超声波法检测混凝土灌注桩中的频移和测量精度分析

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摘要：本文从超声波在检测混凝土灌注桩过程中的频移现象入手，分析超声波的频移与混凝土缺陷的关系并建立两者之间简易的函数关系，为混声波检测混凝土灌注桩增加了一个新的判断手段，同时对径型振动式换能器产生的超声波的检测精度进行了简要的分析。

关键字：超声波、混凝土灌注桩、频移、检测精度

中图分类号：TU37文献标识码： A

我国现行规范针对混凝土灌注桩的超声波法检测,主要评判依据为声速、波幅和PSD判据,而由于接收波的频率等重要信息没有具体的评判标准，频率信息不能得到有效利用,容易造成混凝土灌注桩质量误判。本文根据缺陷混凝土中传播的超声波的频率特征，结合工程实例，以超声波的主要频率成分的偏移为判断指标，确定混凝土的质量。

1、超声波的特点[1]

1.1超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。

1.2超声波的穿透能力强：对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

1.3超声波的能力高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。

2、主要频率成分的偏移

由于超声波具有像光波一样定向束射的特性，当超声波遇到混凝土存在缺陷时会出现较强的衰减，尤其是超声波中频率较高的部分。

2.1超声波的衰减原理：

1)超声波的传播距离，由于距离的增大，超声波扩散增强，其声强、声压由于超声波扩散减弱。

2) 超声波的散射，介质中的颗粒界面会引起声波的散射。

3) 超声波的吸收，由于介质的粘滞性导致超声波减弱。

2.2可以导致超声波急剧衰减的混凝土缺陷分为[2]

1)松散界面（混凝土不密实）；

2)夹泥砂、结构缝隙水、其他杂物；

3)混凝土空洞；

4)混凝土中仍有大量未进行水化的自由水存在。

2.3超声波频移产生的原因

超声波在传播过程中，如遇到直径小于超声波半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播（即：绕射现象），其强度衰减较小，如遇到障碍物直径大于超声波半个波长的障碍时，其声波会在障碍物界面处发生散射，其强度衰减较大。

由此可见，障碍物对超声波波谱中不同的频率成分具有选择性过滤功能。其特点为频率越高，超声波通过障碍物的能力越弱。所以通过超声波频率频移来判断混凝土缺陷具有一定的可行性。

2.4超声波频移的量化

现在常用的超生波发射器均为脉冲超声波，频率多为某一定范围内呈现正态分布的复合频率段（如图1）：

图1

1)根据超生波频移分析需要的精度调整标准差σ，用以确定其核心区域（A-σ∽A+σ）。

通过比较超生波频率核心区域与其相对低频部分（0∽A-σ）的之间的情况来分析超生波的频移情况。判断方式如下：

核心区域总声强：S（A-σ∽A+σ）

相对低频区域总声强：S（0∽A-σ） =

2)超声波在径型振动式换能器检测桩基混凝土时中一般采用20～60kHz的频率范围检测。其A为40kHz，根据经验将频率普取近似标准偏差σ为10kHz（由于不同设备情况各异，为尽可能涵盖超生波的核心频率范围将σ设定为10kHz），即：其相对低频区域（0∽A-σ）为0-30kHz频率段，核心区域（A-σ∽A+σ）为30-50kHz频率段。

根据频率成分的多少，定义频移敏感系数计算公式：

S0-30 /S30-50

频移敏感系数：

2.5频移敏感系数的意义

以A为40kHz，σ为10kHz基础上，根据大量数据分析得出如下结论：

当≥1时，混凝土存在严重缺陷；

1≥0.8时，混凝土存在较严重缺陷；

0.8≥0.5时，混凝土存在轻微缺陷；

0.5时，混凝土无缺陷。

注：针对缺陷类型的划分，需要更多数据和实际工程案例支持

3、工程实例

3.1某工程一长50m的混凝土灌注桩，其41.66m处，各项指标正常。

图2（41.66m各项指标）

图3（41.66m处接收波形）

图4（蓝竖线位50.05kHz位置）

图5（蓝竖线位30.52kHz位置）

3.2求得频移敏感系数为0.31，可以判断该处混凝土正常。

3.3该50m的混凝土灌注桩，其38.66m处，声速、幅值都处于临界位置。

图6（38.66m各项指标）

图7（38.66m处接收波形）

图8（蓝竖线位50.05kHz位置）

图9（蓝竖线位30.52kHz位置）

3.4求得频移敏感系数为0.78，判断该处混凝土存在轻微缺陷。

3.5 由此可见频移敏感系数判断与声速、幅值、PSD判断结果大致相同。其具备一定的参考价值。

4、径型振动式换能器产生的超声波的检测精度

超声波在径型振动式换能器检测桩基混凝土时中一般采用20～60kHz的频率检测[3]。

假定超声波声速在混凝土为3000-5000ｍ/s，λ范围为0.05～0.25m。根据绕射条件，当波长大于障碍物直径2倍时，绕射明显。由于绕射发生后接收波形中超声波的声速、幅值变化不大，导致超生波检测精度下降。

可以推定，假定声速在混凝土为3000-5000ｍ/s条件下，在超声波20～60kHz频率的检测精度为：频移较小时D障碍物直径≥0.025m；频移较大时D障碍物直径≥0.125m。

5、总述

上述超生波频移的量化与超声波检测精度的分析为本文作者在相关问题上的个人见解，望能够帮助相关研究人员的研究应用，并希望相关研究人员提出不足并指正。

1：王毓敏；《论述超声波法在桥梁桩基的检测技术与建议》：《中华民居：学术刊》2011年 第7期P 5-6

2：张宏 胡展飞 陈信春； 《超声波法检测混凝土桩基声学参数的应用分析》：《路基工程》2010年 第2期 P 15-16

3：伍华刚 ：《混凝土测试声学参数分析研究》 ：《山西科技》2009年 第5期 P 49-50