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摘要 本文較為詳細(xì)地講解了聲波透射法測(cè)試儀領(lǐng)域的若干新技術(shù)，如相對(duì)能量解釋方法、三維層析成像分析技術(shù)等，同時(shí)闡述了現(xiàn)行方法中的局限性。通過(guò)橋梁灌注樁的應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明這些新技術(shù)可有效地改善測(cè)試過(guò)程和解釋精度。


1．前言
 
聲波透射法檢測(cè)儀是根據(jù)超聲波的透射原理檢測(cè)樁身完整性，目前已成為基樁無(wú)損檢測(cè)中行之有效的方法之一。橋梁灌注樁一般具有樁徑大、樁長(zhǎng)長(zhǎng)、缺陷復(fù)雜等特點(diǎn)，低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法測(cè)試樁身完整性常受到淺部盲區(qū)、多缺陷和樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)等限制，無(wú)法測(cè)試出樁身淺部缺陷、多個(gè)缺陷及深部缺陷或樁底。然而，聲波透射法可以克服上述所有問(wèn)題。如圖 1 所示，它是在樁身中預(yù)埋若干根聲測(cè)管，聲測(cè)管材質(zhì)可以是鐵管或 PVC 管，管內(nèi)充滿清水作為聲耦合劑。然后將超聲脈沖發(fā)射換能器和接收換能器分別置于聲測(cè)管中同一水平高度。測(cè)試過(guò)程中，兩個(gè)換能器保持同步移動(dòng)，發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖通過(guò)樁身混凝土到達(dá)接收換能器接收。如果樁身混凝土有缺陷，則會(huì)引起接收波形發(fā)生變化。通過(guò)分析接收波的首波初至、幅值、頻率和波形特征，可以判定缺陷位置和缺陷程度。  
隨著聲波測(cè)試儀器的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用連續(xù)式快速采集。與過(guò)去的點(diǎn)式測(cè)量方法相比，測(cè)試速度和效率均大大提高了。數(shù)據(jù)分析處理方面，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法和 PSD 斜率法為主要判缺方法。在聲測(cè)管間比較平行時(shí)，上述方法可準(zhǔn)確的識(shí)別缺陷。
 
盡管如此，目前聲波透射法技術(shù)仍然處于不斷發(fā)展過(guò)程中。樁身混凝土本身的非線性和缺陷的眾多影響因素，比起上部結(jié)構(gòu)混凝土性質(zhì)來(lái)說(shuō)要復(fù)雜得多，常常使得數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法或 PSD 法計(jì)算的臨界值和異常點(diǎn)與實(shí)際不符。此外，聲測(cè)管間在埋設(shè)過(guò)程中經(jīng)常造成不平行或產(chǎn)生局部?jī)A斜，或者即便聲測(cè)管平行，測(cè)試中發(fā)射和接收換能器常常不能保持同一高度甚至差距很大，造成數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法和 PSD 法不能完全適用，給解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
 
為了改進(jìn)測(cè)試和解釋方法，提高判缺準(zhǔn)確度，國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域近年來(lái)提出了一些新技術(shù)方法并應(yīng)用于實(shí)際工程，取得了較為理想的效果。
 
2．新技術(shù)方法
 
2.1 相對(duì)能量判別缺陷
 
相對(duì)能量是對(duì)指定的時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)信號(hào)絕對(duì)幅值進(jìn)行積分計(jì)算的數(shù)值，其實(shí)際數(shù)值并不重要，只是一個(gè)相對(duì)值。這個(gè)概念是針對(duì)首波幅值而提出的。首波幅值是目前主要判缺標(biāo)準(zhǔn)之一。理論上，當(dāng)樁身存在缺陷時(shí)，接收波形的首波初至?xí)r間延遲，首波幅值降低。但實(shí)際上由于混凝土非線性和缺陷性質(zhì)不同，首波幅值并不能反映真實(shí)情況。例如，當(dāng)樁身混凝土存在離析缺陷時(shí)，如粗骨料少砂漿多，首波幅值不但不降低，有時(shí)還會(huì)略高于附近其它點(diǎn)的首波幅值，給數(shù)據(jù)解釋帶來(lái)困難。

