超声波测试混凝土的基本方法

超声波测试混凝⼟的基本⽅法

声波在均匀的固体介质中传播时，特别是在⾦属中定向传播过程中，实际上并没有什么衰减，⽽在⾦属与空⽓界⾯上则⼏乎全被反射回来。这就是利⽤声波来检测⾦属零部件均匀性和零件内是否有⽓孔、裂缝、铸造等缺陷的物理基础。⽽混凝⼟超声探测亦是根据这⼀原理来研究混凝⼟的结构形态。⽬前⽐较成功的⽅法有以下⼏种类型：（1）⽤超声波通过混凝⼟来判断混凝⼟内部结构的⽅法，叫透射法或穿透法；

（2）⽤声波所产⽣的回波信号来研究混凝⼟内部结构及裂缝位置及波速叫反射法；（3）⽤声波的界⾯滑⾏波来研究岩体的下伏界⾯速度及界⾯位置的⽅法叫折射法；（4）⽤钻孔来了解混凝⼟内波速及结构特征随深度的变化，称为孔中测定法。下⾯分别介绍各种⽅法⼯作的特点及使⽤条件．〔Ⅰ〕透射波（直达波）法：

混凝⼟超声波透射法，是⼀种简单⽽效果⼜是最好的探测⽅法．采⽤透射法发收、换能器机－电，电－机转换效率⾼，因⽽在混凝⼟中的穿透能⼒相对较强，传播距离相对较长，可以扩⼤探测范围。透射波法可以获得较反射波法⼤⼏倍，较折射波法⼤⼏⼗倍的能量，因⽽波形单纯、清楚、⼲扰较⼩，初⾄清晰，各类波形易于辨认。透射波法要求发射探头和接受探头之间的距离必须能够准确丈量，否则计算出来的误差值较⼤，反⽽影响了测量的精度。

当被测对象较破碎，或存在张裂缝时岩体对声波的衰减系数较⼤，以及做⼤距离测试，可采⽤锤击法。这时接收仍可采⽤单⽚弯曲式换能器接收，其谐振频率以10千赫左右为宜。因为在混凝⼟上加板的激发频率主频约在数千赫。鉴于这时所测声时值较⼤，发射到接收的系统延时值在数微秒，可忽略，故不再计较t0的值。〔Ⅱ〕反射波（回波）法

⽤发射、接收换能器检测混凝⼟质量。超声波在混凝⼟中传播时，所遇到的每个波阻抗⾯上，都将发⽣反射、透射现象，在有⼏个波阻抗⾯存在时，则在每个界⾯上都将发⽣反射和透射。这样我们在混凝⼟表⾯上可以观测到⼀系列依次到达的反射波如图1所⽰，为多层界⾯反射透射⽰意图。

图1

反射波的强度不仅与⼊射波的强度有关外，⽽且决定界⾯的反射系数，即决定两种介质的声阻抗。声波在介质中传播过程中，由于波前的发散作⽤和凝滞及阻尼等吸收作⽤，波内稀疏部分与压缩部分中间之热传导及辐射，以及反射波形成过程中都会使⼊射波的振幅随着传播的距离增加⽽迅速衰减，在均匀同性介质中，振幅随距离按指数规律衰减。在各向异性介质中,振幅⼀⽅⾯要随距离衰减外，⽽且随着节理、层理、界⾯曲率、混凝⼟结构的破碎程度、裂缝的宽度和长度及与波传播的⽅向等因素有关，⽆⼀定规律的衰减，在计算时，这要看诸影响因素中起主导作⽤的是什么，抓住主要⽭盾，再考虑其它因素。

混凝⼟不均匀或者由界⾯破碎等波阻抗⾯的不同所造成的反射波，当波阻抗⾯距离⼩于波形振动的延续⾯时，则往往造成两个波形振动带的⼲涉使之产⽣叠加，反射波多层薄层分辩率最好的位置是在发射探头附近，发射和接收探头距离过⼤，则往往使之浅层反射波振动带来严重⼲扰下层的反射波，这时超声波形图将是及其复杂⽽⽆法分辨的。因此，在应⽤反射法时应注意以下⼏个问题：

①接收探头应尽量靠近发射探头，因为这时波具有稳定的强度和⼀致的波形，这使得反射波容易追踪。②在发射探头附近的测区内，反射波法可以分辨界⾯相距较近的反射波。并且⼲扰最⼩。

③观测点距离发射探头不远时，反射波射线在⽅向上接近于反射⾯的法线。因此上部混凝⼟中间分界⾯上折射的影响⼤⼤减少，这样就便于认识波形和提⾼解释的精度。〔Ⅲ〕折射法适⽤于表层混凝⼟有损伤〔Ⅳ〕需要预先埋管或钻孔混凝⼟声波检测的实例⒈混凝⼟试件的超声波波速测试

⑴确定换能器的频率，换能器选择的主要指标是频率，以及由频率计算出的波长λ应满⾜⼩于混凝⼟样横向垂直声线⽅向尺⼨Ｄ的２倍，考虑到接收信号的主频率会低于发射频率，因此要求Ｄ≥（2~5）λ，同时要求λ≥ｄ（ｄ为混凝⼟平均粒径）。反过

