灌注桩超声波检测

混凝土灌注桩超声检测法是在桩内预埋若干根平行于桩的纵轴的声测管道，将超声探头通过声测管直接伸人桩身混凝土内部进行逐点，逐段探测。其基本原理与上部结构构件的超声探伤原理相同，即根据超声脉冲穿越被测混凝土时传播时间、传播速度及能量的变化反映缺陷的存在，并估算混凝土的抗压强度和质量均匀性。但由于桩的混凝土灌注条件与上部结构的成型条件完全不同，尤其是水下灌注时差异更大，混凝土的配合比、灌注后的离析程度、声测管的平行度等许多因素，都会严重影响对缺陷的判断和对强度及均匀性的推算，因此，灌注桩的超声检测必须有一套适合其特点的方法和判据，而不能完全延用上部结构检测的现有方法。 一、灌注桩超声检测法的检测方法和基本检测参量

灌柱桩的超声检测法检测方式通常采用双孔检测。在桩内预埋两根以上的管道，把发射探头和接收探头分别置于两根管道中(如图3所示)，检测时超声脉冲穿过两管道之间的混凝土这种检测方式的实际有效范围，即为超声脉冲人发射探头到接收探头所穿过的范围。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖面，从而可得到各项声参数沿桩的纵剖面的变化数据。由于实测时是沿纵剖面逐点移动换能器、逐点测读各项声参数，测点间距一般采用20~40cm，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免水平断缝被漏测，可采用斜测方法，即两探头之间有一定高差，其水平测角可取30o~40o；若采用自动提拉设备，测点距离可视提拉速度及数据采集速度而定。

双孔测量时，根据两探头相对高程的变化，可分为平测、斜测扇形扫测等方式，如图3所示，在检测时视实际需要灵活运用。

图3 双孔检测方式

a)双孔平测；b)双孔斜测；c)扇形扫测

1-声测管；2-超声检测仪；3-发射探头；4-小接收探头

判断缺陷的基本物理参量:

1、声时或声速。即超声脉冲穿过混凝土所需的时间。如果两声测管基本平行，则当混凝土质量均匀、没有内部缺陷时，在各横截面所测得的声时值基本相同；但当存在缺陷时，由于缺陷区的泥、水、空气等内含物的声速远小于完好混凝土的声速，所以穿越时间明显增大，而且当缺陷中物质的声阻抗与混凝土的声阻抗不同时，界面透过率很小，根据惠更斯原理，声波将绕过缺陷继续传播，波线呈折线状。由于绕行声程比直达声程长，因此，声时值也相应增大。可见，声时值是缺陷的重要判断参数。

声时值可用仪器精确测量，通常以微秒(s)计。为了使声时值沿桩的纵剖面的变化状况形象直观，在检测中常把检测结果绘成“声时—深度”曲线。

超声脉冲传播单位声程所需要的声时即为声速。因此，也可将声时值变换成声速值作为判断的依据。

2、接收信号的幅值。它是超声脉冲穿过混凝土后的衰减程度的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对超声脉冲的衰减就越大。根据混凝土中超声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，将产生吸收衰减和散射衰减，使接收波波幅明显下降，从而在缺陷背后形成一个声阴影。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波(即接收信号的前面半个或一个周期)的波幅为准，后继的波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与试体耦合条件的严重影响，在灌注桩检测中，换能器在声测管中通过水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使探头在管中处于居中位置，为此应在探头上安装定位器。 幅值或衰减与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一，是采用声阴影法进行缺陷区细测定位的基本依据。

3、接收频率。超声脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。

其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收频率实质上是衰减值的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收频率降低。

接收频率的测量一般以首波第一个周期为准，可直接在接收波的示波图形上作简易测量。近年来，为了更准确地测量频率的变化规律，已采用频谱分析的方法。它获得的频谱所包含的信息比采用简易方法时接收波首波频率所带的信息更为丰富，更为准确。在频域图上可准确地找到主频值，以及对应主频的幅值，若有发射信号的频谱资料，则可准确给出主频向低频端的漂移值。运用频谱分析时还应注意采样速率及截取长度等对频谱分析结果的影响，以便使各测点间分析结果具有可比性。

4、接收波波形。由于超声脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，当超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变。所以，波形畸变可作为判断缺陷的参考依据。

必须指出，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。目前波形畸变尚无定量指标，而只是经验性的。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。

判断灌注桩混凝土强度等级及均匀性的物理参量:

目前用于桩内混凝土强度等级及均匀性评价的物理参量主要有声速、衰减以及由它们推定的强度的统计参数。

1、声速。混凝土声速与强度有良好的相关性，所以可以用声速值推定混凝土的强度等级。但声速与强度的相关性受许多因素的影响，例如不同配合比的混凝土往往有不同的“声速—强度”相关公式，所以，通常针对一定配合比和原材料条件的混凝土，并事先制成“声速—强度”校准曲线，或事先通过试验求得两者的相关公式，在检测中作为推定强度的依据。

