李兵兵 韓 亮 王毅恒 嚴(yán)智宇

(1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；2.四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

1 概述

目前我國(guó)高速公路鐵路橋梁、市政道路高架橋梁以及高層建筑等基礎(chǔ)普遍采用大直徑鋼筋混凝土灌注樁，樁長(zhǎng)往往超過(guò)40 m。這些工程的樁基驗(yàn)收時(shí)，主要采用基樁聲波透射檢測(cè)技術(shù)確定樁身混凝土的均質(zhì)性和完整性。這是因?yàn)樗梢詸z測(cè)樁身內(nèi)部縱向和橫向任何位置的缺陷，且不受樁長(zhǎng)限制。目前，每個(gè)工程的檢測(cè)比例達(dá)100%。綜上可見(jiàn)，聲波透射檢測(cè)在實(shí)際工程中非常重要，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性決定著工程質(zhì)量的評(píng)定等級(jí)。通常，聲波透射檢測(cè)又稱埋管超聲檢測(cè)。成樁過(guò)程中在樁身內(nèi)預(yù)埋若干根聲測(cè)管，為超聲波換能器上下移動(dòng)提供測(cè)量通道。超聲波換能器通過(guò)聲測(cè)管深入到樁身混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，實(shí)測(cè)各個(gè)自上而下(或自下而上)由發(fā)射換能器T至接收換能器R組合剖面的聲學(xué)參數(shù)[1-3]?；诟鱾€(gè)組合剖面的實(shí)測(cè)聲時(shí)、聲速、聲幅等聲學(xué)參數(shù)，采用相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算和解釋方法，識(shí)別樁身內(nèi)部缺陷及其所在位置、范圍和程度。

2 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法分析

在國(guó)內(nèi)，聲波透射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法一直沿用至今。它是依據(jù)各個(gè)剖面測(cè)點(diǎn)首波初至?xí)r間(或聲速)和聲幅的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到聲時(shí)(或聲速)和聲幅臨界值作為缺陷判據(jù)。接近或高于臨界值的位置判定為樁身混凝土完好，無(wú)缺陷；而低于臨界值的位置則判定為缺陷[4]。理論上，臨界值判據(jù)是絕對(duì)嚴(yán)格的，看上去是沒(méi)有問(wèn)題的，但實(shí)踐中卻存在著明顯的缺點(diǎn)和局限性。運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法必須滿足默認(rèn)的兩個(gè)基本假設(shè)條件：第一，首波初至(或聲速)和聲幅在數(shù)值上是絕對(duì)量，即發(fā)射換能器激發(fā)超聲波脈沖后，經(jīng)過(guò)徑向柱形傳感器管壁、耦合水、發(fā)射聲測(cè)管管壁、樁身混凝土，再經(jīng)過(guò)接收聲測(cè)管管壁、耦合水、徑向柱形傳感器管壁，被接收換能器接收到第一個(gè)脈沖波的初至?xí)r刻及其幅值。這個(gè)初至?xí)r刻和幅值在物理意義上一定是精準(zhǔn)的；第二，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的發(fā)射換能器和接收換能器的間距嚴(yán)格相等，即各個(gè)剖面中的所有測(cè)點(diǎn)的首波初至(或聲速)和聲幅須在完全相同的條件下參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用聲波透射檢測(cè)技術(shù)時(shí)，兩個(gè)基本假設(shè)條件是很難實(shí)現(xiàn)的。1)各種來(lái)源的噪聲干擾信號(hào)不可避免，與有效信號(hào)疊加后，常使首波脈沖的辨別很困難，往往出現(xiàn)識(shí)取錯(cuò)誤情況，進(jìn)而導(dǎo)致首波初至?xí)r間(或聲速)和聲幅不準(zhǔn)確。2)各聲測(cè)管之間或者檢測(cè)中發(fā)射和接收換能器不平行很常見(jiàn)，這將導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)間的發(fā)射與接收換能器的間距不一致，參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的首波初至?xí)r間(或聲速)和聲幅無(wú)法保持嚴(yán)格的同等條件。由此可見(jiàn)，假設(shè)條件與實(shí)際情況很難達(dá)成一致，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法在實(shí)際應(yīng)用中存在著明顯的不足和局限性[5，6]。實(shí)踐中，這可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的漏檢情況，給工程帶來(lái)很大的安全隱患。