来确定换能器的频率ｆ＝Ｖ/λ，ｆ＝（2～5）Ｖ/Ｄ。混凝⼟样品的测试，在声速可以穿透的情况下尽量选⽤频率⾼⼀些的换能器，因为这时会有好的指向性。例如45kHｚ的纵波换能器，在声速为4000ｍ/s的混凝⼟中，其波长λ＝0.09m，⽽混凝⼟试块的尺⼨为0.15m×0.15m，即波长λ不满⾜⼩于混凝⼟样横向垂直声线⽅向尺⼨Ｄ的２倍这个条件，需要进⼀步提⾼换能器的频率。此外，为保证换能器是良好的，有⼀定的电声和声电转换效率，其收发传输效率⼤于95%。

⑵系统的校零。在测试之前，必须测试发射换能器、电路、接收换能器的系统延时值ｔ0，故每更换⼀次换能器需重复此项⼯作⼀次。ｔ0的测试⽅法最简单的是对接法，即将收发换能器的辐射⾯间加黄油或凡⼠林作为偶合剂，并相互紧贴，将发射能量调到最⼩，读取这时的声时，即为ｔ0。此外尚有标准棒法，即⼀个⼀定长度的铝棒或有机玻璃棒(试验中⼼现有的标准棒的时间为25.6µs)，事先在精密仪器上标定了它的声波传播时间ｔn 时，测试标准棒的声波传播时间ｔm,则ｔ0＝ｔm－ｔn，ｔn值已在棒上标出，故ｔ0可以获取，或直接调整声波仪的旋钮，使声波穿过标准棒的时间为ｔn。当然还有长短棒法，即取同⼀段有机玻璃棒其直径应不⼩于50ｍｍ，截取25、50、75、100、120mm数段，分别⽤仪器依次测取其声波传播时间，如为ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５

，即可做时距曲线，

或进⾏⼀元线性回归，即可测得ｔ0值，如果能够做到每次的偶合状态均达到最佳，那么所测得的ｔ0值，基本上与对接法相⼀致，其相互间的误差仅在0.1µs内，即相当于⼀个耦合油层的声波传波时间。

⑶测取混凝⼟样品尺⼨，⼀般可采⽤卡尺，其精度在0.02mm可满⾜要求，但对加⼯⾯是否平⾏应加考虑，⽅法是采取对混凝⼟样的两测试⾯间，改换位置多次测量，以求得两被测⾯中⼼点⾄中⼼点间的距离。

⑷混凝⼟超声波的判读与处理：我们主要通过波的到时，以及频率、周期、振幅、相位等定性定量数据，借以研究混凝⼟结构和岩体的基本物理⼒学性质。

①详细了解并掌握声波检查仪性能，充分利⽤仪器的某些特殊设计，如改变脉冲的宽度和输出发射电压的⼤⼩等，②详细了解并掌握换能器的声波指向性，适当选择并安放收发换能器的位置及倾斜⾓度。③根据研究⽬的和波形特点，适当选取收、发探头的频率。

④换能器的电－声及声－电转换效率与换能器的输出输⼊阻抗匹配情况有很⼤影响。应采⽤磨平探测点混凝⼟表⾯或加耦合剂的办法来改善换能器与混凝⼟的耦合状态。⑤选择最佳的观测系统。

⑥消除⼲扰波。通过实测取得⼀张完整的波形剖⾯图后，就要对剖⾯进⾏震相辨认，区分出直达纵波、直达横波、反射波、折射波及其它各种转换波。根据波的到时及波形特点，并计算

波速和研究各类波的所携带的有⽤信息。图1为透射法实测波形图。从图上

可以 看出：由时标可分别计算发射脉冲到接收探头之间纵波的初⾄点及时间间 隔，从⽽计算波速。波形分析及震相的识别是在⼯作⼀开始就要考虑的问题，这⼀⼯作贯穿在整个声波测试⼯作的始终。如在选⽤探头和探头的安装上就应考虑到突出被测震相，其次要了解各类波的震相特点和利⽤各类波的对⽐才能加以识别。纵波初⾄时间的测定应尽量增⼤放⼤器的增益，这样找到的波形起跳点“⼲净”。在增⼤放⼤器的增益时，噪声也将随之放⼤，测定起跳点时，应避免噪声的⼲扰等产⽣的误差。在

有⾼频成分⼲扰P 波初⾄时，最好采⽤⾼频包络线与基准线（0线）的交点作为初⾄时刻。当纵波P 的初动不明显或初动反向时，需要根据震相特点及波速，波速⽐等诸因素认真研究。同时改变探头的耦合条件和倾斜⽅向，⼒争使各测点初动⽅向⼀致。横波初致时间的确定：由于S 波的初致时间较晚，基本在P 波的续⾄区及其它界⾯波的⼲扰区内，因此S 波的初⾄的测定是⽐较困难的。根据相关经验认为可采⽤如下措施：把放⼤器的增益尽量减少，使P 波振幅⼏乎⼩到与⽔平基线重合的程度，这时在波列图上只能见到S 波的振幅，这样可以⼤体上确定S 波的起点。然后，再加⼤增益，细找S 波的起始点。⼀般情况下在S 波⼤振幅前⾯去找周期、振幅、相位与P 波列不同的属S 波初⾄的震相。也可根据纵横波速⽐值及理论时距曲线法查找初⾄。