2、衰减值。由于“声速—强度”相关关系受配合比等许多因素的影响，灌注水下混凝土时，如果产生离析等现象，那么部分混凝土的实际配合比将与设计配合比有很大差别。这时用一种相同的“声速—强度”相关公式去推定强度误差往往较大。为此，可采用“声速—衰减—强度”综合法。该法可排除离析的影响，因而可提高强度的推定精确度。用于推定强度时，衰减值应准确测量，并应排除耦合条件等因素的影响。

3、推定强度的统计参数。为了评定桩的混凝土均匀性，以便评价施工质量，可将推定强度的平均值、标准差和不低于设计强度等级的百分率分别求出，并参照《混凝土强度检测评定标准》(CBJl07—87)进行评定。

二、灌注桩超声检测法的检测装置

灌注桩超声检测法的检测装置主要由超声探头、超声仪、探头升降装置及桩内预埋的声测 管等组成。

(一)对检测装置的基本要求 1．探头

测桩所用的探头应是柱状径向振动的换能器，其主频宜为(25-50)kHz，长度宜小于20cm。为提高接收换能器的灵敏度，可在换能器中安装前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为(5-50)kHz。由于换能器在深水中工作，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。

为了标示探头在声测管中的位置，在探头电缆线上应有标尺刻度。

径向发射探头是利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动来发射或接收超声脉冲的，目 前常用的有增压式径向换能器，其构造如图6所示。它是在一个金属圆管内侧等距离排列一组径向振动的压电陶瓷圆片，圆片周边与金属圆管内壁密合。这种组合方式可使金属圆管表面上所受到的声压全部加在面积较小的压电陶瓷圆片的周边柱面上，从而起到增压和提高灵敏度的作用。为了减少声压在金属圆管上的损失，常把金属圆管剖切成多瓣式。为了在深水下使用，整个换能器和电缆接头均需用树脂或橡胶类材料加以密封。

图6 增压式径向换能器 1-增压管；2-压电体；3-密封层

一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但有时为了增强接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器，装有前置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。为了耦合稳定，探头在管孔中宜处居中位置，可在探头上下安装扶正器。

2、超声仪

测桩所用的超声仪，其基本性能要求如下：发射系统应能输出250~1000V的脉冲电压，激发压电体的脉冲波可为阶跃脉冲或矩形脉冲。接收系统的频带宽度宜为(5~50)kHz，增益应大于100dB，并应带有0~60(或肋)dB的衰减器，衰减器的辨率应为1dB，误差应小于1dB，档间误差应小于1%。仪器的测时范围应大于2000s，计时精度应高于1s (见表2)。

超声换能器沿桩的轴向移动，同时测出各横断面上混凝土的声参数。这些大量数据需采用适当方法处理，才能判断混凝土的质量，为了提高现场测试效率，仪器应有自动测读、信号采集、贮存和处理系统。最好选用智能型仪器。因此，数据采集、处理、显示系统是整个装置的重要组成部分。在一般仪器中通过示波器及数码管显示，人工记录，然后再用计算机处理。这种方式效率较低。目前已普遍采用超声仪与计算机联接，直接进行数据采集、贮存和处理。并附有测桩专用程序，可将一次检测资料全部存贮在机内，回家后再作处理，可大大缩短现场作业时间。

仪 器 参 数 发射脉冲电压 接收放大器频宽 接收放大器增益 衰减器衰减值 衰减器分辨率 衰减器误差 测时范围 测量精度 注：引自JGJ/T93-95

测桩用超声仪的基本要求 基 本 要 求 250—1000V (5-50)kHz >100dB 0-80dB 1dB <1％ 2000us >1us 表2 在数字化的智能型仪器中，为了使所采集的信号不失真，应有足够的采样频率和采样长 度，以及具有动态显示功能，以便于现场实时观察。一般采样频率应达到20MHz(分若干级可选)，采样长度应达到64K(在该长度内可选)。为了便于分析，仪器中应带有专用测桩分析软件及频谱、CT等分析和成像软件。

3、探头升降系统

为了检测不同深度的桩内混凝土质量，必须使探头在预埋的声测管中按要求升降。为解 决这一问题，通常有两种方式：一种是用人工升降，为了使操作者知道探头在桩内的确切位置，应在探头电缆线上划上标尺；另一种是采用电动机械式升降装置，可采用异步电机或步进电机驱动的小型绞车。采用这种方式升降时，升降装置必须能输出探头所处位置的明确指标，通常将绞车鼓筒的转动圈数换算成探头的升降高度，鼓筒的转动圈数可由光电式计数器记录和显示。若采用步进电机驱动，则根据步进量能更精密地测量探头位置，这种驱动方式一般用于全自动检测系统，并将探头位置信号也输入测桩专用软件统一处理。

(二)声测管的预埋

声测管是灌注桩进行超声检测法时探头进入桩身内部的通道。它是灌注桩超声检测系统的重要组成部分，它在桩内的预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测

