的判定影响极大。同样，当实际管距为 500 mm 时，也存在相同的问题，实测的波速将随测量误差线性减小。

因此，管距测量的不准确对检测结果的影响是致命的，稍有不慎，即会出现误判的情况，在检测时，一定要按照规范要求，对声测管的管距进行准确的测量。

3 结论

超声波检测虽然是目前的较为准确的检测方法，但检测过程中若忽视一些问题，如声测管对齐有偏差，零声时未准确标定等都很容易对检测结果造成较大影响。当两根声测管未对齐时，假设 2 根声测管之间的水平距离为 500 mm，垂直距离相差 20 cm，测量的波速误差就将达到 7 %～8 %。零声时未标定准确时，当真值比设置值大时，随着声时误差的增大，实测波速值将逐渐减小，即声速测量误差逐渐增大，同时在相同的声时误差下，管距越小，实测波速值也将越小，即测量的误差也将越大，在管距为 500 mm，假定声时误差为 6 时，声速测量误差将达到 5 % 左右，这对测量的结果将有较大影响，在现场检测时应注意这些问题，并结合现场情况综合判断桩基的完整性。同样，声测管管距测量的不准确对测试结果的影响是极大的，测量波速将随测量误差而线性变化，在检测时，一定要准确对声测管管距进行准确测量。