⑸仪器的声时准确度检查。空⽓中声速的测试取常⽤平⾯换能器⼀对，接于声波仪上，开机预热30min ，在空⽓中将两换能器辐射⾯对准，在变动两辐射⾯彼此相隔距离的情况下（如0.1m 、0.15m 、0.20m 、0.25m 、0.30m 、0.35m 、0.40m ），将接收信号尽可能放⼤，测出相应于各间距的声时t 1，t 2，t 3…..。测量时应注意：换能器间距的测量误差应⼩于或等于0.5%；换能器宜悬空相对，若置于地板及桌⾯上时，需在换能器下⾯垫以海绵块或泡沫。计算空⽓的声速：以换能器距离为纵坐标，声速读数为横坐标，将各组数据点绘在直⾓坐标图上，各点应在⼀直线上。在坐标纸上画出该直线，并算出直线斜率；即为空⽓声速实测值v 1。空⽓声速的标准值按公式v 2＝331.4×T 00367.01?+ （T 为测试时空⽓的温度）。要求：空⽓声速的实测值v 1和标准值v 2的相对误差e r 不应⼤于±0.5％，否则仪器计时系统不正常。e r ＝（v 1-v 2）/v 2×100％2混凝⼟缺陷检测

在混凝⼟结构物的施⼯及使⽤过程中，往往会构成⼀些缺陷和损伤。形成这些缺陷和损伤的原因是多种多样的，⼀般⽽⾔，主要有4个⽅⾯：图2

（1）施⼯原因，例如，振捣不⾜、钢筋⽹过密⽽⾻料最⼤粒径选择不当、模板漏浆等所造成的内部孔洞、不密实区、蜂窝及保护层不⾜、钢筋外露等；

（2）由于混凝⼟⾮外⼒作⽤形成的裂缝，例如，在⼤体积混凝⼟中因⽔泥⽔化热积蓄过多，在凝固及散热过程中的不均匀收缩⽽造成的温度裂缝，混凝⼟⼲缩及碳化收缩所造成的裂缝；（3）长期在腐蚀介质或冻融作⽤下由表及⾥的层状疏松；

（4）受外⼒作⽤所产⽣的裂缝，例如因龄期不⾜即⾏吊装⽽产⽣的吊装裂缝等。

虽然形成缺陷和损伤的原因很多，但是缺陷和损伤的形成不外乎图3所⽰的⼏种。 这些缺陷和损伤往往会严重影响结构物的承载能⼒和耐久性，因此，是事故处理、施⼯验收、陈旧建筑物安全性鉴定、进⾏维修和补强设计的检测项⽬。所谓混凝⼟探伤，就是以⽆损检测的⼿段，确定混凝⼟内部缺陷的存在、⼤⼩、位置和性质的⼀项专门技术。

超声波技术⽤于材料内部缺陷的探伤始于1928年，⾸先⽤于⾦属材料及其零件。当时制成了第⼀台连续超声波探伤仪，它只能探测缺陷的有⽆，⽽⽆法确定缺陷的⼤⼩和位置。1934年提出了⽤超声脉冲技术进⾏探伤。在第⼆次世界⼤战中雷达技术迅速发展，采⽤超声脉冲技术的相应仪器也随之⽇臻完善。⽬前，在⾦属材料中已应⽤了超声显像、⾃动报警等新技术，⽽且超声波全息照相技术也得到应⽤。混凝⼟探伤技术的发展⽐⾦属材料探伤的发展要晚得多，在这⽅⾯的研究⼯作直到50年代才逐步开始。在我国，直到60年代才受到⼯程界的重视。1990年我国制定了《超声法检测混凝⼟缺陷技术规程》（CECS221：90）。

⾦属材料的探伤主要是应⽤超声波在内部缺陷界⾯上的反射特征，以反射波作为判断缺陷状态的基本依据。鉴于混凝⼟的⾮均质特性，⾼频超声波在混凝⼟中传播时，将受到⽆数个界⾯的反射，若⽤⾦属超声探伤仪进⾏混凝⼟探伤，难以鉴别出缺陷。因此，混凝⼟超声探伤的基本原理与⾦属探伤不同。混凝⼟超声探伤采⽤以下4点作为判别缺陷的基本依据：

（1）根据低频超声在混凝⼟中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化，判别和计算缺陷的⼤⼩；（2）根据超声波在缺陷界⾯上产⽣散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象判断缺陷的存在及⼤⼩；

（3）根据超声脉冲各频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率明显降低，或接收波频谱与反射波频谱产⽣的差异，