3 過(guò)濾法及其對(duì)比分析

在美國(guó)，聲波透射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算方法與我國(guó)有所不同，被稱為過(guò)濾法[7]。與國(guó)內(nèi)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法相比，過(guò)濾法強(qiáng)調(diào)相對(duì)能量、閾值首波初至?xí)r間(或聲速)、瀑布圖和層析成像等分析綜合運(yùn)用，來(lái)識(shí)別樁身內(nèi)部混凝土缺陷。

3.1 相對(duì)能量

發(fā)射換能器生成的發(fā)射脈沖經(jīng)過(guò)樁身混凝土、缺陷以及聲測(cè)管和耦合水等介質(zhì)，到達(dá)接收換能器時(shí)，實(shí)測(cè)到的脈沖信號(hào)強(qiáng)度必然衰減。顯然，若衰減弱，表明接收信號(hào)強(qiáng)度高，混凝土質(zhì)量完好，樁身無(wú)缺陷；若衰減嚴(yán)重，表明接收信號(hào)強(qiáng)度低，樁身存在缺陷。在國(guó)內(nèi)，采用實(shí)測(cè)聲幅即首波的幅值作為接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)。實(shí)踐中首波的識(shí)別并非易事，常受到環(huán)境噪聲、聲測(cè)管之間及換能器之間不平行等干擾，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)測(cè)聲幅出現(xiàn)誤差。為此，實(shí)測(cè)的聲幅并不能反映真實(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。過(guò)濾法利用相對(duì)能量來(lái)反映接收信號(hào)強(qiáng)度。相對(duì)能量是對(duì)自首波初至?xí)r刻起一定時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算。比如時(shí)間長(zhǎng)度50，意指包括首波初至?xí)r刻在內(nèi)連續(xù)50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的接收信號(hào)進(jìn)行積分，作為相對(duì)能量值。與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法僅利用首波幅值不同，相對(duì)能量不僅利用了首波幅值，而且還利用了首波時(shí)刻后連續(xù)若干時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)幅值，充分利用了實(shí)測(cè)信號(hào)，更能真實(shí)有效地反映接收信號(hào)的強(qiáng)度。如圖1所示，首波初至?xí)r刻開(kāi)始的兩條垂直虛線表示相對(duì)能量計(jì)算長(zhǎng)度。

3.2 閾值首波初至?xí)r刻

在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法中，首波初至?xí)r刻物理上是一個(gè)絕對(duì)量值，即扣除零讀數(shù)(由檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生以及耦合水和聲測(cè)管管壁產(chǎn)生)后接收到的第一個(gè)超聲脈沖首波的凈時(shí)間。實(shí)踐中，這個(gè)時(shí)間常受到噪聲干擾信號(hào)疊加以及聲測(cè)管間不平行或換能器間距局部變化等許多不利因素的影響，造成各測(cè)點(diǎn)間首波初至?xí)r刻產(chǎn)生差異。由此可見(jiàn)，首波初至?xí)r刻并不是一個(gè)絕對(duì)量，而是一個(gè)相對(duì)量。過(guò)濾法采用設(shè)定閾值來(lái)確定首波初至?xí)r刻。閾值設(shè)定有兩種，即REL閾值和ABS閾值。REL閾值通過(guò)找出接收信號(hào)中首波峰值，以此峰值的百分?jǐn)?shù)幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為首波初至?xí)r刻。該閾值推薦設(shè)定為20%～30%之間。ABS閾值以接收信號(hào)最大量程的百分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間作為首波初至?xí)r刻。該閾值推薦設(shè)定為10%～15%之間。具體運(yùn)用時(shí)，采用接收信號(hào)中第一個(gè)同時(shí)超過(guò)REL閾值和ABS閾值的時(shí)刻作為最終的首波初至?xí)r刻。如圖2所示，兩條水平線分別表示REL閾值和ABS閾值，垂線與時(shí)間軸的交點(diǎn)表示使用閾值確定的首波初至?xí)r刻。