 
首波幅值只用到了接收波形中的第一個(gè)波幅，波形的其余部分沒(méi)有用到。相對(duì)能量則是指定接收波形中一段時(shí)間的幅值并積分為能量，這樣比單個(gè)首波幅值更能反映樁身混凝土的實(shí)際狀況。圖 2 為超聲波脈沖經(jīng)過(guò)良好混凝土的實(shí)測(cè)波形，圖 3 為超聲波脈沖經(jīng)過(guò)缺陷混凝土的實(shí)測(cè)波形。圖中兩條豎線為相對(duì)能量法指定的時(shí)間段。如果從首波幅值作為判缺標(biāo)準(zhǔn)，這兩條曲線是無(wú)法區(qū)分開(kāi)的。但是如果采用相對(duì)能量法，可以容易識(shí)別出樁身混凝土完好的樁段和存在缺陷的樁段。
 
2.2 識(shí)別首波初至新方法
 
首波初至?xí)r間是聲波透射法中極為重要的參數(shù)之一，它可用來(lái)計(jì)算混凝土的波速。目前采用的首波初至?xí)r間是一個(gè)絕對(duì)量，即接收波形中第一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間的準(zhǔn)確程度決定了計(jì)算的混凝土波速的精度。實(shí)際上，這個(gè)時(shí)間的準(zhǔn)確性往往受到多種因素的影響。比如測(cè)試過(guò)程中干擾波會(huì)疊加到接收波形上，容易造成識(shí)別誤差；再如聲測(cè)管的局部?jī)A斜，造成聲測(cè)管平行部分和傾斜部分的首波初至產(chǎn)生差異。由此可以看出，首波初至?xí)r間并不是一個(gè)絕對(duì)數(shù)值，而應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)的概念。
 
目前在美國(guó)采用閾值法識(shí)別首波初至?xí)r間。閾值中包括相對(duì)閾值和絕對(duì)閾值。相對(duì)閾值通過(guò)找出實(shí)測(cè)波形中首波峰值，采用此峰值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)作為閾值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻來(lái)識(shí)別初至?xí)r間，一般推薦使用 20～30%作為閾值。絕對(duì)閾值使用占滿量程的絕對(duì)百分?jǐn)?shù)作為閾值識(shí)別初至。一般推薦使用 10-15%作為閾值。實(shí)際工作中采用接收波形中第一個(gè)同時(shí)超過(guò)相對(duì)閾值和絕對(duì)閾值的時(shí)間確定為初至?xí)r間。
 
2.3 雙深度編碼器實(shí)時(shí)定位
 
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，國(guó)內(nèi)目前普遍采用單個(gè)深度編碼器裝置。在連續(xù)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，常由于人工提拉等原因使得兩個(gè)換能器沒(méi)有處在同一水平面上，造成實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性差。在只有一個(gè)深度編碼器的情況下是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的。


采用兩個(gè)深度編碼器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視兩個(gè)超聲換能器的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)整換能器位置，使得兩個(gè)換能器盡可能保持同步移動(dòng)，這對(duì)實(shí)測(cè)記錄大有好處。這也是目前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中儀器發(fā)展的一個(gè)重要方面。
 
圖 4 為實(shí)測(cè)的某深度段相應(yīng)的波速曲線和相對(duì)能量曲線（左側(cè)）及兩個(gè)換能器當(dāng)前所在位置（右側(cè)）。從圖中可以看出，波速曲線和相對(duì)能量曲線中段出現(xiàn)異常，波速和相對(duì)能量均明顯減小，一般來(lái)講表示該處有明顯缺陷。但是我們觀察到該深度上兩個(gè)換能器位置明顯加大，由于兩個(gè)換能器的距離增大，有可能造成波速和相對(duì)能量的降低，這樣就會(huì)容易出現(xiàn)

誤判。從這個(gè)例子可見(jiàn)，兩個(gè)深度編碼器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量和室內(nèi)分析是十分重要的。
 
2.4 綜合分析方法
 
國(guó)內(nèi)在判定缺陷分析方法上，目前采用波速或首波初至作為主要指標(biāo)。在全部聲測(cè)管彼此平行時(shí)，這種方法是較為有效的方法。但是聲測(cè)管往往會(huì)出現(xiàn)局部?jī)A斜或測(cè)試過(guò)程中發(fā)射和接收換能器不能彼此同步，這是波速法、波幅法甚至 PSD 斜率法都將會(huì)受到影響，給最終判定缺陷帶來(lái)困難。
 