也可判别内部缺陷；

（4）根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺陷。以上4点可以单独运⽤，也可综合运⽤。

根据以上原理，在进⾏混凝⼟探伤时所需测量的物理量是声程、声时、衰减量、接收波形及其频谱，所以，凡是有波形显⽰的混凝⼟超声检测仪均可⽤于探伤。⽽⽆波形显⽰的数字显⽰声速仪，虽然也可⽤于探伤，但它只能提供声时和声速作为唯⼀的判别依据，因⽽容易造成误判。

2.1混凝⼟内部孔洞、裂缝及蜂窝状缺陷的探测（⼀）缺陷⼤⼩的实际声程计算法

内部缺陷的检测应采⽤穿透法，其发射及接收探头的布置如图4所⽰。在探测时⾸先在缺陷附近（图4）的（a ）位置，测出⽆缺陷混凝⼟的声时值，并按厚度算出声速C （取数点的平均值），然后将探头移⼊缺陷区，并找到声时最长的⼀点，该点即为缺陷垂直于两探头连线平⾯的“中⼼”位置，然后测读出声时值。这时图3混凝⼟缺陷种类⽰意图 1.2.3裂缝；4孔洞；5蜂窝；6层状破坏的声时值应为声波绕过缺陷所需的时间。假定空洞正好居于厚度L 的中⼼，则在超声

传播⽅向上（即两探头连线⽅向上）的最⼩横向尺⼨可按下式计算：2222L C t D d -+= (1)

式中，d 为缺陷最⼩横向尺⼨；D 为探头直

径；L 为混凝⼟厚度；C 为混凝⼟声速（C ＝L/t 1）；

t 1为超声过⽆混凝⼟时的声时；t 2为探头在缺陷中⼼位置时的声时。显然，当L 与d 之⽐越⼩时，

t 1与t 2之差越⼤，探测准确度越⾼，但当缺陷形状为扁平状或⽚状的内部裂缝，⽽且其⾛向与超声传播⽅向平⾏时（见图5中的a-a 位置），L/d 将变得很⼤，t 1与t 2基本相等，这时，这种⽅法⽆效。克服的办法是在条件可能的情况下将探头移过⼀个⾓度（见图5中的b-b 及e-e 位置）。探头位置移动后，进⾏缺陷尺⼨计算，在（2－1）式中应改⽤新的参数代⼊，例如探头在e-e 位置时，缺陷的尺⼨d 可近似计算如下：2

22s i n 1c c L C t d -=α

（2） 式中：d 为⽚状缺陷平⾯内的最⼩尺⼨；Lc 为探头间的最短距离；t c 为探头在e-e 位置时，超声绕过缺陷所需的声时；C 为⽆缺陷混凝⼟的声速；a 为两探头连线与缺陷平⾯的夹⾓。

当缺陷⼩于探头直径时，声时⽆明显变化，但因缺陷界⾯的散射将使衰减值增加，接收波的波⾼下降，这时应改⽤衰减值（波⾼变化）或接收波频率的下降程度作为判别缺陷是否存在的依据。当探头在某⼀⾯积上移动时，发现其中某⼀点接收波⾼显著下降，⽽声时⽆显著变化，⽽且探头连线转过⼀个⾓度后有同样现象，则可判为该点有⼩于探头的缺陷存在（见图6）。

（⼆）⼤⾯积扫测的缺陷判别

所谓内部缺陷，是指在混凝⼟表⾯⽆外露痕迹的缺陷。在实际结构及构件检测中，不可能在全部⾯积上进⾏全⾯探测，⼀般均选择重要受⼒部位及对施⼯质量有怀疑的部位进⾏仔细探测。当需仔细探测的⾯积较⼤时，可⽤多级⽹络法描出等声时线,并逐步缩⼩测区的⽅法（见图7），这样可防⽌遗漏，同时⼜避免了⼤⾯积的细测。

图4混凝⼟内部缺陷的探测 图5⽚状缺陷的⾛向与探头位置的布置 图6⼩于探头直径的缺陷的判别⽹络的⼤⼩可视构件⼤⼩⽽定，例如第⼀级⽹络采⽤30cm 间距，然后在声时变化的点上再划出⼆级⽹络

（例如10cm ），将各等声时点连接起来即成“等声时线”，在等声时线的范围中，声时最长的点即为该缺陷区的“中⼼”位置。

为了定量地确定缺陷的存在，近年来普遍采⽤统计⽅法。其具体⽅法是⽤被测构件的各测点声时值t 和超声穿透距离L 求出声速C ，然后根据已知的R ＝f （C ）关系，换算出各测点的估算强度R 。假定所有测值总体呈正态分布，求出其平均强度R和标准差S ，则判定某点存在缺陷的依据为

c i S R R 2-< （3） 若第i 点的强度值R i 符合上式，则该值出现的概度只有2.27％，即出现的机率极少，如果有，应是⼀异常点，可视为存在缺陷的可疑位置。

当被测对象的R ＝f （C ）关系不明确，难以将C 值换算成R 值时，可直接⽤C 值的统计结果作为判别依据

c i S C C 2-< (4) 式中，C 为所有测点声速平均值；Sc 为声速值的标准差；C i 为第i 点的声速值。 当被测构件的厚度不变（即声程L 不变）时，也可直接⽤声时值的统计结果作为判别依据： t i ＜ t ＋2S t （5） 式中：t 为所有测点声时平均值；S t 为声时值的标准差；t i 为第i 点的声时值。

