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声波检测技术中的反射法

1.引 言

      声波检测技术仅能使用透射法，以后单孔“一发双收”声波测试技术的开发应用，从方法上扩展到了折射波法。声波检测的反射波法（又称应力波反射法、低应变反射波法）是从一维干的基桩检测开始的。桩式基础使用多的荷兰，早在二十世纪六十年代中期，开发了反射波法检测基桩的完整性，我国是在上个世纪八十年代中后期，在基本建设大规模发展的背景下，首先由地矿系统的科研单位开发研究并推广了反射波法基桩完整检测技术，继而由地质矿产部和建设部联合颁发了“基桩低应变动力检测规程”（JGJ/T  93－95）。这个行业规程为2003年建设部颁发的“建筑基桩检测技术规范”（JGJ 106－2003）中的低应变动力检测的编写打下了基础。

       二十世纪八十年代左右，国际上和我国先后开展了声波反射波法检测混凝土板厚度的研究，在上世纪九十年代中期国外商品化的混凝土板厚检测仪器拥入我国之后，我国的反射法混凝土板厚检测仪器也相应推出，例如康科瑞工程检测技术公司的混凝土板厚检测系统。

3.5.工程桩的缺陷类型

由于施工中的工艺因素，地层的地质因素，施工的人为因素，桩身可能出现下列缺陷：

•  离析（原地灌注桩）

• 空洞（原地灌注桩）

• 夹泥（原地灌注桩）

• 微裂（预制打入式桩、原地灌注桩）

• 断、裂（预制打入式桩、原地灌注桩）

• 二次浇灌面（原地灌注桩）

• 缩径（原地灌注桩）

• 扩径（原地灌注桩）

3.6.反射波法的现场检测技术要点

3.6.1.桩头的处理——击振点及接收点应打摩平整。

3.6.2.瞬态击振问题——击振脉冲宽度要适当

瞬态击振技术是基桩反射波法完整性检测技术的关键，其核心问题是：应根据桩长、地层状态和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波的频率，原则是：

● 长桩击振频率要低；       ● 硬地层的中长桩频率要低；

● 短桩击振频率要高；       ● 检测浅部缺陷频率要高

击振脉冲波的频率与击振脉冲宽度有关，窄脉冲频率高，宽脉冲频率低，即击振脉冲频率与击振脉冲宽度成一定比例关系，图4.说明了它们的关系：

3.6.3.接收传感器的安装与耦合

不论速度型还是加速度型传感器，安装和耦合都是能否能取得信号的关键，是检测工作中非常重要的一个环节。应注意的问题有：

• l 安装的位置混凝土应完整、无松动，表面平整；

• l 传感器安装应与桩顶面垂直；

• l 用耦合剂粘结时要粘牢，不可在击振时使其产生付加振动；

• l 耦合剂可以是黄油、凡士林、牙膏、橡皮泥。在用加速度传感器时，用橡皮泥一类的耦合剂还可以起到机械滤波，将击振的高频干扰成分滤除。

• l 其它有关问题参阅“建筑基桩检测技术规范”（JGJ 106 2003）

3.7.反射波的信号处理

国内外的反射波基桩完整性检测仪器，都不同程度需要对现场采集到的反射信号进行处理，目的在于去处杂波，改善信号质量，甚至使信号看起来更加直观，让委托检测单位的一般人员也能看懂。这些后续处理归结起来有：

l 频谱分析——用于了解干扰波的频率范围；

l 低通滤波——去处高频干扰波，基桩反射法适用的优势频率约在500～2000Hz；

l 多点平滑滤波——将相邻若干采样点的信号幅度相加，再平均成为此点的幅度；

l 去除直流成分——将信号中的直流去除，只要有用的交流部分，即波动部分；

l 积分处理——积分后振动加速度可成为振动速度信号、振动速度可成为位移信号；

l 指数放大——波幅是按指数规律衰减，用随时间按指数放大可要突出桩底信号；

l 波幅的归一化处理；

l 波形的编辑——对上述处理后的波形进行“平移”、“旋转”。

现以康科瑞公司的KON-PIT反射法基桩完整性检测仪的信号后处理为例，说明以上问题，见图9及图10。

      目前，国内外的反射波基桩完整性检测仪，并不是都将上述的各种后处理全表现出来，都由操作者进行处理，有的国外仪器只需由用户选择：是否选用多点平滑滤波及所选平滑点数（此功能把波形处理得平滑好看，把小的缺陷遮盖掉，如荷兰TNO的FPDS型）；是否选择使用指数放大及放大倍数，如美国PDL公司的PIT仪、TNO的FPDS仪）；是否选择积分（如美国的PIT）；有的把信号处理与编辑功能放在机外软件上去处理。

       康科瑞公司的KON-PIT反射波基桩完整性检测仪，强调首先要能看到采集到的原始信号，因为只有未受加工的原始信号才能反映桩的真实情况，这样才可以有目的的进行信号处理，使处理后的结果更加符合真实情况。KON－PIT仪器内部的信号处理功能如图9，而机外信号处理软件功能如图10，但它不具备多点平滑滤波功能。

