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聲波檢測技術(shù)中的反射法

1.引 言

      聲波檢測技術(shù)僅能使用透射法，以后單孔“一發(fā)雙收”聲波測試技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用，從方法上擴展到了折射波法。聲波檢測的反射波法（又稱(chēng)應力波反射法、低應變反射波法）是從一維干的基樁檢測開(kāi)始的。樁式基礎使用多的荷蘭，早在二十世紀六十年代中期，開(kāi)發(fā)了反射波法檢測基樁的完整性，我國是在上個(gè)世紀八十年代中后期，在基本建設大規模發(fā)展的背景下，首先由地礦系統的科研單位開(kāi)發(fā)研究并推廣了反射波法基樁完整檢測技術(shù)，繼而由地質(zhì)礦產(chǎn)部和建設部聯(lián)合頒發(fā)了“基樁低應變動(dòng)力檢測規程”（JGJ/T  93－95）。這個(gè)行業(yè)規程為2003年建設部頒發(fā)的“建筑基樁檢測技術(shù)規范”（JGJ 106－2003）中的低應變動(dòng)力檢測的編寫(xiě)打下了基礎。

       二十世紀八十年代左右，國際上和我國先后開(kāi)展了聲波反射波法檢測混凝土板厚度的研究，在上世紀九十年代中期國外商品化的混凝土板厚檢測儀器擁入我國之后，我國的反射法混凝土板厚檢測儀器也相應推出，例如康科瑞工程檢測技術(shù)公司的混凝土板厚檢測系統。

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（預制打入式樁、原地灌注樁）

• 斷、裂（預制打入式樁、原地灌注樁）

• 二次澆灌面（原地灌注樁）

• 縮徑（原地灌注樁）

• 擴徑（原地灌注樁）

3.6.反射波法的現場(chǎng)檢測技術(shù)要點(diǎn)

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

3.6.2.瞬態(tài)擊振問(wèn)題——擊振脈沖寬度要適當

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

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

● 短樁擊振頻率要高；       ● 檢測淺部缺陷頻率要高

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的關(guān)鍵，是檢測工作中非常重要的一個(gè)環(huán)節。應注意的問(wèn)題有：

• l 安裝的位置混凝土應完整、無(wú)松動(dòng)，表面平整；

• l 傳感器安裝應與樁頂面垂直；

• l 用耦合劑粘結時(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“建筑基樁檢測技術(shù)規范”（JGJ 106 2003）

3.7.反射波的信號處理

國內外的反射波基樁完整性檢測儀器，都不同程度需要對現場(chǎng)采集到的反射信號進(jìn)行處理，目的在于去處雜波，改善信號質(zhì)量，甚至使信號看起來(lái)更加直觀(guān)，讓委托檢測單位的一般人員也能看懂。這些后續處理歸結起來(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、振動(dòng)速度可成為位移信號；

l 指數放大——波幅是按指數規律衰減，用隨時(shí)間按指數放大可要突出樁底信號；

l 波幅的歸一化處理；

l 波形的編輯——對上述處理后的波形進(jìn)行“平移”、“旋轉”。

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

      目前，國內外的反射波基樁完整性檢測儀，并不是都將上述的各種后處理全表現出來(lái)，都由操作者進(jìn)行處理，有的國外儀器只需由用戶(hù)選擇：是否選用多點(diǎn)平滑濾波及所選平滑點(diǎn)數（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）；是否選擇使用指數放大及放大倍數，如美國PDL公司的PIT儀、TNO的FPDS儀）；是否選擇積分（如美國的PIT）；有的把信號處理與編輯功能放在機外軟件上去處理。

       康科瑞公司的KON-PIT反射波基樁完整性檢測儀，強調首先要能看到采集到的原始信號，因為只有未受加工的原始信號才能反映樁的真實(shí)情況，這樣才可以有目的的進(jìn)行信號處理，使處理后的結果更加符合真實(shí)情況。KON－PIT儀器內部的信號處理功能如圖9，而機外信號處理軟件功能如圖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，所考慮的是當錘擊激勵樁頭后樁內質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)傳播的有關(guān)規律。但實(shí)際是如錘擊激勵的合適，還可以在激勵起樁身內質(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根據樁身內聲波的傳播規律可知，可以根據反射波時(shí)域曲線(xiàn)的直達波、樁底反射波和缺陷反射波的波幅、頻率、相位推斷評價(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 當樁身漸漸的擴徑后再縮徑，反射波曲線(xiàn)反應的是縮徑，于是常常會(huì )把擴徑誤判為縮徑；

l 地層變化引起的反射波和樁身缺陷的反射波是無(wú)法區分的，因而會(huì )導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)判斷是否擴徑，或可能是漸擴徑

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)，應查看地質(zhì)勘察報告，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.反射波法檢測混凝土板狀物的厚度

     當混凝土構筑物只有一個(gè)檢測面時(shí)，如路面、機場(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，對其厚度、缺陷進(jìn)行檢測，便只有應用反射波法。這就是二十世紀八十年代左右，國際上和我國先后開(kāi)展了聲波反射波法檢測混凝土板厚度研究的背景。上世紀九十年代國外出現商品化產(chǎn)品，本世紀初國內的產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。

      但實(shí)際測試中并不那么簡(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)，還接收到沿板表面傳播的直達波，它們混疊在一起。不像有一定長(cháng)度的基樁，樁底反射波的走時(shí)遠大于激振的脈沖寬度，可以把底部的反射與直達波區分開(kāi)，并測讀反射波的走時(shí)。解決的方法是：利用前面論述過(guò)的，當激振后在板內引起的多次反射，接收傳感器將它與直達波一道接收下來(lái)，再處理分析，其分析是在頻率域中進(jìn)行，簡(jiǎn)稱(chēng)“頻域測試法”。

4.2 頻域測試法

測試方法如圖14（a）。手錘擊振產(chǎn)生直達波D、板底界面多次反射波Pr、接收傳感器接收到的信號R如圖14（b）。顯然，欲得到理想的測試結果，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(guān)測點(diǎn)O’疊加，使觀(guān)測點(diǎn)反射回來(lái)的波幅相長(cháng)，對觀(guān)測點(diǎn)的反射波幅做出貢獻。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 結語(yǔ)

      基于板狀混凝土構筑厚度及缺陷檢測的沖擊回波法是反射波在新的檢測領(lǐng)域中的應用開(kāi)發(fā)，在廿世紀九十年代成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。丹麥Germain公司的Docter沖擊回波檢測系統成為早推出的商品化儀器，相繼還有美國公司OLSON的NDT--PCⅡ，荷蘭TNO--Profound公司的THICK型和Germain的Docter--2000。國內，上世紀九十年代中北京市市政工程研究院承擔了北京市科委下達的“智能化沖擊——回波材料檢測設的開(kāi)發(fā)研究”課題，成為承擔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)鑒定驗收的同時(shí)批量生產(chǎn)投放市場(chǎng)推廣應用。

       沖擊——回波檢測系統，實(shí)質(zhì)上由三部分組成，即數據采集系統、激振系統和接收傳感器。上述國外產(chǎn)品國內均有引進(jìn)，經(jīng)對比實(shí)測效果并不理想，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)同條件對比，國產(chǎn)設備性能超過(guò)國外產(chǎn)品。