以上判据中未反映测点的影响。为了更确切地判别缺陷，南京⽔利科学研究院曾提出如下判别⽅法：⾸先计算出结构物各测点估算强度的平均值R 及标准差S ，然后分两种情况对各测点进⾏判断。1．孤⽴的低强度点

计算出该点强度和平均强度之差与样本标准差的倍数z ，即 （R －R min ）／S ＝z （6） 式中：R 为所有测点的平均强度值；R min 为孤⽴低强度点的强度值；S 为强度值的标准差。再从正态分布表上查得R min ＝R －zS 时出现的概率P ，然后算出在N 个测点中R min 可能出现的次数 M ＝NP （7）

式中：M 为R min 在正态分布的数值样本中可能出现的次数；N 为测点总数；P 为R min 在正态分布的样本中的概率。其判为缺陷的条件是 M ＜1 （8）

即在正常情况下，这样的强度值是不应当出现的，现在出现了⼀个点，说明是异常点，应判为缺陷。2．⼏个相邻点的强度都低于某⼀最⼩强度的区

通常取最⼩强度R min ＝R －2S ，即z ＝2。这时R min 出现的概率为P ＝2.28％。图7多级⽹格法探测缺陷区⽰意图

若在⽹络测点中，某点A的强度低于R min，其相邻四点中的任⼀点也低于R min，这种情况出现的概率为：P＝（2.28％）2×4＝0.208％

同样，当NP＜1时，则认为此相邻两点处有缺陷。

当被测对象的R＝f（C）关系不明确时，也可直接⽤声速C值的统计结果作为判别依据。

：90）中推荐采⽤下述⽅法进⾏判别：

⾸先将测区内各测点的声时值（t i）由⼩到⼤按顺序排列，即t1≤t2≤…≤t n≤t n+1，将排在后⾯明显偏⼤的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最⼩的⼀个（假如是t n）连同其前⾯的数据，求出其平均值t和标准差S t，并按下式算出异常情况的判断值X0：

X0＝t＋λ1·S t（9）

式中：X0为异常情况判断值；λ1为异常值判定系数，按表2－1选取。

把X0值与可疑数据中的最⼩值（假定为t n）相⽐较，若t n≥X0，则将t n及排在其后的各声时值均为异常值；当t n＜X0时，应再把t n＋1

放进去重新计算t和St，并算出新的异常情况判断值X0，再与t n＋1作⽐较。

如果在各测点同时测得波幅和频率值，及按声时算出的声速值（以x代之），则也可按上述⽅法进⾏统计处理，把它们分别按次序由⼤到⼩排列，排成x1≥x2≥…≥xn ≥xn+1，将

排在后⾯明显⼩的数据视为可疑。然后再将这些可疑数据中最⼤的⼀个（假定为x n）连同其前⾯的数据，算出平均值x和标准差S x，并按下式求出判断值X0。

X0＝x－λ1S x（10）式中：x为各测点波幅、频率或声速的平均值；S x为波幅、频率或声速的标准差；其余各项含义同前。

再将判断值X0与可疑数据的最⼤值X n相⽐较，当X n≤X0时，则X n及排在其后的各数据均为异常值；当X n＞X0时，则应再将X n+1放进去重新计算X和S X，并求出新的判断值X0，把X0与X n+1作⽐较。

当测区中某些点声时值（或声速值）、波幅值（或频率值）被判为异常值时，可结合异常测点的分布及波形状况，确定混凝⼟内部缺陷的范围。

必须指出，波幅值和频率值是与衰减密切相关的两个参数，因此，它们必然受耦合条

件的明显影响，若耦合条件保证不了波幅和频率测值的稳定，则该参数不能作为统计法的判据。

以上判据，改变了原来完全经验性的判别⽅法，使缺陷的判别数值化。但这⼀判别⽅法尚待完善。其问题在于：上述判据均假定缺陷检测时，所有的测值的总体满⾜正态分布规律。但事实上，在有缺陷存在的情况下，测值的分布与常⽤的混凝⼟强度分布规律不同，缺陷越多，则偏离正态分布规律越远。⽽且，S 值随着混凝⼟均⼀性的不同⽽变化，当混凝⼟均匀性较差时，S值很⼤，这时很可能会掩盖真正的缺陷。所以,⼀个构件或结构均匀性很差或缺陷较多时，采⽤上述判据会产⽣漏判。（三）缺陷的声时、振幅、波形综合判断

在第⼀节中已阐明，缺陷的存在，除了反映在超声传播时间延长外，还反映在接收波幅度降低（衰减）和波形畸变。如能综合运⽤这些因素进⾏判断，必能提⾼判断的准确性。 若在探测时测得各测点的声时值t （或声速C ）、接收波波幅A （或衰减系数a ）的相对值，则⼤体上可参考表2－2进⾏定性判断。同时，也可参考接收波的波形。如果声时偏⼤，波幅偏⼩，⽽且波形畸变，则可以肯定混凝⼟质量有缺陷。

