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      基樁聲波透射法檢測(cè)重難點(diǎn)分析

      2023-11-28 08:49:44羅劍
      廣東建材 2023年11期
      關(guān)鍵詞:測(cè)管聲速波幅

      羅劍

      (深圳市港嘉工程檢測(cè)有限公司)

      0 基本原理

      聲波透射法的基本原理是用人工方法在混凝土介質(zhì)中激發(fā)一定頻率的彈性波,該彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí),遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射、透射、繞射,由接收換能器的波形,對(duì)波的聲速、波幅、頻率和波形的特征進(jìn)行觀測(cè)和分析判斷混凝土樁的完整性及缺陷的位置、范圍及程度。

      聲波透射法用于檢測(cè)混凝土灌注樁的完整性開始于20世紀(jì)70年代,其操作方法是:在鋼筋籠內(nèi)側(cè)平行豎直固定兩根及以上聲測(cè)管,將換能器放入聲測(cè)管中發(fā)射和接收超聲波沿豎直方向穿過基樁混凝土的信號(hào)(如圖1),通過聲波儀A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)加以存儲(chǔ)并在專業(yè)計(jì)算機(jī)分析軟件上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理,如統(tǒng)計(jì)分析、濾波、管斜修正、手動(dòng)判讀首波。計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算平均波速、平均波幅、PSD、臨界波速和臨界波幅,對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析和判斷,確定樁身混凝土的缺陷位置、范圍大小和嚴(yán)重程度,綜合判定樁身完整性類別。

      圖1 聲波透射法檢測(cè)示意圖

      1 聲波透射法

      1.1 儀器設(shè)備

      聲波透射法檢測(cè)主要設(shè)備包括聲波儀器主機(jī)、跨孔聲波探頭和深度計(jì)數(shù)器。聲波是在介質(zhì)中傳播的機(jī)械波,其波動(dòng)的頻率范圍可達(dá)1010Hz,聲波透射法檢測(cè)基樁混凝土質(zhì)量的聲波頻率一般在2×104~2.5×105Hz,介于超聲波頻段,所以日常工作中經(jīng)常稱聲波透射法為超聲波法,對(duì)應(yīng)的儀器就叫超聲波儀。

      1.1.1聲波儀器主機(jī)

      聲波儀器主機(jī)應(yīng)符合下列規(guī)定:

      ⑴波形顯示應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定、可存儲(chǔ);

      ⑵應(yīng)具有自動(dòng)和手動(dòng)聲時(shí)測(cè)量功能,聲時(shí)測(cè)量范圍宜為0.5μs~5000μs,聲時(shí)測(cè)量分辨力不宜低于0.1μs;

      ⑶宜具有自動(dòng)和手動(dòng)波幅或衰減測(cè)量功能;

      ⑷宜具有自動(dòng)和手動(dòng)頻率測(cè)量功能;

      ⑸接收放大系統(tǒng)的帶寬宜為10kHz~200kHz,接收系統(tǒng)靈敏度宜高于50Mv,宜具有增益調(diào)節(jié)功能,總增益不宜低于80dB;

      ⑹宜采用直流供電,宜配有備用電池;

      ⑺宜具有自動(dòng)記錄發(fā)射與接收換能器位置的功能[1]。

      1.1.2跨孔聲波探頭

      跨孔聲波探頭應(yīng)符合下列規(guī)定:

      ⑴跨孔聲波探頭應(yīng)采用圓環(huán)式徑向振動(dòng)的徑向換能器,即沿水平方向無(wú)指向性,諧振頻率為2×104Hz~6×104Hz,有效工作面軸向長(zhǎng)度不大于15cm;

      ⑵接收換能器宜內(nèi)裝有前置放大器;

      ⑶基樁混凝土質(zhì)量檢測(cè)一般是用水作為換能器與混凝土的耦合劑,對(duì)于水中的換能器,其水密性應(yīng)在1MPa 水壓下不滲漏,就是保證樁長(zhǎng)不大于100m 的水下能正常工作,一般樁長(zhǎng)不大于90m。

      1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

      1.2.1準(zhǔn)備工作

      ⑴被檢樁混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%,且不低于20(15)MPa;