3.3 瀑布圖

在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法中，一般采用聲時(shí)(或聲速)和聲幅曲線與臨界值線之間的相互關(guān)系來(lái)顯示樁身缺陷。低于臨界線的聲時(shí)(或聲速)和聲幅位置被判定為缺陷所在位置。依據(jù)上述討論，這種方式存在著明顯不足。過(guò)濾法強(qiáng)烈推薦采用瀑布圖方式來(lái)識(shí)別和顯示缺陷。瀑布圖又稱波列圖，是將某一剖面中所有測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)自上而下依次連續(xù)地疊加起來(lái)，形成類似于瀑布形態(tài)的圖形。對(duì)于反映樁身缺陷來(lái)講，更顯直觀，易于判斷。運(yùn)用相對(duì)能量、閾值首波初至?xí)r刻(或聲速)和瀑布圖相結(jié)合是非常有效的缺陷判定分析方法。圖3為瀑布示意圖，最左側(cè)連線表示首波初至?xí)r刻曲線。

3.4 層析成像分析

超聲波透射層析成像技術(shù)是20世紀(jì)70年代由Greenleaf等人提出的[8]。運(yùn)用X-CT理論中的Radon變換，得到樁身混凝土摻量噪聲(聲速、衰減系數(shù))與接收信號(hào)之間的線性關(guān)系。在樁身中沿多個(gè)不同方向發(fā)射超聲波脈沖和接收信號(hào)，利用X-CT理論中的圖像重建方法，如FBP和代數(shù)重建等算法反演樁身聲學(xué)摻量噪聲的分布圖像。層析成像分析在我國(guó)應(yīng)用很少，僅沿用聲時(shí)(或聲速)和聲幅隨深度變化的XY曲線。在少量聲測(cè)管和組合剖面情況下，只能粗略地評(píng)判缺陷及其所在位置和分布范圍，無(wú)法定量地給出缺陷的分布形態(tài)和損傷程度。過(guò)濾法鼓勵(lì)采用層析成像分析技術(shù)，在平測(cè)剖面基礎(chǔ)上，增加不同方向的斜測(cè)剖面?；谶@些實(shí)測(cè)剖面反演聲速二維和三維圖像。層析成像分析可以定量地判定缺陷及其所在位置、形狀和程度。圖4為層析成像分析結(jié)果圖，圖4a)為三維立體顯示圖，圖4b)為縱剖面顯示圖，圖中陰影部分表示缺陷。從中可以清晰地看出樁頂以下6 m,29 m和47 m附近的缺陷及其分布狀況。

3.5 聲學(xué)參數(shù)與缺陷關(guān)系

利用過(guò)濾法實(shí)測(cè)的聲學(xué)參數(shù)與常見(jiàn)缺陷之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于分析和判定樁身內(nèi)部混凝土缺陷。當(dāng)超聲波脈沖遇到缺陷時(shí)，接收信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生改變，會(huì)引起各個(gè)聲學(xué)參數(shù)的顯著變化，如：1)相對(duì)能量減?。?)首波初至?xí)r刻延長(zhǎng)(或聲速降低)；3)瀑布圖外輪廓出現(xiàn)中斷或空白區(qū)域；4)接收信號(hào)畸變。

經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，不同缺陷的聲學(xué)參數(shù)變化特征明顯不同。以下詳細(xì)地描述常見(jiàn)樁身缺陷與聲學(xué)參數(shù)變化之間的關(guān)系特征：

