李兵兵 韩 亮 王毅恒 严智宇

(1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；2.四川轻化工大学土木工程学院，四川 自贡 643000)

1 概述

目前我国高速公路铁路桥梁、市政道路高架桥梁以及高层建筑等基础普遍采用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩长往往超过40 m。这些工程的桩基验收时，主要采用基桩声波透射检测技术确定桩身混凝土的均质性和完整性。这是因为它可以检测桩身内部纵向和横向任何位置的缺陷，且不受桩长限制。目前，每个工程的检测比例达100%。综上可见，声波透射检测在实际工程中非常重要，其检测结果的准确性决定着工程质量的评定等级。通常，声波透射检测又称埋管超声检测。成桩过程中在桩身内预埋若干根声测管，为超声波换能器上下移动提供测量通道。超声波换能器通过声测管深入到桩身混凝土结构内部，实测各个自上而下(或自下而上)由发射换能器T至接收换能器R组合剖面的声学参数[1-3]。基于各个组合剖面的实测声时、声速、声幅等声学参数，采用相关数据计算和解释方法，识别桩身内部缺陷及其所在位置、范围和程度。

2 数学统计法分析

在国内，声波透射实测数据的数学统计法一直沿用至今。它是依据各个剖面测点首波初至时间(或声速)和声幅的数学统计计算，得到声时(或声速)和声幅临界值作为缺陷判据。接近或高于临界值的位置判定为桩身混凝土完好，无缺陷；而低于临界值的位置则判定为缺陷[4]。理论上，临界值判据是绝对严格的，看上去是没有问题的，但实践中却存在着明显的缺点和局限性。运用数学统计法必须满足默认的两个基本假设条件：第一，首波初至(或声速)和声幅在数值上是绝对量，即发射换能器激发超声波脉冲后，经过径向柱形传感器管壁、耦合水、发射声测管管壁、桩身混凝土，再经过接收声测管管壁、耦合水、径向柱形传感器管壁，被接收换能器接收到第一个脉冲波的初至时刻及其幅值。这个初至时刻和幅值在物理意义上一定是精准的；第二，各个测点的发射换能器和接收换能器的间距严格相等，即各个剖面中的所有测点的首波初至(或声速)和声幅须在完全相同的条件下参加统计计算。在实际应用声波透射检测技术时，两个基本假设条件是很难实现的。1)各种来源的噪声干扰信号不可避免，与有效信号叠加后，常使首波脉冲的辨别很困难，往往出现识取错误情况，进而导致首波初至时间(或声速)和声幅不准确。2)各声测管之间或者检测中发射和接收换能器不平行很常见，这将导致测点间的发射与接收换能器的间距不一致，参加统计计算的首波初至时间(或声速)和声幅无法保持严格的同等条件。由此可见，假设条件与实际情况很难达成一致，数学统计法在实际应用中存在着明显的不足和局限性[5，6]。实践中，这可能会出现严重缺陷的漏检情况，给工程带来很大的安全隐患。

3 过滤法及其对比分析

在美国，声波透射实测数据的处理和计算方法与我国有所不同，被称为过滤法[7]。与国内数学统计法相比，过滤法强调相对能量、阈值首波初至时间(或声速)、瀑布图和层析成像等分析综合运用，来识别桩身内部混凝土缺陷。

3.1 相对能量

发射换能器生成的发射脉冲经过桩身混凝土、缺陷以及声测管和耦合水等介质，到达接收换能器时，实测到的脉冲信号强度必然衰减。显然，若衰减弱，表明接收信号强度高，混凝土质量完好，桩身无缺陷；若衰减严重，表明接收信号强度低，桩身存在缺陷。在国内，采用实测声幅即首波的幅值作为接收信号强度指标。实践中首波的识别并非易事，常受到环境噪声、声测管之间及换能器之间不平行等干扰，进而导致实测声幅出现误差。为此，实测的声幅并不能反映真实的接收信号强度。过滤法利用相对能量来反映接收信号强度。相对能量是对自首波初至时刻起一定时间内的实测信号进行积分计算。比如时间长度50，意指包括首波初至时刻在内连续50个数据点的接收信号进行积分，作为相对能量值。与数学统计法仅利用首波幅值不同，相对能量不仅利用了首波幅值，而且还利用了首波时刻后连续若干时间点的信号幅值，充分利用了实测信号，更能真实有效地反映接收信号的强度。如图1所示，首波初至时刻开始的两条垂直虚线表示相对能量计算长度。

3.2 阈值首波初至时刻

在数学统计法中，首波初至时刻物理上是一个绝对量值，即扣除零读数(由检测系统产生以及耦合水和声测管管壁产生)后接收到的第一个超声脉冲首波的净时间。实践中，这个时间常受到噪声干扰信号叠加以及声测管间不平行或换能器间距局部变化等许多不利因素的影响，造成各测点间首波初至时刻产生差异。由此可见，首波初至时刻并不是一个绝对量，而是一个相对量。过滤法采用设定阈值来确定首波初至时刻。阈值设定有两种，即REL阈值和ABS阈值。REL阈值通过找出接收信号中首波峰值，以此峰值的百分数幅值对应的时间作为首波初至时刻。该阈值推荐设定为20%～30%之间。ABS阈值以接收信号最大量程的百分数对应时间作为首波初至时刻。该阈值推荐设定为10%～15%之间。具体运用时，采用接收信号中第一个同时超过REL阈值和ABS阈值的时刻作为最终的首波初至时刻。如图2所示，两条水平线分别表示REL阈值和ABS阈值，垂线与时间轴的交点表示使用阈值确定的首波初至时刻。