      ⑵破除樁頭浮漿、松散破損及超灌部分,使樁頂標(biāo)高為設(shè)計(jì)的樁頂標(biāo)高;

      ⑶割去所有高度較高的聲測(cè)管一部分,直至各聲測(cè)管口高度平齊。露出樁頭的聲測(cè)管管口高度以略高于樁頭30cm,若聲測(cè)管過高應(yīng)割低;

      ⑷用清水沖洗聲測(cè)管,沖洗方法為使用PVC 軟管插至聲測(cè)管底部,沖洗2~5 分鐘,直至聲測(cè)管底部的鐵銹等雜物沖洗干凈流出清水為止。遇有泥塊或者其他雜物堵住聲測(cè)管的情況可嘗試用8mm 鋼筋插入聲測(cè)管通管;

      ⑸測(cè)定儀器系統(tǒng)聲零聲時(shí),以備在檢測(cè)過程中進(jìn)行聲時(shí)修正。

      1.2.2聲測(cè)管埋設(shè)規(guī)定

      ⑴聲測(cè)管可用鋼管(內(nèi)徑為40~50mm 管,壁厚3mm左右),管身不得有破損,管內(nèi)壁應(yīng)光滑,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,制作及施工過程中不得有損壞變形;

      ⑵聲測(cè)管應(yīng)從樁底開始設(shè)置,直到高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高50cm 左右,管底用鐵板電焊(或管帽)封閉,以防漏水。上端管口要設(shè)帽,以防雜物堵塞,檢測(cè)時(shí)又便于打開;

      ⑶鋼管拼接時(shí)宜用套管螺紋連接或焊接,接口處要求密封平整以利換能器上落無(wú)阻。預(yù)埋管應(yīng)固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè),垂直均勻分布,管與管之間互相平行,各預(yù)埋管管底應(yīng)平齊;

      ⑷聲測(cè)管應(yīng)沿鋼筋籠內(nèi)圓周呈對(duì)稱分布,當(dāng)樁徑d≤800mm 時(shí),安裝2 根聲測(cè)管;當(dāng)800mm<d≤2000mm 時(shí),應(yīng)安裝3 根聲測(cè)管;當(dāng)d>2000mm 時(shí),應(yīng)安裝4 根聲測(cè)管。應(yīng)自正北方向開始,按順時(shí)針方向?qū)β暅y(cè)管從“1”開始編號(hào)(圖2)。

      圖2 聲測(cè)管埋設(shè)平面示意圖

      1.2.3現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的規(guī)定

      ⑴打開操作系統(tǒng),運(yùn)行程序,輸入各參數(shù):檢測(cè)工程名稱、樁號(hào)、樁長(zhǎng)、跨距、增益、增益、延時(shí)、系統(tǒng)零聲時(shí)、步距、計(jì)步器輪徑、檢測(cè)時(shí)間等;

      ⑵采集開始時(shí)勻速拉動(dòng)換能器連接線并觀察信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)可回退至信號(hào)正常位置再重新收線,確保不是因?yàn)椴杉惓?dǎo)致信號(hào)異常。采集完畢以后觀察探頭是否已到聲測(cè)管口以此判斷測(cè)試樁長(zhǎng)以實(shí)際樁長(zhǎng)是否一致;

      ⑶如對(duì)某個(gè)部位缺陷有懷疑時(shí),可加密測(cè)試、斜測(cè)、扇測(cè)及CT 測(cè)試,可改變收發(fā)換能器移動(dòng)步距、收發(fā)換能器的高差或者采用CT探頭進(jìn)行CT測(cè)試。檢測(cè)完成后及時(shí)保存數(shù)據(jù),查看文件,可觀察到已存到硬盤中的數(shù)據(jù)文件。進(jìn)入下一根樁檢測(cè)時(shí),請(qǐng)?jiān)趨?shù)中作相應(yīng)改動(dòng),再執(zhí)行采樣、讀數(shù)和存貯等功能,直到所有樁檢測(cè)完畢;

      ⑷在必要時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)使用儀器自帶的分析軟件初步判斷比較明顯的信號(hào)為施工贏得時(shí)間,對(duì)于復(fù)雜、較難判斷及有爭(zhēng)議的信號(hào)應(yīng)在電腦軟件上進(jìn)行分析處理以免造成不必要損失。