的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。

1、声测管的选择

声测管材质的选择，以透声率较大、便于安装及费用较低为原则。

声脉冲从发射换能器发出，通过耦合水到达水和声测管管壁的界面，再通过管壁到达声测 管管壁与混凝土的界面，穿过混凝土后又需穿过另一声测管的两个界面而到达接收换能器。

因此，声测管形成4个界面，每个界面的声能透过系数可按下式计算：

i

式中：i——某界面的声能透过系数；

4Z2Z1

(Z2Z1)2（1）

Z1,Z2——界面两侧介质的声阻抗率(zC) 发射和接收换能器之间4个界面的总透声系数为

总1234

（2）

目前常用的管子有钢管、钢质波纹管、塑料管3种。

钢管的优点是便于安装，可用电焊焊在钢筋骨架卜，可代替部分钢筋截面，而且由于钢管 刚度较大．埋置后可基本上保持其平行度和平直度，目前许多大直径灌注桩均采用钢作为声测管。但钢管的价格较贵：

钢质波纹管是一种较好的声测管材料，它具有管壁薄、钢材省和抗渗、耐压、强度高、柔性好等特点，通常用于预应力结构中的后张法预留孔道：用做声测管时。可直接绑扎在钢筋骨架 土，接头处可用大一号波纹套接。由于波纹管很轻，因而操作十分方便，但安装时需注意保持其轴线的平直。

塑料管的声阻抗率较低，用做声测管具有较大的透声率，通常可用于较小的灌注桩，在大型灌注桩中使用时应慎重-因为大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散：鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊，混凝土凝固后塑料管因温度下降而产生径向和纵向收缩，有可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，在声通路上又增加了更多反射强烈的界面，容易造成误判。

声测管的直径，通常比径向换能器的直径大l0mm即可，常用规格是内径50-60mm。管子的壁厚对透声丰的影响很小，所以，原则上对管壁厚度不作限制，但从节省用钢量的角度而言，管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力，则越薄越省。

2、声测管的埋置数量和布置方式

布置声测管的埋置数量及其在桩的横截面卜的布局应考虑检测的控制面积。通常有如图7

所示的布置方式，面积。一般桩径小

图7声测管的布置方式

图中的阴影区为检测的控制于0.6~1m时，沿直径布置两

根；桩径为1~2.5m时，布置3根，呈等边三角形；桩径大于2.5m时，布置4根，呈正方形。

3、声测管的安装方法

声测管可直接固定在钢筋笼内侧上，如图8-8所示：固定方式可采用焊接或绑扎，管子之间应基本上保持平行-若检测结果需对各测点混凝土的强度做出评估，则不平行度应控制在1‰以下。钢筋笼放入桩孔时应防止扭曲。

管子一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案，如图8所示：若采用波纹管则可利于大一号的波纹管套接，井在套接管的两端用胶布缠绕密封。无论啊卜种接头方案都必须保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁应保持平整，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍探头的自如移动，声测管的底部也应密封，安装完毕后应将上口用木塞堵住，以免浇灌混凝土时落人异物，致使孔道堵塞。

图8 声测管的安装方法 a)钢管的套接；b)波纹管的套接

1-钢筋；2-声测管；3-套接管；4-箍筋；5-密封胶布

4、声测管的其他用途

声测管除了用作检测通道及取代一部分钢筋截面外，还可作为桩底压浆的管道。试验证明，经桩底浆处理的灌注桩，可大幅度提高其承载力。同时声测管还可作为事故桩缺陷冲洗与压浆处理的管道，这时需采取措施把需压浆的缺陷部位的管道打穿。

三、检测前的准备

进行灌注桩完整性超声检测前，除需认真检查检测单位和检测人员的资质、仪器设备的技术状态和预埋声测管外，还应做好下列各项准备：

(一)了解工程概况，认真阅读和分析下列资料：岩土工程勘察资料、基桩设计计算资料及图纸、

基桩位置平面图及编号、基桩施工原始记录、混凝土灌注龄期。

(二)确定被检桩的基本原则

当某工程桩量较多，无法逐一检测时，可按一定原则和比例进行抽测，抽测应有代表性，以便确切反映成批桩的质量，受检桩的确定应考虑下列因素：

1．选择设计方认为重要的桩； 2．选择施工质量有怀疑的桩；

3．选择岩土特性复杂，施工难度较大的桩；

4．选择代表不同施工工艺条件和不同施工单位或班组的桩； 5．在同类桩随机选取的基础上，宜使被检桩位置均匀分布。 (三)被检桩的抽样数量的基本规定

1．对于一柱一桩的建筑物或构筑物，全部桩均应进行检测；

2．非一柱一桩的建筑物或构筑物，应根据上述原则进行抽测，抽取的数量不得少于桩的总数的20％，且不得少于10根。

3．当抽测不合格的桩数超过抽测数的30%时，应加倍重新抽测。 4．若加倍抽样复测后仍有抽测数的30%不合格，则该批桩应全数检测。

由于超声检测法需预埋声测管，因此，检测单位应尽早介入，事先提出检测要求，并与设计和施工单位协商确定受检桩数量和桩号。有预埋管的桩数应超过抽样数，以备复检之需，一般有预埋管的桩数可达桩总数的40%左右，某些重要工程则应100％埋管。当需要加倍复测，而又没有足够的埋管桩时，则可用其他检测桩的完整性的方法补足应检桩数量。