为了能定量地⽤声时、波幅和接收波频率来判断缺陷的存在，南京⽔利科学研究院提出了⼀个综合质量指标m

t n f A K i i i com --=)( （11） 式中：com K 为判断缺陷的综合值；f i 为某测点接收波频率，kHz ；A i 为某测点接收波波幅，NP ，dB 或mm ；t i 为某测点声时值；µs ，m ，n 为常数。

变化幅度很不⼀致，其中A 的变化幅度最⼤，t 的变化幅度最⼩，因⽽三者对K com 的制约权数不等。为了改善这种状况，引⼊m 、n 常项。

m 、n 值的确定，以使A 、f 、t 三者的变异系数相等为原则，可按下式计算：t

S f S A S T F A == (12) 式中：SA 为各测点接收波波幅测值的标准值；A 为各测点接收波波幅测值的平均值；SF 为各测点接收波频率减去n 后的标准差；f 为各测点接收频率减去n 后的平均值；ST 为各测点声时值减去m 后的标准差；t 为各测点声时值减去m 后的平均值。

随着超声检测仪器的迅速发展，在探伤中若能采⽤具有波形数字采集和处理功能的智能型仪器，则可通过机内⾃动判读功能和频谱分析功能，迅速⽽准确地获得各测点的声时、幅值、主频率、频谱畸变系数等许多参数。因此，多因素综合判断是缺陷判断的必然趋势。

随着可利⽤参数的增多，综合判断的模式也会不断发展。近年来，聚类分析、模糊综合评判等模糊数学的多因素综合判断⽅法都已被引⽤于探伤技术，这些进展必将使混凝⼟测缺陷的数值判据更准确、更科学、更完善。2.2混凝⼟裂缝深度的探测

混凝⼟开⼝垂直裂缝深度的探测，可视构件的形状及裂缝位置的不同，采⽤穿透法和平测法。

（1）当垂直于裂缝的构件断⾯不⼤时，可在平⾏于裂缝的两侧⾯上⽤穿透法进⾏探测。探测时将探头沿构件侧⾯逐点移动，当两探头连线未与裂缝平⾯相交时，声时不变，两者相交后声时逐渐拉长。

在采⽤这⼀探测⽅法时，假定裂缝中没有积⽔和其它能够传声的夹杂物，事实上这是不可能的。因此，⽤该法探测的裂缝深度往往⼩于实际深度。为了避免误判，也可采⽤波⾼法作为辅助判据。当接收信号的波⾼显著下降，⽽且越来越低，不再回升时，即使声时未明显增⼤，也应将波⾼开始下降的那⼀点对应的⾼度判为裂缝的深度。此外，由于裂缝中的某些夹杂物形成声通路，声时会突然减⼩，但波⾼不会完全恢复，因⽽据此还可排除夹杂物的影响。如果裂缝中充满⽔，则可采⽤横波探头消除⽔的⼲扰。

（2）当结构物断⾯很⼤，⽆法在侧⾯⽤穿透法测量时，可⽤开⼝垂直裂缝的深度平测法探测，其探测与判断⽅式可采⽤图6的⽅式。

对于图8所⽰的⽅式，⾸先将探头在⽆裂缝处⽤平测法测出

混凝⼟的声速。测量时，所选的区域中混凝⼟的各种条件包括配⽐、湿度条件等均与裂缝区混凝⼟的相

同。C 值取多次测量的平均值，然后将探头等距离地置于裂缝两侧，读出声波绕过裂缝末梢时的声时值。根据⼏何关系，有2224

1AB AC DC -= (13) 12

1Ct AC = (14) 将（14）代⼊（13）得 2212)(2

1AB Ct DC -= (15) 式中：DC 即为裂缝深度h ；C 为⽆缺陷处混凝⼟的声速；t 1为声波绕过裂缝所需的声时；AB 即为探头间距d 。

（15）式⼜可改写为： 221)(2

1l Ct h -= (16) 试验证明，探头与裂缝的距离AD 、DB 与裂缝深度DC 相接近为宜。若A 、B 相距太远，则AB 的长度与折线AC 、DB 的长度之差减少，这样，由于混凝⼟的⾮均质性，按（16）式计算时甚⾄会得出负值；若A 、B 相距太近，绕⾏信号减弱，有可能被底⾯反射信号所⼲扰，计算结果会接近或超过结构物的厚度。

当有钢筋穿过裂缝时，如探头靠近钢筋，则会影响测量结果，若钢筋与换能器连线间的距离D 较⼩时，部分声波将折射⼈钢筋并沿钢筋传播且先于绕裂缝末端传播的声波到达接收换能器。显然，这时的钢筋象⼀座搭在深⾕（裂缝）上的“桥”，使声波的传播“短路”，结果是：计算得的裂缝深度变⼩，甚⾄为负数。此时探头应避开钢筋。应避开的最图8平测法探测裂缝深度的探头布置