1)斷樁。在澆筑混凝土過(guò)程中由于拔管過(guò)快導(dǎo)致樁身某處產(chǎn)生斷樁。斷樁通常是全截面的缺陷，對(duì)應(yīng)深度處各個(gè)剖面的實(shí)測(cè)聲速和相對(duì)能量均會(huì)快速下降。與其他缺陷相比，斷樁的實(shí)測(cè)聲速和相對(duì)能量曲線表現(xiàn)為突變型以及瀑布圖出現(xiàn)明顯空白區(qū)域。2)縮頸或夾泥。當(dāng)樁身內(nèi)部混凝土存在縮頸或夾泥時(shí)，對(duì)應(yīng)深度處的實(shí)測(cè)聲速和相對(duì)能量將會(huì)下降。如果聲測(cè)管被夾泥所包裹，則聲速和相對(duì)能量下降幅度更大。3)氣泡。樁身混凝土內(nèi)常存在著微小氣泡。氣泡不會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)聲速造成明顯降低，但卻使相對(duì)能量明顯衰減，實(shí)測(cè)相對(duì)能量明顯下降，這是因?yàn)槁暶}沖遇到氣泡導(dǎo)致散射而引起的。4)離析。混凝土離析使得局部粗骨料集中而與其相鄰區(qū)域的骨料少砂漿多。粗骨料多的地方聲速升高，但由于聲學(xué)界面多對(duì)聲脈沖的反射和散射加劇，使得接收信號(hào)相對(duì)能量下降。粗骨料少砂漿多的地方，實(shí)測(cè)聲速下降而相對(duì)能量高于附近混凝土，瀑布圖出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的空白區(qū)域。5)孔底沉渣。沉渣物質(zhì)呈松散狀態(tài)，對(duì)聲脈沖的衰減相當(dāng)劇烈，使實(shí)測(cè)聲速和相對(duì)能量劇烈下降，瀑布圖出現(xiàn)明顯空白區(qū)域。通常，在樁底附近出現(xiàn)這種聲學(xué)表現(xiàn)，表明樁底存在著較厚的沉渣。

4 工程應(yīng)用

某工程基礎(chǔ)采用大直徑鉆孔灌注樁，樁徑2 200 mm，樁長(zhǎng)80 m，混凝土強(qiáng)度C35。樁身完整性采用聲波透射技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，樁身中預(yù)埋有8根聲測(cè)管。為了驗(yàn)證過(guò)濾法分析的有效性，在樁頂以下22 m附近設(shè)置一個(gè)明顯缺陷。該缺陷直徑300 mm，高度500 mm，呈圓柱體樁，材質(zhì)為泡沫。聲測(cè)管和缺陷布置示意圖如圖5所示。由圖中可見(jiàn)，缺陷布置在聲測(cè)管A和H之間?，F(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)缺陷情況見(jiàn)圖6。

實(shí)測(cè)各個(gè)組合剖面聲學(xué)參數(shù)后進(jìn)行過(guò)濾法數(shù)據(jù)處理和分析，得到全部28個(gè)組合剖面的聲時(shí)(或聲速)曲線、相對(duì)能量曲線和瀑布圖。分析結(jié)果顯示AH,AG,BH組合剖面發(fā)現(xiàn)這個(gè)埋設(shè)缺陷。典型的聲學(xué)異常表現(xiàn)如圖7所示。由圖中可以清晰地看出，在22.0 m附件聲速和相對(duì)能量快速下降，瀑布圖出現(xiàn)局部空白區(qū)域，其外輪廓首波初至?xí)r間延長(zhǎng)，表明該處附近存在著明顯缺陷。

5 結(jié)論

1)過(guò)濾法中利用相對(duì)能量和閾值首波初至?xí)r刻判據(jù)，可客觀地反映樁身混凝土實(shí)際強(qiáng)度和缺陷，相比于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法的聲時(shí)聲幅臨界值判據(jù)更加科學(xué)，可大大減少缺陷漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。2)過(guò)濾法強(qiáng)調(diào)利用瀑布圖識(shí)別缺陷，使得缺陷的分辨率和對(duì)比度明顯提高，更加直觀。3)過(guò)濾法鼓勵(lì)運(yùn)用相對(duì)能量、首波初至(或聲速)、瀑布圖及層析成像等缺陷分析方法進(jìn)行綜合解釋，可有效地識(shí)別缺陷并彌補(bǔ)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法中的局限性。這對(duì)聲波透射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性和計(jì)算結(jié)果的可靠性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。