检测数据的处理与数值判据

当超声探头在声测预埋管中沿桩的轴向自下而上或自上而下逐点检测时，每个测点均可获得一系列混凝土声参数的检测值。在使用模拟式仪器时，需在检测现场逐点测读并记录，在使用数字化仪器时，则可将每测点的波形数据存入仪器中，需要时再从中提取所需的声参数。无论使用何种仪器，对检测者来说都必须面对大量的测试数据。如何从大量数据中分析和判断桩的质量，始终是检测的关键。尽管一些分析和判断方法已编制成实用软件，但为了真正了解分析和判断的原理，以便对分析和判断软件的适用性和可靠性有一个确切的了解，对每一位检测分析人员来说仍然是非常重要的。 一、测试数据的预处理

(一)混凝土中的实际声时的确定

声时是仪器测读的基本量，原始测读的声时值(t)是由三部分组成的，即声脉冲穿过声测管及耦合水的声时(t')、声脉冲穿过混凝土时的声时(tc)、仪器及探头的声延迟(即t0)，所以，混凝土中的实际声时应为：

tctt0t'

(3)

式中：tc一混凝土中声脉冲的传播时间,s；

t0一声脉冲检测仪发射至接收系统的延迟时间；

t—声时原始测读值,s；

t'——声时修正值，即声测管与耦合水中的声时；

径向发射探头的t0值可按下列方法测量：

将两个径向振动式换能器置于静止的淡水中，使两换能器轴线平行，并置于同一水平高度，将两换能器内侧边缘间距先后调节在l1 (如200mm)，l2(如100mm)，分别读取相应声时值t1,t2。则该系统的声时初读数t0可按下式计算：

声时的修正值t'可按下式计算：

t0(l1t2l2t1)/(l1l2)

（4）

t'Dddd' vgvw（5）

式中：t'——声测管管壁及耦合水的声时，即声时修正值,s；

D——声侧管外径, mm；

d——为声测管内径，mm； d'——换能器外径，mm。

用钢管时取vg=0.580mm/s，用PVC管时取，vg声测管壁厚方向纵波声速，vg=0.235mm／s，

vw为耦合水的声速，由于水的声速受水温影响，可按表3取值。

水声速与水温的关系 表3 水 温 (℃) 水声速(mm/us) 5 0.145 10 0.146 15 0.147 20 0.148 25 0.149 30 O.150 (二)声速的计算

一般情况下，假定声测管是平行的，因此，各点间距相等，用声时值即能反映混凝土质量的 变化，所以许多判据可用声时作为判断依据。但当需要推定混凝土强度时，则需准确计算各测点的声速值

声速值应按下式计算：

式中：vc——混凝土声速，km/s； tc——混凝土中的声时，s； L——两声测管外壁间的距离，mm。

vcL/tc

(6)

(三)频率与波幅 1、频率(fi)

在使用模拟式超声仪时，应根据实测的首波周期并按下式计算频率：

fi1000/Tbi (7)

式中：fi——主频值，kHz；

Tbi——第三测点的首波周期，s。

在使用数字式超声仪时，可直接用频谱分析软件获得频域曲线，并选取其峰值频率为主频。在进行频谱分析时，在时域波形上的截取长度仍应以首波周期为妥，因为后续波形往往因其他不同相位的波的叠加而畸变。 2、波幅

波幅值可直接用衰减器测读，这时仪器发射电压及接收增益等数都应固定不变。 波幅的分贝数与波高的关系如下：

分贝数（dB)201g式中：A0——原始波高或基准波高； A——经该测点混凝土衰减后的波高。

例如，经混凝土衰减后的波高为原始波高的1/2时，即 (四)关于测值重复性的检验

A0 AA02，则衰减值约为6dB。 A在灌注桩的检测中，由于影响因素较多(例如高程的累计误差)，若这些因素控制不严，则测值的可重复性下降，为了排除非混凝土质量的因素对测值的影响，在JGJ/T 98—95中要求，每组检测管测试完成后，测试点应随机重复抽测10%~20%，其声时相对标准差不应大于5%；波幅相对标准差不应大于10％。并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。测量的相对标准差可按下式计算：

't(i1nntitjitm)2/2n

（8）

'A(i1AiAjiAm)2/2n （9）

tmtitji2 （10）

AmAiAji2 （11）

式中：'t——重复测量的声时相对标准差；

'A——重复测量的波幅相对标准差； ti——第i个测点声时原始测试值，s； Ai——第i个测点波幅原始测试值，dB；

tji——第i个测点第i次重复抽测时的声时值，s； Aji——第i个测点第．j次重复抽测时的波幅值，dB。

二、检测数据的判断

在逐点检测的基础上，我们可以用所得数据描出“声时一深度曲线”、“波幅(或衰减系数)一深度曲线”、“声速—深度曲线”和“主频—深度曲线”等，这些曲线是我们进行分析判断的直观基础。 (一)灌注桩完整性的数值判据

1．概率法判断

同一结构物的同一种混凝土，由于随机因素将产生声时、声速、波幅及接收波频率等声参 数的波动。因此，同一结构物中同一配合比的混凝土的所有声时、声速等的测值均应符合正态 分布。当存在缺陷时，在缺陷区的声参数值将发生明显变化，是异常值。所以，只要检出声参 数的异常值，其所对应的测点位置即为缺陷区。

