摘要 本文較為詳細(xì)地講解了
聲波透射法測試儀領(lǐng)域的若干新技術(shù)，如相對能量解釋方法、三維層析成像分析技術(shù)等，同時闡述了現(xiàn)行方法中的局限性。通過橋梁灌注樁的應(yīng)用實例，說明這些新技術(shù)可有效地改善測試過程和解釋精度。
1．前言
聲波透射法檢測儀是根據(jù)超聲波的透射原理檢測樁身完整性，目前已成為基樁無損檢測中行之有效的方法之一。橋梁灌注樁一般具有樁徑大、樁長長、缺陷復(fù)雜等特點，低應(yīng)變動力檢測法測試樁身完整性常受到淺部盲區(qū)、多缺陷和樁長過長等限制，無法測試出樁身淺部缺陷、多個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題。如圖 1 所示，它是在樁身中預(yù)埋若干根聲測管，聲測管材質(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管中同一水平高度。測試過程中，兩個換能器保持同步移動，發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖通過樁身混凝土到達(dá)接收換能器接收。如果樁身混凝土有缺陷，則會引起接收波形發(fā)生變化。通過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。
圖 1：試驗示意圖
隨著聲波測試儀器的發(fā)展，現(xiàn)場普遍采用連續(xù)式快速采集。與過去的點式測量方法相比，測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)計法和 PSD 斜率法為主要判缺方法。在聲測管間比較平行時，上述方法可準(zhǔn)確的識別缺陷。
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)來說要復(fù)雜得多，常常使得數(shù)學(xué)統(tǒng)計法或 PSD 法計算的臨界值和異常點與實際不符。此外，聲測管間在埋設(shè)過程中經(jīng)常造成不平行或產(chǎn)生局部傾斜，或者即便聲測管平行，測試中發(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)計法和 PSD 法不能完全適用，給解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來風(fēng)險。
為了改進(jìn)測試和解釋方法，提高判缺準(zhǔn)確度，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域近年來提出了一些新技術(shù)方法并應(yīng)用于實際工程，取得了較為理想的效果。
2．新技術(shù)方法
2.1 相對能量判別缺陷
相對能量是對指定的時間段內(nèi)實測信號絕對幅值進(jìn)行積分計算的數(shù)值，其實際數(shù)值并不重要，只是一個相對值。這個概念是針對首波幅值而提出的。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，接收波形的首波初至?xí)r間延遲，首波幅值降低。但實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情況。例如，當(dāng)樁身混凝土存在離析缺陷時，如粗骨料少砂漿多，首波幅值不但不降低，有時還會略高于附近其它點的首波幅值，給數(shù)據(jù)解釋帶來困難。
圖 2：經(jīng)過良好混凝土的接收波形 圖 3：經(jīng)過缺陷混凝土的接收波形
首波幅值只用到了接收波形中的第一個波幅，波形的其余部分沒有用到。相對能量則是指定接收波形中一段時間的幅值并積分為能量，這樣比單個首波幅值更能反映樁身混凝土的實際狀況。圖 2 為超聲波脈沖經(jīng)過良好混凝土的實測波形，圖 3 為超聲波脈沖經(jīng)過缺陷混凝土的實測波形。圖中兩條豎線為相對能量法指定的時間段。如果從首波幅值作為判缺標(biāo)準(zhǔn)，這兩條曲線是無法區(qū)分開的。但是如果采用相對能量法，可以容易識別出樁身混凝土完好的樁段和存在缺陷的樁段。
2.2 識別首波初至新方法
首波初至?xí)r間是聲波透射法中極為重要的參數(shù)之一，它可用來計算混凝土的波速。目前采用的首波初至?xí)r間是一個絕對量，即接收波形中第一個脈沖的到達(dá)時間。這個時間的準(zhǔn)確程度決定了計算的混凝土波速的精度。實際上，這個時間的準(zhǔn)確性往往受到多種因素的影響。比如測試過程中干擾波會疊加到接收波形上，容易造成識別誤差；再如聲測管的局部傾斜，造成聲測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間并不是一個絕對數(shù)值，而應(yīng)該是一個相對的概念。
目前在美國采用閾值法識別首波初至?xí)r間。閾值中包括相對閾值和絕對閾值。相對閾值通過找出實測波形中首波峰值，采用此峰值的相對百分?jǐn)?shù)作為閾值對應(yīng)的時刻來識別初至?xí)r間，一般推薦使用 20～30%作為閾值。絕對閾值使用占滿量程的絕對百分?jǐn)?shù)作為閾值識別初至。一般推薦使用 10-15%作為閾值。實際工作中采用接收波形中第一個同時超過相對閾值和絕對閾值的時間確定為初至?xí)r間。
2.3 雙深度編碼器實時定位
現(xiàn)場測試過程中，國內(nèi)目前普遍采用單個深度編碼器裝置。在連續(xù)數(shù)據(jù)采集過程中，常由于人工提拉等原因使得兩個換能器沒有處在同一水平面上，造成實測結(jié)果的一致性差。在只有一個深度編碼器的情況下是不能及時發(fā)現(xiàn)的。
