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聲波檢測(cè)技術(shù)中的反射法

1.引 言

      聲波檢測(cè)技術(shù)僅能使用透射法，以后單孔“一發(fā)雙收”聲波測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，從方法上擴(kuò)展到了折射波法。聲波檢測(cè)的反射波法（又稱(chēng)應(yīng)力波反射法、低應(yīng)變反射波法）是從一維干的基樁檢測(cè)開(kāi)始的。樁式基礎(chǔ)使用多的荷蘭，早在二十世紀(jì)六十年代中期，開(kāi)發(fā)了反射波法檢測(cè)基樁的完整性，我國(guó)是在上個(gè)世紀(jì)八十年代中后期，在基本建設(shè)大規(guī)模發(fā)展的背景下，首先由地礦系統(tǒng)的科研單位開(kāi)發(fā)研究并推廣了反射波法基樁完整檢測(cè)技術(shù)，繼而由地質(zhì)礦產(chǎn)部和建設(shè)部聯(lián)合頒發(fā)了“基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程”（JGJ/T  93－95）。這個(gè)行業(yè)規(guī)程為2003年建設(shè)部頒發(fā)的“建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范”（JGJ 106－2003）中的低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的編寫(xiě)打下了基礎(chǔ)。

       二十世紀(jì)八十年代左右，國(guó)際上和我國(guó)先后開(kāi)展了聲波反射波法檢測(cè)混凝土板厚度的研究，在上世紀(jì)九十年代中期國(guó)外商品化的混凝土板厚檢測(cè)儀器擁入我國(guó)之后，我國(guó)的反射法混凝土板厚檢測(cè)儀器也相應(yīng)推出，例如康科瑞工程檢測(cè)技術(shù)公司的混凝土板厚檢測(cè)系統(tǒng)。

3.5.工程樁的缺陷類(lèi)型

由于施工中的工藝因素，地層的地質(zhì)因素，施工的人為因素，樁身可能出現(xiàn)下列缺陷：

•  離析（原地灌注樁）

• 空洞（原地灌注樁）

• 夾泥（原地灌注樁）

• 微裂（預(yù)制打入式樁、原地灌注樁）

• 斷、裂（預(yù)制打入式樁、原地灌注樁）

• 二次澆灌面（原地灌注樁）

• 縮徑（原地灌注樁）

• 擴(kuò)徑（原地灌注樁）

3.6.反射波法的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)

3.6.1.樁頭的處理——擊振點(diǎn)及接收點(diǎn)應(yīng)打摩平整。

3.6.2.瞬態(tài)擊振問(wèn)題——擊振脈沖寬度要適當(dāng)

瞬態(tài)擊振技術(shù)是基樁反射波法完整性檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，其核心問(wèn)題是：應(yīng)根據(jù)樁長(zhǎng)、地層狀態(tài)和預(yù)期檢測(cè)缺陷位置來(lái)選擇擊振脈沖波的頻率，原則是：

● 長(zhǎng)樁擊振頻率要低；       ● 硬地層的中長(zhǎng)樁頻率要低；

● 短樁擊振頻率要高；       ● 檢測(cè)淺部缺陷頻率要高

擊振脈沖波的頻率與擊振脈沖寬度有關(guān)，窄脈沖頻率高，寬脈沖頻率低，即擊振脈沖頻率與擊振脈沖寬度成一定比例關(guān)系，圖4.說(shuō)明了它們的關(guān)系：

3.6.3.接收傳感器的安裝與耦合

不論速度型還是加速度型傳感器，安裝和耦合都是能否能取得信號(hào)的關(guān)鍵，是檢測(cè)工作中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)注意的問(wèn)題有：

• l 安裝的位置混凝土應(yīng)完整、無(wú)松動(dòng)，表面平整；

• l 傳感器安裝應(yīng)與樁頂面垂直；

• l 用耦合劑粘結(jié)時(shí)要粘牢，不可在擊振時(shí)使其產(chǎn)生付加振動(dòng)；

• l 耦合劑可以是黃油、凡士林、牙膏、橡皮泥。在用加速度傳感器時(shí)，用橡皮泥一類(lèi)的耦合劑還可以起到機(jī)械濾波，將擊振的高頻干擾成分濾除。

• l 其它有關(guān)問(wèn)題參閱“建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范”（JGJ 106 2003）