在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:2000)中规定的具体方法如下：

(1)首先将全桩各测点的声时值(t1)或声速值(vi)以及波幅值(Ai)或频率值(fi)分别按大小顺序排列。其中ti从小到大排列，vi、fi、Ai从大到小排列。在实际检测中，通常选择其中的一至两项参数即可，常用的是声时或声速，而将波幅值作为阴影重叠法的主要依据。

将排列在后面明显较小的vi、Ai或fi值，或明显较大的ti值视为可疑值，将vi、Ai或fi可疑值中最大(对于声时值ti则为最小)的一个，连同前面的数，按下式计算平均值和标准差：

1n mxxi （12）

ni12Sx(Xi2nmx)/(n1)（13）

i1n式中：mx——代表声时、声速、波幅或频率等参数中某一项参数的平均值；

Xi——某一项参数参与计算的实测值；

n——参与计算的测点总数；

Sx——某一项参数的标准差。

(2)异常值的临界值按下列两种情况计算： 当统计数据为声时值时，

MtmtiSt （14） 式中：Mt——声时临界值；

mt——声时平均值； St——声时标准差；

i——异常值判定系数(按表8-5取值)。

当统计数据为声速、波幅或频率时，

MxmxiSx (15)

式中：Mx——声速、波幅或频率的临界值；

其余同前。

在所统计的n个声时值中，当最后一个数tn大于或等于M时，则tn及排列于其后的声时值均为异常值。若tn小于M则再将tn1训放进去进行统计计算，得出新的M值进行判断。

在所统计的n个声速、波幅或频率值中，当最后—个数xn小于或等于M时，则及xn排列于其后的数均为异常值。若xn大于M，则再将xn1，放进去进行统计计算，得出新的M值进行判断。 经上述判别后，各异常值所对应的测点即为缺陷可疑点。

(3)当测点中判出异常点时，可根据下式进一步判别其相邻测点是否异常：

M1mt3St (16)

Mxmx3Sx （17）

式中入，可从表4中查得，其余各项同前。

统计数的个数n与对应的1、3值 表4

n 1 3 n 1 3 n 1 3 n 1 3 n 1 3

30 1.83 1.14 50 2.05 1.27 70 2.19 1.36 90 2.29 1.43 125 2.41 1.53 32 1.86 1.16 52 2.07 1.28 72 2.20 1.36 92 2.30 1.44 130 2.43 1.54 34 1.89 1.17 54 2.09 1.29 74 2.21 1.37 94 2.30 1.45 140 2.45 1.54 36 1.92 1.18 56 2.10 1.30 76 2.22 1.38 96 2.31 1.45 150 2.48 1.58 38 1.94 1.19 58 2.12 1.31 78 2.23 1.39 98 2.31 1.46 160 2.50 1.59 40 1.96 1.20 60 2.13 1.31 80 2.24 1.39 100 2.32 1.47 170 2.52 1.60 42 1.98 1.22 62 2.14 1.32 82 2.25 1.40 105 2.35 1.48 180 2.54 1.62 44 2.00 1.23 64 2.15 1.33 84 2.26 1.41 110 2.36 1.49 190 2.56 1.63 46 2.02 1.25 66 2.17 1.34 86 2.27 1.42 115 2.38 1.50 200 2.57 1.64 48 2.04 1.26 68 2.18 1.35 88 2.28 1.42 120 2.40 1.51 210 2.59 1.65 由于判断后一般都需进一步用阴影法判断缺陷的大小和性质，所以亦可不进行相邻点的判断。 在JGJ/T93—95规程中采用了概率法中更为简单的判据形式，即以声时平均值mt与2倍声时标准差5，之和作为判定桩身有无缺陷的临界值，即Mmt2St(将值取为2)。声时值大于M的点为缺陷可疑点。

概率法由上部结构混凝土的测缺法引伸而来，但由于受灌注桩施工特点的影响，混凝土匀质性往往不如上部结构中混凝土的匀质性，再加上声测管的不平行度和扭曲等因素，使声参数测值的离散性较大，因而标准差也较大，导致判据值偏大(或偏小)，使一些缺陷漏判，尤其是当桩内存在较多缺陷时，S值更大，更易产生漏判应予注意。

2．PSD判据(斜率与声时差值乘积法，简称斜率法)

鉴于灌注桩的施工特点，混凝土的均匀性往往较差，超声各项参数的测值较为离散。同时在施工过程中，由于钢筋笼的刚度较小，吊人时很难保证固定在钢筋笼上的声测管保持平行。实践证明，有时声测管的位移甚大，而在桩头上无法觉察，导致各项声参数测值发生偏离。这些非缺陷因素对测值所造成的影响必须予以消除，以免造成误判。而且，各项声参数，尤其是波幅及接收频率等测值，在同一结构的同一种混凝土中是否一定符合正态分布规律，仍然缺乏足够的试验验证资料。为此，作者于1983年首先提出了“声参数—深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积”（Product of Slope and Difference) 作为判据，简称PSD判据。

判据的形式以声时值t为例。设测点的深度为H，相应的声时值为t，则声时随深度变化的规律可用“声时—深度”曲线表示，假定其函数式为：

tf(H) (18)