      1.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與判定

      ⑴聲時(shí)、聲速和聲速平均值分別按下式計(jì)算:

      式中:

      tci——混凝土第i測(cè)線的聲時(shí)(μs);

      ti——第i測(cè)線的總聲時(shí)(μs);

      t0——聲波檢測(cè)系統(tǒng)延遲時(shí)間(μs);

      vi——第i測(cè)線聲速值(km/s);

      Dc——兩根聲測(cè)管外壁間的距離(mm);

      Ai——第i測(cè)線的聲波波幅值(dB);

      ai——第i測(cè)線的聲波波幅值(V);

      a0——聲波0dB波幅值(V)。

      ⑵當(dāng)因聲測(cè)管傾斜導(dǎo)致聲測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律性變化時(shí),應(yīng)先對(duì)管距進(jìn)行合理的修正,然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯偏離正常值而又無(wú)法合理修正時(shí),不得用于評(píng)價(jià)樁身完整性。

      ⑶采用臨界值法時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定:

      ①將同一測(cè)面全部n 條測(cè)線的聲速、波幅和主頻Xi由 大到小依次排序,即:X1≥X2≥…Xm≥Xm+1… ≥Xn-1≥Xn,計(jì)算出X及sx值,并按下式計(jì)算異常小值判斷值:

      Xa=X-λ1sx

      式中:

      Xa——聲速、波幅或主頻異常小值判斷值;

      λ1——樣本中不同樣本總數(shù)對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

      將異常小值判斷值Xa與最小數(shù)據(jù)Xn相比較:

      當(dāng)Xa<Xn時(shí),Xa即為異常情況的判斷值。

      當(dāng)Xa≥Xn時(shí),剔除最小值Xn,對(duì)剩余的X1~Xn-1按上述方法統(tǒng)計(jì)和判別。

      通過循環(huán)的剔除和判別,直至最終的Xa小于最終參加統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中的最小值為止,此Xa即為最終的異常小值判斷值。

      測(cè)面聲速、波幅或主頻臨界值按下列方法確定:

      式中:

      Xcr——測(cè)面聲速、波幅或主頻臨界值。

      將各測(cè)線聲速、波幅或主頻和對(duì)應(yīng)的臨界值相比較:

      vi<vcr

      Ai<Acr

      當(dāng)同時(shí)滿足上述兩式時(shí)該測(cè)線可判定為缺陷測(cè)線。樁身完整性判定表(如表1)。

      表1 樁身完整性判定

      2 工程實(shí)例

      本項(xiàng)目是位于深圳市寶安區(qū)的一個(gè)房建項(xiàng)目,建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí),采用旋挖(沖、鉆)孔灌注樁,樁端持力層為中風(fēng)化或微風(fēng)化混合花崗巖,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。本次對(duì)103 根灌注樁進(jìn)行了聲波透射法檢測(cè),樁身完整性檢測(cè)結(jié)果為Ⅰ類樁98根,占95.1%,Ⅱ類樁5根,占4.9%。以G-61號(hào)樁為例,單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線(如圖3),單樁實(shí)測(cè)聲速、波幅數(shù)據(jù)(如表2)。1-2、1-3、2-3 三個(gè)剖面的實(shí)測(cè)聲速值均大于其聲速臨界值,實(shí)測(cè)波幅也均大于其波幅臨界值,判定G-61號(hào)樁三個(gè)剖面均無(wú)缺陷,樁身完整性為Ⅰ類。

      表2 單樁實(shí)測(cè)聲速、波幅數(shù)據(jù)

      圖3 單樁各剖面聲速-深度、波幅-深度曲線

      3 聲波透射法檢測(cè)重點(diǎn)及難點(diǎn)

      3.1 檢測(cè)過程中接收信號(hào)突然消失

      這種情況有兩種原因,一種是聲測(cè)管內(nèi)沒有耦合水介質(zhì);另外一種是設(shè)備系統(tǒng)問題。第一步應(yīng)先檢查聲測(cè)管是否灌滿清水,可以在檢測(cè)過程中,用水管不斷地往聲測(cè)管加水,直至清水溢出管口為止;然后,將徑向換能器十字交叉,上下左右平移采樣,查看有無(wú)接收波形,若有接收波形,說(shuō)明設(shè)備系統(tǒng)沒問題。