圖 4：實時顯示的兩個換能器當(dāng)前所在位置
采用兩個深度編碼器，可以實時監(jiān)視兩個超聲換能器的位置，及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整換能器位置，使得兩個換能器盡可能保持同步移動，這對實測記錄大有好處。這也是目前現(xiàn)場測試中儀器發(fā)展的一個重要方面。
圖 4 為實測的某深度段相應(yīng)的波速曲線和相對能量曲線（左側(cè)）及兩個換能器當(dāng)前所在位置（右側(cè)）。從圖中可以看出，波速曲線和相對能量曲線中段出現(xiàn)異常，波速和相對能量均明顯減小，一般來講表示該處有明顯缺陷。但是我們觀察到該深度上兩個換能器位置明顯加大，由于兩個換能器的距離增大，有可能造成波速和相對能量的降低，這樣就會容易出現(xiàn)
誤判。從這個例子可見，兩個深度編碼器對現(xiàn)場實際測量和室內(nèi)分析是十分重要的。
2.4 綜合分析方法
國內(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)。在全部聲測管彼此平行時，這種方法是較為有效的方法。但是聲測管往往會出現(xiàn)局部傾斜或測試過程中發(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 斜率法都將會受到影響，給最終判定缺陷帶來困難。
即便是聲測管平行和收發(fā)換能器同步，單純使用一種方法判定缺陷仍然有問題，因為缺陷性質(zhì)不同，對某一個變量（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。近年來國外采用波速（或首波初至）、相對能量和瀑布圖（或稱全波列圖）組合判定缺陷。實踐證明，更為有效的方法是首先使用這個組合直觀發(fā)現(xiàn)缺陷，然后觀察和比較缺陷處與無缺陷處的接收波形形態(tài)，最終綜合分析判定缺陷。
圖 5：綜合法判定缺陷
圖 5 為某斷面的實測曲線。圖中深度約 7m 可見波速和相對能量明顯減小，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，在確定兩個換能器同步的基礎(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、相對能量低且波形畸變。通過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)對深度的 XY 圖。在有限的聲測管和測試斷面情況下，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。近年來國外應(yīng)用層析成像技術(shù)對有限實測斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，建立二維和三維圖像。由此，判定缺陷形狀、位置和大小。這可以說是聲波透射法今后發(fā)展的方向之一。有些國家已經(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。對缺陷處任一位置可進(jìn)行橫切面二維顯示。從中可以計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，對應(yīng) 7 米附近的缺陷，其分布范圍主要集中在測管 4、5、6 附近，缺陷率為 23%。
圖 6：三維成像分析結(jié)果
3．應(yīng)用實例
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“全截面缺陷”，4 個 35m 長聲測管的所有 6 個斷面的測試結(jié)果都顯示在約 28m 處有一個明顯缺陷。圖中最右邊為一個代表性斷面的實測首波初至（左側(cè)）曲線和相對能量對數(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，不必進(jìn)一步分析。缺陷樁通過抽芯檢測進(jìn)行了驗證，并采用高壓注漿方法進(jìn)行了處理。
圖 7：全截面缺陷
3.2 樁身多個缺陷及三維顯示
某高架橋采用單樁單柱基礎(chǔ)形式，鉆孔灌注樁樁徑 2.2 米，樁長 40 米。由于該樁的重要性且處于軟土地層中，為考察樁身完整性情況共埋設(shè) 4 根聲測管。有代表性的斷面測試結(jié)果如圖 8 所示。圖（a）通過首波初至曲線、相對能量對數(shù)曲線和瀑布圖綜合分析，可容易地判斷出沿深度方向有三處明顯缺陷。為了進(jìn)一步確定缺陷范圍和損失大小，采用三維成像分析計算，得到圖（b）。
(a) 曲線分析結(jié)果 (b)三維成像分析結(jié)果
圖 8：樁身存在多個缺陷
4．結(jié)語
聲波透射法測試設(shè)備在灌注樁樁身完整性檢測中是非常行之有效的技術(shù)之一。但工程實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)計方法計算識別樁身缺陷。特別對于非平行聲測管來說，數(shù)理統(tǒng)計法判斷結(jié)果容易產(chǎn)生誤判。近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，如采用兩個深度編碼器、相對能量及全波列圖綜合分析方法大大改進(jìn)了測試過程和計算結(jié)果。為了確定缺陷形狀和定量計算缺陷大小，出現(xiàn)了三維成像分析技術(shù)。通過實際應(yīng)用表明這些新技術(shù)豐富和改進(jìn)了現(xiàn)有的聲波透射法測試方法和解釋方法，對今后補(bǔ)充和完善規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)大有益處。