即便是聲測(cè)管平行和收發(fā)換能器同步，單純使用一種方法判定缺陷仍然有問(wèn)題，因?yàn)槿毕菪再|(zhì)不同，對(duì)某一個(gè)變量（如波速）的影響不是很敏感。為此，采用綜合分析方法是解決缺陷的唯一途徑。近年來(lái)國(guó)外采用波速（或首波初至）、相對(duì)能量和瀑布圖（或稱全波列圖）組合判定缺陷。實(shí)踐證明，更為有效的方法是首先使用這個(gè)組合直觀發(fā)現(xiàn)缺陷，然后觀察和比較缺陷處與無(wú)缺陷處的接收波形形態(tài)，最終綜合分析判定缺陷。

 
圖 5 為某斷面的實(shí)測(cè)曲線。圖中深度約 7m 可見(jiàn)波速和相對(duì)能量明顯減小，瀑布圖相應(yīng)深度處出現(xiàn)空白區(qū)，懷疑該處有缺陷。然后進(jìn)一步證實(shí)，在確定兩個(gè)換能器同步的基礎(chǔ)上，觀察和比較完好混凝土處和懷疑有缺陷處的接收波形，如圖（a）和圖（b）。從中可以清楚地看出缺陷處接收波形首波初至?xí)r間長(zhǎng)、相對(duì)能量低且波形畸變。通過(guò)綜合分析最終判定該斷面在深度為 7m 附近有明顯缺陷。
 
2.5 三維成像分析技術(shù)
 
三維成像分析技術(shù)在我們國(guó)內(nèi)尚未有正式的成果及和應(yīng)用，仍然沿用全波列或聲學(xué)參數(shù)對(duì)深度的 XY 圖。在有限的聲測(cè)管和測(cè)試斷面情況下，只能判斷缺陷的粗略位置和范圍，不能給定缺陷的形狀和損失大小。近年來(lái)國(guó)外應(yīng)用層析成像技術(shù)對(duì)有限實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，建立二維和三維圖像。由此，判定缺陷形狀、位置和大小。這可以說(shuō)是聲波透射法今后發(fā)展的方向之一。有些國(guó)家已經(jīng)建議將三維成像分析技術(shù)納入到灌注樁樁身質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范中，以補(bǔ)充（甚至取代）當(dāng)前只使用 XY 圖作為判缺標(biāo)準(zhǔn)。
 
圖 6 為某根樁三維成像分析結(jié)果。圖中可以看出沿深度方向有幾處比較明顯的缺陷存在。立體鋼筋骨架圖（a）顯示了各缺陷的分布范圍。對(duì)缺陷處任一位置可進(jìn)行橫切面二維顯示。從中可以計(jì)算缺陷面積占全截面面積的百分比，即得到定量的缺陷大小。如圖（b）所示，對(duì)應(yīng) 7 米附近的缺陷，其分布范圍主要集中在測(cè)管 4、5、6 附近，缺陷率為 23%。
 

 
3．應(yīng)用實(shí)例
 
3.1 全截面缺陷
 
某橋梁鉆孔灌注樁應(yīng)用上述聲波透射法新技術(shù)分析結(jié)果曲線如圖 7 所示。瀑布圖中顯示了一個(gè)“全截面缺陷”，4 個(gè) 35m 長(zhǎng)聲測(cè)管的所有 6 個(gè)斷面的測(cè)試結(jié)果都顯示在約 28m 處有一個(gè)明顯缺陷。圖中最右邊為一個(gè)代表性斷面的實(shí)測(cè)首波初至（左側(cè)）曲線和相對(duì)能量對(duì)數(shù)曲線（右側(cè)），可清晰的將全截面的主缺陷位置及未有缺陷的完整部分顯示出來(lái)，不必進(jìn)一步分析。缺陷樁通過(guò)抽芯檢測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證，并采用高壓注漿方法進(jìn)行了處理。


 

4．結(jié)語(yǔ)
 
聲波透射法測(cè)試設(shè)備在灌注樁樁身完整性檢測(cè)中是非常行之有效的技術(shù)之一。但工程實(shí)際中的各種影響因素的存在，不可能完全使用理想的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算識(shí)別樁身缺陷。特別對(duì)于非平行聲測(cè)管來(lái)說(shuō)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法判斷結(jié)果容易產(chǎn)生誤判。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，如采用兩個(gè)深度編碼器、相對(duì)能量及全波列圖綜合分析方法大大改進(jìn)了測(cè)試過(guò)程和計(jì)算結(jié)果。為了確定缺陷形狀和定量計(jì)算缺陷大小，出現(xiàn)了三維成像分析技術(shù)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明這些新技術(shù)豐富和改進(jìn)了現(xiàn)有的聲波透射法測(cè)試方法和解釋方法，對(duì)今后補(bǔ)充和完善規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)大有益處。