      3.2 判斷設(shè)備系統(tǒng)問題的部位

      用平面換能器替換徑向換能器插在主機(jī)上,使平面換能器的聲波發(fā)射面緊貼,點(diǎn)擊采樣,如波形無(wú)異常,證明儀器本身沒問題,只是徑向換能器的問題。如果確定是換能器的問題,再換上徑向換能器,點(diǎn)擊采樣,若能聽到發(fā)射換能器發(fā)出的振動(dòng)聲而沒有顯示波形,可以確定是接收換能器的問題;若聽不到發(fā)射換能器發(fā)出的振動(dòng)聲,需將徑向發(fā)射換能器更換成平面換能器,用平面換能器的發(fā)射面與徑向換能器的中間位置并攏,點(diǎn)擊采樣,如果顯示波形,說(shuō)明接收換能器完好是發(fā)射換能器的問題,若上述兩種情況都不是,則判定收、發(fā)徑向換能器都有問題。

      3.3 發(fā)射正常、接收時(shí)好時(shí)壞

      換能器管口水中調(diào)試時(shí)波形無(wú)異常,放入管底正式檢測(cè)過程中波形時(shí)好時(shí)壞,乃至沒有接收信號(hào),提至管口時(shí)波形又正常,或回收聲測(cè)線、用換能器十字交叉波形顯示正常。這種情況是因?yàn)槁暅y(cè)線損壞,水密性不足,當(dāng)水壓力較大時(shí)滲入換能器壓電體,而使換能器的振動(dòng)靈敏度降低導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度較低,無(wú)法接收信號(hào),這種情況建議直接報(bào)廢換能器,因?yàn)橐坏弘婓w故障無(wú)法維修,只能更換新的換能器。

      3.4 樁頭最后一些測(cè)點(diǎn)聲速、幅度急劇下降

      檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)在樁的淺部位置的最后一些測(cè)點(diǎn)單獨(dú)或連續(xù)的聲學(xué)參數(shù)明顯減小,但其他深度的測(cè)點(diǎn)均無(wú)異常。這種情況可能是鑿除樁頭(用炮機(jī))時(shí),導(dǎo)致混凝土與聲測(cè)管產(chǎn)生脫離(間隙)或者混凝土松動(dòng)(裂隙),可以采用人工鑿除樁頭并保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)聲測(cè)管不被破壞。

      3.5 聲測(cè)管的要求

      聲測(cè)管是聲波透射法檢測(cè)中作為換能器的通道,其埋設(shè)和連接的質(zhì)量關(guān)乎現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的成敗,故在樁身施工施工時(shí)要特別引起重視,具體要求有以下幾個(gè)方面:

      ⑴樁身預(yù)埋管應(yīng)采用用鋼管(內(nèi)徑為40~50mm 管,壁厚3mm 左右),管身不得有破損、變形,管內(nèi)壁應(yīng)光滑,管外壁應(yīng)與混凝土粘結(jié)牢固,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,保證聲測(cè)管不因受混凝土澆筑外力而彎折、脫開。

      ⑵預(yù)埋管應(yīng)從樁底開始設(shè)置,直到高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高50cm 左右,管底用鐵板電焊(或管帽)封閉,以防漏水。上端管口要設(shè)帽,以防雜物堵塞,檢測(cè)時(shí)又便于打開。

      ⑶鋼管拼接時(shí)宜用套管螺紋連接或焊接,接口處要求密封平整以利換能器上落無(wú)阻。預(yù)埋管應(yīng)固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè),垂直均勻分布,管與管之間互相平行,各預(yù)埋管管底應(yīng)平齊。

      4 結(jié)語(yǔ)

      ⑴基樁聲波透射法對(duì)比其他檢測(cè)樁身完整性的有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠,可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位;且現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便、迅速,不受樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比的限制,一般也不受場(chǎng)地限制[3]。

      ⑵總結(jié)分析聲波透射法檢測(cè)過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn),保證檢測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施,檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性,提高樁基檢測(cè)質(zhì)量,促進(jìn)樁基檢測(cè)行業(yè)的有利發(fā)展。

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