当桩内存在缺陷时，由于在缺陷与完好混凝土的分界处超声传播介质的性质产生突变，因而声时值也产生突变，该函数为不连续函数。当深度增量(即测点间距) H趋向于零时，声时增量c不趋向于零，该函数的不连续点即为缺陷界面的位置。

但在实际检测中总是每隔一定距离检测一点，H不可能趋向于零。而且由于缺陷表面 凹凸不平，以及孔洞等缺陷使波线曲折而导致声时变化，所以在tf(H)的实测曲线中，在缺 陷界面处只表现为斜率的变化。各点的斜率可用下式求得：

Sititi1 (19)

HiHi1式中：Si——笫i—1测点与第j测点之间“声时—深度”曲线的斜率；

ti1、ti——相邻两测点的声时值； Hi1、Hi——相邻两测点的深度。

斜率仅仅反映了相邻测点之间声时值变化的速率。由于在检测时往往采用不同的测点间距，因此，虽然所求出的斜率可能相同，但当测点间距不同时，所对应的声时差值不同。而声时差值是与缺陷大小有关的参数，换而言之，斜率只能反映该点缺陷的有无，要进一步反映缺陷的大小就必须引入声时差值这一参数，因此，判据式定义为：

(titi1)2 （20） KiSi(titi1)HiHi1式中：Ki——第i点的判据值，简称PSD判据。

显然，当第i点处相邻两点的声时值没有变化或变化很小时，Ki等于或接近于零。当声时值有明显变化或突变时，Ki与((titi1)2)成正比，因而Ki将大幅度变化。

实测证明，PSD判据对缺陷十分敏感，而对因声测管不平行，或因混凝土不均匀等非缺陷原因所引起的声时变化，基本上不予反映。这是由于非缺陷因素所引起的声时变化都是渐变过程，虽然总的声时变化量可能很大，但相邻两测点间的声时差值却很小，因而Ki很小。所以，运用PSD判据基本上消除了声测管不平行或混凝土不均匀等因素所造成的声时变化对缺陷判断的影响。

为了对全桩各测点进行判别，首先应将各测点的置i值求出，也可绘成“判据值线。凡是在Ki值较大的地方，均可列为缺陷可疑点。

3．接收波能量判据

在检测中波幅(衰减量)对缺陷的反应比声速对缺陷的反应更灵敏。因此，在JGJ/T93-95中提出以接收信号能量平均值的一半作缺陷判断的临界值。

波幅值以衰减器的衰减量q表示，以分贝计，则接收信号能量平均值的一半qD应为：

qDq6 (30)

qqi/n (31)

i1n式中：q——衰减量的平均值，dB；

qi——第i个测点的衰减量，dB；

n——测点数；

qD——接收信号能量平均值的一半。

该判据利用了缺陷对衰减的敏感性。但为什么能量衰减缺乏理论依据，也缺乏足够的工程验证资料，应谨慎使用。

1时正是判别缺陷有无的界线?这一点既2

数值判据的判断实例

为了说明上述数值判据的使用方法，并比较它们的判断结果，下面以一根长20m，桩径为1m，检测管间距为0.82m的灌注桩的实测数据为例。

表5为该桩的实测数据，表中H为深度，T为声时(已扣除to和t')，A为波幅衰减值。图13是根据表5中数据描绘的“声速一深度”曲线和“幅值一深度”曲线。

某一工程桩的实测数据 表5 (m) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 Hi Ti (s) 183 183 183 183 184 184 181 181 182 181 18l 181 183 181 183 195 (dB) 23 23 23 23 23 23 24 23 23 23 23 23 23 23 20 17 Ai (m) 8.5 9.0 9.5 Hi Ti (s) 183 182 182 204 180 180 181 182 181 180 177 175 175 175 174 175 (dB) 23 23 18 16 23 23 23 23 23 23 25 25 24 24 25 25 Ai (m) 16.5 17.0 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 18.0 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 19.0 19.5 20.0 Hi Ti (s) 178 1为 177 175 180 179 260 255 230 180 181 181 180 178 179 182 (dB) 25 25 24 24 23 18 6 10 8 20 22 23 23 23 20 m Ai 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 例1 按JGJ／T93—95概率法判断：

以声时为计算依据，代人式(8-12)、式(8-13)，求得48个声时数据的平均值和标准差如下：

mtti/n185.19(s)

i1nSt其临界判断值应为

Xi1n2inmt217.47(s)

n1Mtmt2St220.14

所以，可以判定230，255，260为异常值，即17.9 ~ 18.1m处为缺陷区。

例2 按CECS21：2000概率法判断：

仍以声时参数为计算依据。

首先将全桩各测点的声时值轧按大小顺序排列，并将明显偏大的轧视为可疑值，即 174，174，175，175，„„195， 204，230，255，260

n：44 假定为可疑值

将假定为可疑值前面的全部数据(n=44)代人式(8-12)、式(8-13)，求出平均值和标准差，得

mt1180.45s

图13 某一工程桩的“声时—深度曲线”和“幅值—深度”曲线

St13.51s

将mt1,St1代人式(14)，其中A1按表4查取为2，计算出临界判断值为

Mt1mt1St

180.4523.51187.47

所以，所列数列中假定为可疑值的4个数都大于Mt1，确为可疑值。

再把Mt1与数列中最大值比较，Mt1<195，将195列入可疑值，其余43个数再作上述处理，求出平

均值和标准差，得

mt2180.12

St22.74

将mt2,St2代入式(8-14)，其中1按表(4)查得为1.98，计算参判值为

Mt2mt21St2

180.121.992.74185.55

由于Mt2<195，所以195亦为可疑值，再把Mt2与剩余数列中的最大值比较，Mt2大于183。所以，可判定195，204，230，255，260为异常点，即8m，10m，17.9—18.1m处有缺陷。