3.7.反射波的信號(hào)處理

國(guó)內(nèi)外的反射波基樁完整性檢測(cè)儀器，都不同程度需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的反射信號(hào)進(jìn)行處理，目的在于去處雜波，改善信號(hào)質(zhì)量，甚至使信號(hào)看起來(lái)更加直觀，讓委托檢測(cè)單位的一般人員也能看懂。這些后續(xù)處理歸結(jié)起來(lái)有：

l 頻譜分析——用于了解干擾波的頻率范圍；

l 低通濾波——去處高頻干擾波，基樁反射法適用的優(yōu)勢(shì)頻率約在500～2000Hz；

l 多點(diǎn)平滑濾波——將相鄰若干采樣點(diǎn)的信號(hào)幅度相加，再平均成為此點(diǎn)的幅度；

l 去除直流成分——將信號(hào)中的直流去除，只要有用的交流部分，即波動(dòng)部分；

l 積分處理——積分后振動(dòng)加速度可成為振動(dòng)速度信號(hào)、振動(dòng)速度可成為位移信號(hào)；

l 指數(shù)放大——波幅是按指數(shù)規(guī)律衰減，用隨時(shí)間按指數(shù)放大可要突出樁底信號(hào)；

l 波幅的歸一化處理；

l 波形的編輯——對(duì)上述處理后的波形進(jìn)行“平移”、“旋轉(zhuǎn)”。

現(xiàn)以康科瑞公司的KON-PIT反射法基樁完整性檢測(cè)儀的信號(hào)后處理為例，說(shuō)明以上問(wèn)題，見(jiàn)圖9及圖10。

      目前，國(guó)內(nèi)外的反射波基樁完整性檢測(cè)儀，并不是都將上述的各種后處理全表現(xiàn)出來(lái)，都由操作者進(jìn)行處理，有的國(guó)外儀器只需由用戶(hù)選擇：是否選用多點(diǎn)平滑濾波及所選平滑點(diǎn)數(shù)（此功能把波形處理得平滑好看，把小的缺陷遮蓋掉，如荷蘭TNO的FPDS型）；是否選擇使用指數(shù)放大及放大倍數(shù)，如美國(guó)PDL公司的PIT儀、TNO的FPDS儀）；是否選擇積分（如美國(guó)的PIT）；有的把信號(hào)處理與編輯功能放在機(jī)外軟件上去處理。

       康科瑞公司的KON-PIT反射波基樁完整性檢測(cè)儀，強(qiáng)調(diào)首先要能看到采集到的原始信號(hào)，因?yàn)橹挥形词芗庸さ脑夹盘?hào)才能反映樁的真實(shí)情況，這樣才可以有目的的進(jìn)行信號(hào)處理，使處理后的結(jié)果更加符合真實(shí)情況。KON－PIT儀器內(nèi)部的信號(hào)處理功能如圖9，而機(jī)外信號(hào)處理軟件功能如圖10，但它不具備多點(diǎn)平滑濾波功能。

3.8.反射法的頻域解釋

      前面論述的是反射波在時(shí)間域中的波形分析原理，所考慮的是當(dāng)錘擊激勵(lì)樁頭后樁內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)傳播的有關(guān)規(guī)律。但實(shí)際是如錘擊激勵(lì)的合適，還可以在激勵(lì)起樁身內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的同時(shí)，使一維桿狀的樁在樁的軸線(xiàn)方向上下振動(dòng)，即軸向振動(dòng)。軸向振動(dòng)需要在頻率域里來(lái)研究。

3.9.反射法的資料解釋需掌握樁制造過(guò)程的相關(guān)資料

3.9.1根據(jù)樁身內(nèi)聲波的傳播規(guī)律可知，可以根據(jù)反射波時(shí)域曲線(xiàn)的直達(dá)波、樁底反射波和缺陷反射波的波幅、頻率、相位推斷評(píng)價(jià)樁身完整性。但是，依靠這些來(lái)分析推斷樁身完整性是不夠的，主要原因是：反射波法和其它的物理檢測(cè)方法一樣，存在多解性。也就是僅從波形和聲參量異常，可能會(huì)有多種解釋。例如：

l 對(duì)樁身中的離析、空洞、二次澆灌面、夾泥等和樁身縮徑的反射波曲線(xiàn)的反映大體一致，因而無(wú)法確切說(shuō)明究竟是何種缺陷；

l 當(dāng)樁身漸漸的擴(kuò)徑后再縮徑，反射波曲線(xiàn)反應(yīng)的是縮徑，于是常常會(huì)把擴(kuò)徑誤判為縮徑；

l 地層變化引起的反射波和樁身缺陷的反射波是無(wú)法區(qū)分的，因而會(huì)導(dǎo)致誤判為樁身存在缺陷；

3.9.2.解決多解性的方法是：在檢測(cè)之前，必須收集與掌握基樁全部制作過(guò)程的技術(shù)資料、檔案，包括：

工程場(chǎng)地的工程地質(zhì)勘察報(bào)告、水文地質(zhì)概況；

灌注樁的成孔方式、工藝；

灌注樁的澆灌環(huán)境（如是否是水下作業(yè)）、方式、工藝。 

只有掌握上述技術(shù)資料，做為分析判斷樁身完整性、有無(wú)缺陷、是何種缺陷的佐證后，才有可能比較正確的對(duì)樁身完整性及缺陷性質(zhì)做出推斷解釋。例如：

l 由地層的巖性是否黏土層，可以判斷排除是否縮徑；

l 由地層是否是砂層來(lái)判斷是否擴(kuò)徑，或可能是漸擴(kuò)徑

l 由成孔方式（是人工挖孔，還是鉆孔）可推斷缺陷是否是夾泥；

l 由地下水文地質(zhì)條件及混凝土灌注方法、工藝來(lái)判斷是否可能是離析；

l 由澆灌過(guò)程是否連續(xù)或中斷，判斷缺陷是否是二次澆灌面或斷樁；

l 同一場(chǎng)地，如許多樁都在同一深度存在“缺陷”反射波時(shí)，應(yīng)查看地質(zhì)勘察報(bào)告，了解地層是否由軟突然變硬，或由硬突然變軟。