3.3 瀑布图

在数学统计法中，一般采用声时(或声速)和声幅曲线与临界值线之间的相互关系来显示桩身缺陷。低于临界线的声时(或声速)和声幅位置被判定为缺陷所在位置。依据上述讨论，这种方式存在着明显不足。过滤法强烈推荐采用瀑布图方式来识别和显示缺陷。瀑布图又称波列图，是将某一剖面中所有测点的接收信号自上而下依次连续地叠加起来，形成类似于瀑布形态的图形。对于反映桩身缺陷来讲，更显直观，易于判断。运用相对能量、阈值首波初至时刻(或声速)和瀑布图相结合是非常有效的缺陷判定分析方法。图3为瀑布示意图，最左侧连线表示首波初至时刻曲线。

3.4 层析成像分析

超声波透射层析成像技术是20世纪70年代由Greenleaf等人提出的[8]。运用X-CT理论中的Radon变换，得到桩身混凝土掺量噪声(声速、衰减系数)与接收信号之间的线性关系。在桩身中沿多个不同方向发射超声波脉冲和接收信号，利用X-CT理论中的图像重建方法，如FBP和代数重建等算法反演桩身声学掺量噪声的分布图像。层析成像分析在我国应用很少，仅沿用声时(或声速)和声幅随深度变化的XY曲线。在少量声测管和组合剖面情况下，只能粗略地评判缺陷及其所在位置和分布范围，无法定量地给出缺陷的分布形态和损伤程度。过滤法鼓励采用层析成像分析技术，在平测剖面基础上，增加不同方向的斜测剖面。基于这些实测剖面反演声速二维和三维图像。层析成像分析可以定量地判定缺陷及其所在位置、形状和程度。图4为层析成像分析结果图，图4a)为三维立体显示图，图4b)为纵剖面显示图，图中阴影部分表示缺陷。从中可以清晰地看出桩顶以下6 m,29 m和47 m附近的缺陷及其分布状况。

3.5 声学参数与缺陷关系

利用过滤法实测的声学参数与常见缺陷之间建立对应关系，有助于分析和判定桩身内部混凝土缺陷。当超声波脉冲遇到缺陷时，接收信号的声学参数将发生改变，会引起各个声学参数的显著变化，如：1)相对能量减小；2)首波初至时刻延长(或声速降低)；3)瀑布图外轮廓出现中断或空白区域；4)接收信号畸变。

经实践总结，不同缺陷的声学参数变化特征明显不同。以下详细地描述常见桩身缺陷与声学参数变化之间的关系特征：

1)断桩。在浇筑混凝土过程中由于拔管过快导致桩身某处产生断桩。断桩通常是全截面的缺陷，对应深度处各个剖面的实测声速和相对能量均会快速下降。与其他缺陷相比，断桩的实测声速和相对能量曲线表现为突变型以及瀑布图出现明显空白区域。2)缩颈或夹泥。当桩身内部混凝土存在缩颈或夹泥时，对应深度处的实测声速和相对能量将会下降。如果声测管被夹泥所包裹，则声速和相对能量下降幅度更大。3)气泡。桩身混凝土内常存在着微小气泡。气泡不会对实测声速造成明显降低，但却使相对能量明显衰减，实测相对能量明显下降，这是因为声脉冲遇到气泡导致散射而引起的。4)离析。混凝土离析使得局部粗骨料集中而与其相邻区域的骨料少砂浆多。粗骨料多的地方声速升高，但由于声学界面多对声脉冲的反射和散射加剧，使得接收信号相对能量下降。粗骨料少砂浆多的地方，实测声速下降而相对能量高于附近混凝土，瀑布图出现断断续续的空白区域。5)孔底沉渣。沉渣物质呈松散状态，对声脉冲的衰减相当剧烈，使实测声速和相对能量剧烈下降，瀑布图出现明显空白区域。通常，在桩底附近出现这种声学表现，表明桩底存在着较厚的沉渣。

4 工程应用

某工程基础采用大直径钻孔灌注桩，桩径2 200 mm，桩长80 m，混凝土强度C35。桩身完整性采用声波透射技术进行检测。按照ASTM标准，桩身中预埋有8根声测管。为了验证过滤法分析的有效性，在桩顶以下22 m附近设置一个明显缺陷。该缺陷直径300 mm，高度500 mm，呈圆柱体桩，材质为泡沫。声测管和缺陷布置示意图如图5所示。由图中可见，缺陷布置在声测管A和H之间。现场埋设缺陷情况见图6。

实测各个组合剖面声学参数后进行过滤法数据处理和分析，得到全部28个组合剖面的声时(或声速)曲线、相对能量曲线和瀑布图。分析结果显示AH,AG,BH组合剖面发现这个埋设缺陷。典型的声学异常表现如图7所示。由图中可以清晰地看出，在22.0 m附件声速和相对能量快速下降，瀑布图出现局部空白区域，其外轮廓首波初至时间延长，表明该处附近存在着明显缺陷。

5 结论

1)过滤法中利用相对能量和阈值首波初至时刻判据，可客观地反映桩身混凝土实际强度和缺陷，相比于数学统计法的声时声幅临界值判据更加科学，可大大减少缺陷漏检的风险。2)过滤法强调利用瀑布图识别缺陷，使得缺陷的分辨率和对比度明显提高，更加直观。3)过滤法鼓励运用相对能量、首波初至(或声速)、瀑布图及层析成像等缺陷分析方法进行综合解释，可有效地识别缺陷并弥补数学统计法中的局限性。这对声波透射检测技术应用的科学性和计算结果的可靠性具有十分重要的现实意义。