例3按PSD判据(斜率判据)判断：

将表5中声时值代人式(20)可求出各相邻测点的PSD判据值足Ki(列于表6中)，由各点判据可描出“Ki一深度”曲线(见图14)由于8,10,17.7~18.1(m)各点判据K1均可列为可疑区。

再将可疑区段的各项参数代入式(24)，求出相应的夹层断桩时的临界判据值Kc，以判断可疑区缺陷的严重程度。

各测点的PSD判据值K 表6 H T K H T K H T K 0.5 183 0 8.5 183 0 16.5 178 0 1.0 183 0 9.0 182 0 17.0 179 0 1.5 183 0 9.5 182 0 17.5 177 0 2.0 183 0 10.0 204 9 17.6 175 0 2.5 184 0 10.5 180 11 17.7 180 2 3.0 184 0 11.0 180 0 17.8 179 0 3.5 181 0 11.5 18l 0 17.9 260 656 4.0 181 0 12.0 182 0 18.0 255 2 4.5 182 0 12.5 18l 0 18.1 230 62 5.0 181 0 13.0 180 0 18.2 180 249 5.5 181 0 13.5 177 0 18.3 181 0 6.0 181 0 14.0 175 0 18.4 181 0 6.5 183 0 14.5 175 0 18.5 180 0 7.0 181 0 15.0 175 0 19.9 178 0 7.5 183 0 15.5 174 0 19.5 179 0 8.0 195 2 16.0 175 0 20.0 182 0 式(24)中，v1取该桩非可疑区段声速的平均值，本例中v10.455cm/s;v2为夹层中夹杂物的声速，根据地质条件及成因分析，若在该深度存在夹层，很可能是砂、石、泥的混合物，本例中v20.32cm/s；该桩检测管间距为L=82cm；在K值最大点的测点间距已加密，Hl00cm，所以Kc为：

822(0.4550.32)22Kc578.03(s/cm) 220.4550.3210 将可疑点的判据值Ki与断桩临界判据值Kc比较Ki>Kc者为断桩。本例中，17.9m处的判桩临界

判据Kc为578，小于该点的判据值656，所以17.9m处可判为断桩，其余8m，10m处可判为蜂窝状或孔洞状小缺陷。但用式(27)和式(29)计算，所得缺陷半径约为20cm，显然偏大。

例4 按接收波能量判据判断

首先求出表5中各测点衰减器读数的平均值q

qqi/n21.73(dB)

i1n 按式9-30求出接收波能量为平均值一半时的判据值qD

qDq621.73615.73(dB)

图14 试验桩的“声时一深度”“判据一深度”曲线

将各测点衰减值qi与qD比较，当qi桩身混凝土强度及均匀性的推定

在检测实践中，设计和施工部门都希望提供桩内混凝土强度的推定值，以及给出反映施工水平的混凝土均匀性指标。关于桩内混凝土强度的推定有两种情况：一种以总体验收为目的，即要求给出全桩混凝土的平均强度；另一种以缺陷区或低强区的混凝土强度验算为目的，即要求明确给出全桩纵剖面上各点的强度值，尤其是缺陷区或低强度区的强度值，以便确定缺陷处理方案。目前，在这两种情况下，要准确推定混凝土强度都有一定困难。其原因是在桩内通常只能用声速这种单一指标推算混凝土的强度，但研究证明，“声速—强度”相关关系受混凝土配合比等多种因素的影响。例如，不同含石量的混凝土的“声速—强度”关系相差甚远，当不同含石量的混凝土强度相同时，含石量低的混凝土声速偏低，而含石量高的混凝土声速偏高。桩内混凝土由于水下灌注时出现离析现象，使得局部区域粗骨料富集，因而导致各区段混凝土的实际配比不尽相同。也就是说无法确切知道影响“声速—强度”相关关系有关影响因素的实际变化情况，因此也无从修正。这样，即使事前按桩内混凝土的设计配合比制定了“声速—强度”基准曲线，推算误差仍然很大。

为了解决这一问题，可以将上述两种情况分别进行处理。

一、桩内混凝土总体平均强度的推算

当根据检测结果确认桩内混凝土均匀性较好时，可用全桩平均声速推算平均强度。

事先以混凝土设计配合比为基准，制作一系列不同水灰比的不同强度混凝土试块，测定这些试块的声速值与强度值，经回归处理，求得“声速—强度”相关公式。然后，对若干已知的影响因素进行修正。目前常用的公式形式与修正系数为：

mfcuAmBK1K2K3 (32) 式中：mfcu——全桩混凝土平均抗压强度推算值；

m——全桩混凝土各测点声速的平均值； A、B——经验系数；

K1——测j距修正系数，当声测管间距(即声程)L<100cm，K11; 当100≤L<150cm时，

K1=1.020；当L200cm时，K1=1.023；

K2——含水量修正系数(对于一般地下饱和水状态，取为0.98)； K3——混凝土流动性修正系数(泵送混凝土取为1.03)。

在使用式(32)推算混凝土平均抗压强度时，必须使声速值真正反映混凝土性能，尽量排除与混凝土性能无关的各种因素的影响。例如声测管歪斜等因素均应采用前述的方法予以修正。