3.10.反射法存在的不足

反射波法檢測(cè)基樁完整性存在下列問(wèn)題

（a）缺陷的上下界面混疊，很難分辨缺陷垂直方向的尺寸；

（b）缺陷水平方向的尺寸無(wú)法定量確定；

（c）嵌巖樁有可能推斷出孔底有無(wú)沉渣，但無(wú)法確定其厚度；

（d）逐漸擴(kuò)徑后突然縮徑的缺陷很容易誤判為縮徑；

（e）只能了解樁身的平均聲速，不可用聲速推定樁身混凝土強(qiáng)度；

（f）僅從反射波的時(shí)域波形不能推斷出缺陷的性質(zhì)；

4.反射波法檢測(cè)混凝土板狀物的厚度

     當(dāng)混凝土構(gòu)筑物只有一個(gè)檢測(cè)面時(shí)，如路面、機(jī)場(chǎng)跑道、隧道襯砌、樓板、擋土墻等，其厚度較薄，可視其為板狀物，對(duì)其厚度、缺陷進(jìn)行檢測(cè)，便只有應(yīng)用反射波法。這就是二十世紀(jì)八十年代左右，國(guó)際上和我國(guó)先后開(kāi)展了聲波反射波法檢測(cè)混凝土板厚度研究的背景。上世紀(jì)九十年代國(guó)外出現(xiàn)商品化產(chǎn)品，本世紀(jì)初國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。

      但實(shí)際測(cè)試中并不那么簡(jiǎn)單，原因是接收傳感器在接收到板底界面反射波的同時(shí)，還接收到沿板表面?zhèn)鞑サ闹边_(dá)波，它們混疊在一起。不像有一定長(zhǎng)度的基樁，樁底反射波的走時(shí)遠(yuǎn)大于激振的脈沖寬度，可以把底部的反射與直達(dá)波區(qū)分開(kāi)，并測(cè)讀反射波的走時(shí)。解決的方法是：利用前面論述過(guò)的，當(dāng)激振后在板內(nèi)引起的多次反射，接收傳感器將它與直達(dá)波一道接收下來(lái)，再處理分析，其分析是在頻率域中進(jìn)行，簡(jiǎn)稱(chēng)“頻域測(cè)試法”。

4.2 頻域測(cè)試法

測(cè)試方法如圖14（a）。手錘擊振產(chǎn)生直達(dá)波D、板底界面多次反射波Pr、接收傳感器接收到的信號(hào)R如圖14（b）。顯然，欲得到理想的測(cè)試結(jié)果，需滿(mǎn)足如下條件：

       菲涅爾帶上各個(gè)點(diǎn)的反射波與O點(diǎn)垂直反射波在觀測(cè)點(diǎn)O’疊加，使觀測(cè)點(diǎn)反射回來(lái)的波幅相長(zhǎng)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的反射波幅做出貢獻(xiàn)。而菲涅爾帶以外各點(diǎn)產(chǎn)生的反射波則相消，故菲涅爾帶是產(chǎn)生反射的有效面積。這就決定了反射法的可分辨的水平方向的尺寸，即水平分辨率。

4. 6 結(jié)語(yǔ)

      基于板狀混凝土構(gòu)筑厚度及缺陷檢測(cè)的沖擊回波法是反射波在新的檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，在廿世紀(jì)九十年代成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。丹麥Germain公司的Docter沖擊回波檢測(cè)系統(tǒng)成為早推出的商品化儀器，相繼還有美國(guó)公司OLSON的NDT--PCⅡ，荷蘭TNO--Profound公司的THICK型和Germain的Docter--2000。國(guó)內(nèi)，上世紀(jì)九十年代中北京市市政工程研究院承擔(dān)了北京市科委下達(dá)的“智能化沖擊——回波材料檢測(cè)設(shè)的開(kāi)發(fā)研究”課題，成為承擔(dān)沖擊回波法政府指令性研究單位，歷時(shí)三年于2000年通過(guò)鑒定驗(yàn)收的同時(shí)批量生產(chǎn)投放市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

       沖擊——回波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上由三部分組成，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激振系統(tǒng)和接收傳感器。上述國(guó)外產(chǎn)品國(guó)內(nèi)均有引進(jìn)，經(jīng)對(duì)比實(shí)測(cè)效果并不理想，究其原因問(wèn)題主要出在激振及傳感器性能。鑒此，當(dāng)我們把研究重點(diǎn)放在激振和接收后，取得較佳效果。經(jīng)同條件對(duì)比，國(guó)產(chǎn)設(shè)備性能超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品。