3.8.反射法的频域解释

      前面论述的是反射波在时间域中的波形分析原理，所考虑的是当锤击激励桩头后桩内质点的振动传播的有关规律。但实际是如锤击激励的合适，还可以在激励起桩身内质点振动的同时，使一维杆状的桩在桩的轴线方向上下振动，即轴向振动。轴向振动需要在频率域里来研究。

3.9.反射法的资料解释需掌握桩制造过程的相关资料

3.9.1根据桩身内声波的传播规律可知，可以根据反射波时域曲线的直达波、桩底反射波和缺陷反射波的波幅、频率、相位推断评价桩身完整性。但是，依靠这些来分析推断桩身完整性是不够的，主要原因是：反射波法和其它的物理检测方法一样，存在多解性。也就是仅从波形和声参量异常，可能会有多种解释。例如：

l 对桩身中的离析、空洞、二次浇灌面、夹泥等和桩身缩径的反射波曲线的反映大体一致，因而无法确切说明究竟是何种缺陷；

l 当桩身渐渐的扩径后再缩径，反射波曲线反应的是缩径，于是常常会把扩径误判为缩径；

l 地层变化引起的反射波和桩身缺陷的反射波是无法区分的，因而会导致误判为桩身存在缺陷；

3.9.2.解决多解性的方法是：在检测之前，必须收集与掌握基桩全部制作过程的技术资料、档案，包括：

工程场地的工程地质勘察报告、水文地质概况；

灌注桩的成孔方式、工艺；

灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、方式、工艺。 

只有掌握上述技术资料，做为分析判断桩身完整性、有无缺陷、是何种缺陷的佐证后，才有可能比较正确的对桩身完整性及缺陷性质做出推断解释。例如：

l 由地层的岩性是否黏土层，可以判断排除是否缩径；

l 由地层是否是砂层来判断是否扩径，或可能是渐扩径

l 由成孔方式（是人工挖孔，还是钻孔）可推断缺陷是否是夹泥；

l 由地下水文地质条件及混凝土灌注方法、工艺来判断是否可能是离析；

l 由浇灌过程是否连续或中断，判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩；

l 同一场地，如许多桩都在同一深度存在“缺陷”反射波时，应查看地质勘察报告，了解地层是否由软突然变硬，或由硬突然变软。

3.10.反射法存在的不足

反射波法检测基桩完整性存在下列问题

（a）缺陷的上下界面混叠，很难分辨缺陷垂直方向的尺寸；

（b）缺陷水平方向的尺寸无法定量确定；

（c）嵌岩桩有可能推断出孔底有无沉渣，但无法确定其厚度；

（d）逐渐扩径后突然缩径的缺陷很容易误判为缩径；

（e）只能了解桩身的平均声速，不可用声速推定桩身混凝土强度；

（f）仅从反射波的时域波形不能推断出缺陷的性质；

4.反射波法检测混凝土板状物的厚度

     当混凝土构筑物只有一个检测面时，如路面、机场跑道、隧道衬砌、楼板、挡土墙等，其厚度较薄，可视其为板状物，对其厚度、缺陷进行检测，便只有应用反射波法。这就是二十世纪八十年代左右，国际上和我国先后开展了声波反射波法检测混凝土板厚度研究的背景。上世纪九十年代国外出现商品化产品，本世纪初国内的产品也相继问世。

      但实际测试中并不那么简单，原因是接收传感器在接收到板底界面反射波的同时，还接收到沿板表面传播的直达波，它们混叠在一起。不像有一定长度的基桩，桩底反射波的走时远大于激振的脉冲宽度，可以把底部的反射与直达波区分开，并测读反射波的走时。解决的方法是：利用前面论述过的，当激振后在板内引起的多次反射，接收传感器将它与直达波一道接收下来，再处理分析，其分析是在频率域中进行，简称“频域测试法”。

4.2 频域测试法

测试方法如图14（a）。手锤击振产生直达波D、板底界面多次反射波Pr、接收传感器接收到的信号R如图14（b）。显然，欲得到理想的测试结果，需满足如下条件：

       菲涅尔带上各个点的反射波与O点垂直反射波在观测点O’叠加，使观测点反射回来的波幅相长，对观测点的反射波幅做出贡献。而菲涅尔带以外各点产生的反射波则相消，故菲涅尔带是产生反射的有效面积。这就决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 结语

      基于板状混凝土构筑厚度及缺陷检测的冲击回波法是反射波在新的检测领域中的应用开发，在廿世纪九十年代成为一个新的热点。丹麦Germain公司的Docter冲击回波检测系统成为早推出的商品化仪器，相继还有美国公司OLSON的NDT--PCⅡ，荷兰TNO--Profound公司的THICK型和Germain的Docter--2000。国内，上世纪九十年代中北京市市政工程研究院承担了北京市科委下达的“智能化冲击——回波材料检测设的开发研究”课题，成为承担冲击回波法政府指令性研究单位，历时三年于2000年通过鉴定验收的同时批量生产投放市场推广应用。

       冲击——回波检测系统，实质上由三部分组成，即数据采集系统、激振系统和接收传感器。上述国外产品国内均有引进，经对比实测效果并不理想，究其原因问题主要出在激振及传感器性能。鉴此，当我们把研究重点放在激振和接收后，取得较佳效果。经同条件对比，国产设备性能超过国外产品。