短距离可计算如下：

如图9所⽰情况，若⽆钢筋影响，则可运⽤（16）式，所以绕过裂缝的声时应为：22141l h C

t -= (17) 当存在钢筋时，通过钢筋所需的声时t s ，可根据下式计算，即：s s s s C l CC C C

D t +-=22222 欲使钢筋对裂缝深度的探测不造成影响，必须使t s ≥t 1，所以，222222412l h C C l CC C C

D s s s -≥+- （18） 化简后得： 222224C C dll h C D s s --+≥ (19)

D 就是为了避免钢筋影响。Ｄ为钢筋与探头的最⼩距离；C s 为钢筋声速；C 为混凝⼟声速。对于⼀般估算，D 可取1.5h 左右。

在平测法测裂缝中有⼀个有趣的现象，那就是波形反相。当我们从短测距开始作跨缝测量时，随着测距增⼤，到某⼀测距时，会发现波形发⽣翻转，这就是波形反相。例如，当换能器在裂缝两侧相距15cm 时，波形如图10 a ），⾸波是向下的。当测距增加⾄20cm 时，波形变成图10 b ），

⾸波变成向上。 跨缝测量中⾸波反相的原因有待进⼀步探讨，但有⼀点是明确的：⾸波反相是在换能器间距离⼤致为裂缝深度的1—1.5倍左右时发⽣。

2.3斜裂缝的探测 对于斜裂缝的探测，不仅要求测出其深度，⽽且还要求测出其⾛向，⼀般可采⽤三⾓形定位法和双椭圆定位法。

图11所⽰即为三⾓形定位法⽰意图。测试时，⾸先在裂缝附近测出混凝⼟的平均声速C ，然后将其中⼀个探头固定于A 位置，另⼀探头移⾄E 及D ，测出声波经BE AB +所需的声时t 1及经BD AB +的声时t 2，即可得出以下⽅程：C t BE AB 1=+ (20) C t BD AB 2=+ (21)

αcos 222222l AB l AB BE -+= (22)αc o s 212122l AB l AB BD -+= (23)图9平测法测试裂缝深度时钢筋影响的消除

将实测的C 、t 1、t 2、l 1、l 2等代⼊（20）、（21）、（22）、（23）式，并解出未知项，即可由△ABE A 或△ABD 确定裂缝的⾛向和深度。

图12为双椭圆定位法⽰意图，在测出混凝⼟的声速C 后，将两探头分别置于A 、B 及A ˊ、B ˊ位置，取J B A AB 2``==。若测出声波沿AD 、DB 传播的声时t 1及沿D A `、`DB 传播的声时t 2。由于 112a Ct BD AD ==+222``a Ct D B D A ==+22121J a b -=22222J a b -=

因此，分别以A 、B 及A ˊ、B ˊ为焦点，以a 1、b 1及a 2、b 2作为长、短轴，即可得到两

个椭圆⽅程： 121212121=+b y a x , 122222222=+b y a x (24) 若取同⼀坐标系，则可得：121

212121=+b y a x , 1)(22

222221=++b y a M x (25) 显然，裂缝的末端必在这两个椭圆的交点上。所以，解（25）式即可求出裂缝末梢的座标位置，为简化计算，也可⽤作图法定位。2.4混凝⼟承载时微裂缝增⽣过程的测量

近年来应⽤超声探伤技术已成为研究混凝⼟⼒学性能的重要⼿段。图11斜裂缝的三⾓形定位法⽰意图 图12斜裂缝的椭圆判定法⽰意图在进⾏微裂缝增⽣过程的测量时，仍然以声速的变化作为特征值。因为随着微裂缝的增加，声波需绕过裂缝传播。因此，实际声程随微裂缝数量和⼤⼩的增加⽽增加，声时值也随之增⼤，若这时仍以探头间距作为声程，则所求出的声速明显下降。造成声速下降的另⼀个原因，是由于声波因微裂缝的散射⽽严重衰减。这时由于接收波形起点误判所引起的声时延长也使表⾯声速下降。后者在⽆波形显⽰的数字⽰声速仪上更为明显。所以，声速的变化相应地反映微裂缝的⼤⼩和数量。在压应⼒的作⽤下，混凝⼟中微裂缝的发展⽅向与压⼒⽅向相近，所以布置探头时，两探头连线应垂直于压⼒⽅向,这样探头较为敏感（见图13），这

时超声传播⽅向与部分裂缝平⾯相垂直，因⽽超声需绕⾏的声程较长，散射也较严重，声速变化较为明显，反之，根据这⼀原理，

若在不同的位置布置探头，按各对探头间声速变化的不同，⼜能判断出在外⼒作⽤下混凝⼟微裂缝的开展⽅向。图14为混凝⼟应⼒应变过程中各个不同阶段的声速变化情况。从应⼒变全过程曲线及声速变化曲线可以看出，整个过程⼤体上可分为4个阶段：第⼀阶段即应⼒与强度极限之⽐⼩于0.4时，应⼒应变曲线接近于直线，超声速度基本上不变。在这⼀阶段中，混凝⼟初始微裂缝尚未开展；第⼆阶段，应⼒与强度极限之⽐约为0.4～0.7或0.4～0.9，应⼒应变曲线开始弯曲，声速稍有下降。这时混凝⼟中的原始界⾯裂缝开始扩展；第三阶段，应⼒与强度极限之⽐约为0.8～1.0，这时界⾯微裂缝穿过砂浆形成贯穿裂缝，应⼒应变曲线明显弯曲，达到峰值点，由于裂缝的迅速扩展和贯穿，使声速急剧下降。第四阶段，已超过了极限应⼒，混凝⼟严重开裂，只能依靠开裂⾯的机械啮合作⽤承受荷载。这时变形迅速增⼤，承载能⼒逐步下降，声速也随之下降。