试验证明，若根据上述方法，针对某一工程的特定混凝土，建立专用“声速—强度”公式，并合理选择修正系数，则对于混凝土均匀性良好的桩而言，用该方法所推定的混凝土总体平均强度与预留试块的平均强度之间的相对误差小于±15%。

该方法不宜用于均匀性较差的桩或缺陷桩的强度推算。若缺陷桩的非缺陷部分混凝土均匀性良好，也可将缺陷部分声速值剔除后，用上述方法推算全桩混凝土完好部分的平均强度。

二、缺陷区强度的估算

若已确定缺陷内为夹泥或夹砂等松散物，则该区被视为“无强度”。但如果缺陷为混凝土低强区、砂浆富集区或蜂窝状疏松区等，则仍具有一定强度。若能准确推定缺陷区内混凝土的强度，或沿纵剖面逐点推定各点强度，绘出反映全桩强度分布的“强度—深度”曲线，将对缺陷桩的安全核算及确定修补方案具有重要意义。但由于缺陷区混凝土配合比已不同于原设计配合比，预先按设计配合比制作的“声速—强度”相关公式或基准曲线，已不宜使用，因此再用声速单一指标确定缺陷区混凝土强度已不适宜。

根据现有成果，采用“声速—衰减”综合法具有较好效果。该方法采用声速、衰减系数两项参数与强度建立相关公式。由于散射衰减可反映含石量的多少，从而可消除因离析等原因导致粗骨料含量变化对声速与强度相关性的影响。而且在桩的检测中，探头与混凝土的耦合条件较好，衰减系数易于测量。

其推算强度的公式如下：

ViRcuiK1K2K3Aai式中：Rcui——第i测点的推算强度；

B (33) Vi——各测点的混凝土声速；

ai——各测点的混凝土衰减系数；

A、B——经验系数；

K1,K2,K3——修正系数，意义同前。

采用该法时应预先配制一批模拟离析后不同粗骨料含量的试件，测定试件的声速与衰减系数及强度值，按式(34)的函数形式进行回归分析，求出A、B系数。在检测中，应使探头在声测管中的耦合稳定，以保证衰减系数能稳定测量。制作相关公式时，探头与模拟试件的耦合条件，应与桩内相似。 总之，对于均匀性较差的桩，以及缺陷桩，要检测各点强度时，不宜用单一声速法。即使采用“声速—衰减”综合法，也应持慎重态度。

三、灌注桩混凝土均匀性评价

根据《混凝土强度检验评定标准》(GBJl07—87)的规定，结构物混凝土总质量水平，可根据统计周期内混凝土强度标准差和试件强度不低于要求强度等级的百分率两项指标来划分。并规定将混凝土质量划分为优良、一般、差三等。对桩内混凝土进行总体质量水平评价时，也应以上述规定为基础。具体方法是根据预先建立的声速强度相关公式或声速衰减强度相关公式，将各点声速换算成各点强度推算值，然后按以下公式算出全桩混凝土强度标准差和不低于规定强度等级的百分率。

计算公式如下：

RSRpi1n2cuinm2Rcm （34）

n1n0100% （35） n式中：SR——混凝土推算强度的标准差； Rcu——测点混凝土强度推算值； i mRcm——全桩各测点混凝土强度推算值的平均值；

n——测点总数，要求n25；

n0——全桩各测点强度推算值中不低于规定强度等级的数量；

p——测点总数中不低于规定强度等级的百分率。 根据所算出的SR和户，按表7划分桩的混凝土质量水平。

灌注桩混凝土质量水平 表7 评定指标 85 5.5 4.5 85 5.5 最终，在检测报告中应对被测桩的完整性类别和均匀性质量水平按表8-1和表7作出评价，对缺陷桩则应指出缺陷的位置和大小。

附件：

行业标准 JGJ 106-2003 J256-2003

桩身完整性判定 类 别 Ⅰ Ⅱ 特 征 各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常； 某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常； 某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常； Ⅲ 两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常； 局部混凝土声速出现低于低限值异常； 某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常； Ⅳ 两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常； 桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变；

上海市标准 DGJ 08-218-2003 J 10287-2003

桩身完整性评价 桩身完 缺陷特征 整性类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 无缺陷 轻度缺陷 明显缺陷 特 征 各检测剖面的声学参数均无异常； 某一检测剖面个别测点声学参数轻度异常； 某一检测剖面连续多个测点声学参数明显异常或同一深度的测点多个剖面声学参数明显异常；局部混凝土声速出现低限值异常； 某一检测剖面连续多个测点声学参数严重异常或同一深度的测点多个剖面声学参数严重异常；桩身混凝土出现普遍低限值异常； Ⅳ 严重缺陷