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)的開發(fā)應(yīng)用，從方法上擴(kuò)展到了折射波法。聲波檢測的反射波法（又稱應(yīng)力波反射法、低應(yīng)變反射波法）是從一維干的基樁檢測開始的。樁式基礎(chǔ)使用多的荷蘭，早在二十世紀(jì)六十年代中期，開發(fā)了反射波法檢測基樁的完整性，我國是在上個(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(shè)部聯(lián)合頒發(fā)了“基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測規(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“建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范”（JGJ 106－2003）中的低應(yīng)變動(dòng)力檢測的編寫打下了基礎(chǔ)。

       二十世紀(jì)八十年代左右，國際上和我國先后開展了聲波反射波法檢測混凝土板厚度的研究，在上世紀(jì)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(yīng)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(tǒng)。

3.5.工程樁的缺陷類型

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(yīng)打摩平整。

3.6.2.瞬態(tài)擊振問題——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技術(shù)的關(guān)鍵，其核心問題是：應(yīng)根據(jù)樁長、地層狀態(tài)和預(yù)期檢測缺陷位置來選擇擊振脈沖波的頻率，原則是：

● 長樁擊振頻率要低；       ● 硬地層的中長樁頻率要低；

● 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(jié)。應(yīng)注意的問題有：

• l 安裝的位置混凝土應(yīng)完整、無松動(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)問題參閱“建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范”（JGJ 106 2003）

3.7.反射波的信號處理

國內(nèi)外的反射波基樁完整性檢測儀器，都不同程度需要對現(xiàn)場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，甚至使信號看起來更加直觀，讓委托檢測單位的一般人員也能看懂。這些后續(xù)處理歸結(jié)起來有：

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(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；

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(zhuǎn)”。

現(xiàn)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，說明以上問題，見圖9及圖10。

      目前，國內(nèi)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(xiàn)出來，都由操作者進(jìn)行處理，有的國外儀器只需由用戶選擇：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(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儀，強(qiáng)調(diào)首先要能看到采集到的原始信號，因?yàn)橹挥形词芗庸さ脑夹盘柌拍芊从硺兜恼鎸?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(jié)果更加符合真實(shí)情況。KON－PIT儀器內(nèi)部的信號處理功能如圖9，而機(jī)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(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)需要在頻率域里來研究。

3.9.反射法的資料解釋需掌握樁制造過程的相關(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、相位推斷評價(jià)樁身完整性。但是，依靠這些來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的反映大體一致，因而無法確切說明究竟是何種缺陷；

l 當(dāng)樁身漸漸的擴(kuò)徑后再縮徑，反射波曲線反應(yīng)的是縮徑，于是常常會把擴(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法區(qū)分的，因而會導(dǎo)致誤判為樁身存在缺陷；

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

工程場地的工程地質(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、工藝來判斷是否可能是離析；

l 由澆灌過程是否連續(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

反射波法檢測基樁完整性存在下列問題

（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法定量確定；

（c）嵌巖樁有可能推斷出孔底有無沉渣，但無法確定其厚度；

（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)檢測面時(shí)，如路面、機(jī)場跑道、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(yīng)用反射波法。這就是二十世紀(jì)八十年代左右，國際上和我國先后開展了聲波反射波法檢測混凝土板厚度研究的背景。上世紀(jì)九十年代國外出現(xiàn)商品化產(chǎn)品，本世紀(jì)初國內(nèi)的產(chǎn)品也相繼問世。

      但實(shí)際測試中并不那么簡單，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，并測讀反射波的走時(shí)。解決的方法是：利用前面論述過的，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，再處理分析，其分析是在頻率域中進(jìn)行，簡稱“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(dá)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(jié)果，需滿足如下條件：

       菲涅爾帶上各個(gè)點(diǎn)的反射波與O點(diǎn)垂直反射波在觀測點(diǎn)O’疊加，使觀測點(diǎn)反射回來的波幅相長，對觀測點(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

      基于板狀混凝土構(gòu)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(yīng)用開發(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沖擊回波檢測系統(tǒng)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(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——回波材料檢測設(shè)的開發(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年通過鑒定驗(yàn)收的同時(shí)批量生產(chǎn)投放市場推廣應(yīng)用。

       沖擊——回波檢測系統(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。上述國外產(chǎn)品國內(nèi)均有引進(jìn)，經(jīng)對比實(shí)測效果并不理想，究其原因問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)同條件對比，國產(chǎn)設(shè)備性能超過國外產(chǎn)品。