由以上试验可知，当试件承受压应⼒的作⽤时，声速的变化能明确地反映试件内部裂缝的增⽣情况，并与应⼒应变曲线有着相应的关系。这就使我们能从微裂缝开展的⾓度，解释混凝⼟应⼒应变的种种现象。2.5两次浇筑的混凝⼟之间结合质量的检测

图13测量微裂缝开展 过程的探头布置 图14混凝⼟不同破坏阶段时的声速变化

对于⼀些⼤体积混凝⼟和钢筋混凝⼟框架等重要结构物，为保证其整体性。应该连续不间断地⼀次浇筑完混凝⼟，但有时因施⼯⼯艺的需要或因停电、停⽔等意外原因，在混凝⼟浇筑的中途停顿间歇时间超过三个⼩时后再继续浇筑；还有已浇筑好的混凝⼟结构物，有时因某些原因需要加固补强，进⾏第⼆次混凝⼟浇筑。在同⼀个结构或构件上两次浇筑的混凝⼟之间，应保持良好的结合，使其形成⼀个整体，共同承担荷载，⽅能确保结构的安全使⽤。但是，在做第⼆次混凝⼟浇筑时，对已硬化混凝⼟表⾯的处理往往不能完全满⾜设计要求，浇筑⼯序上也难免出现这样或那样的问题。因此，⼈们对两次浇筑的混凝⼟之间结合质量特别关⼼，希望能采⽤有效的⽅法进⾏检验。超声脉冲技术的应⽤，为两次浇筑的混凝⼟结合质量提供了较有效的途径。

2.5.1测试⽅法

超声脉冲波检验两次浇筑的混凝⼟结合⾯质量，⼀般采⽤穿过与不穿过结合⾯的脉冲波声速、波幅和频率等声学参数相⽐较进

⾏判断⽅法。换能器的布置⽅法如图15所⽰。

为保证各测点具有⼀定可⽐性，每⼀对测点应保持其测线的倾斜度⼀致，测距相等。测点间距应根据被测结构的尺⼨的结合⾯的外观质量情况确定，⼀般为100mm-300mmm，间距过⼤易造成缺陷漏检的危险。图15 检测结合⾯的换能器布置2.5.2数据处理及判定

两次浇筑的混凝⼟结合⾯质量的判定⽅法基本相同。当结合⾯为施⼯缝时，因前后两次浇筑的混凝⼟原材料、强度等级、⼯艺条件等基本⼀致，如果两次的混凝⼟结合的良好，脉冲波通过与不通过施⼯缝的声学参数应基本⼀致，可以认为这些数据来⾃同⼀个母体。因此，可以把过缝与不过缝的声时（或声速）、波幅或频率测量值放在⼀起，分别进⾏排列统计。当施⼯缝中局部地⽅存在疏松、孔隙或填进杂物时该部位混凝⼟失去连续性脉冲波通过时，其波幅和频率会明显降低，声时也有不同程度增⼤，据此凡被判为异常值的测点，查明其他原因影响时，可以判定这些部位施⼯缝结合不良。

对于结构物进⾏修补加固所形成的混凝⼟结合⾯，因两次浇筑混凝⼟的间隔时间较长，⽽且加固补强⽤的混凝⼟往往⽐结构物原来的混凝⼟⾼⼀个强度等级。⾻料级配和施⼯⼯艺条件也与原来混凝⼟不⼀样。所以可以说两次浇筑的混凝⼟不属于同⼀母体，但如果结合⾯两侧的混凝⼟厚度之⽐保持不变，通过结合⾯的脉冲波，其声学参数反映了该两种混凝⼟的平均质量。因此，仍然可以将通过结合⾯各测点的声时、波幅和频率测量值按本章第四节⼀、⼆所述的⽅法进⾏统计和判别。被判为异常值的测点，查明⽆其他原因影响时，即判定这些部位的新⽼混凝⼟结合不良。

在⼀般⼯业与民⽤建筑中，混凝⼟结合⾯质量检验的机会相当多，⼤量实践表明，采⽤超声脉冲检测是相当有效的。2.5.3实例 某⼯程B —15#柱施⼯缝检测。

该柱断⾯的尺⼨为500mm×500mm ，距地⾯1.9m 处有⼀施⼯缝，采⽤过缝与不过缝斜测⽅法。声时和波幅测量值见表3表3 声时和波幅测量值

⽤声时统计的判别结果，过缝的t 3、t 4、t 8、t 9、t 12、t 15为异常值。

⽤波幅统计和判别结果，过缝的A 1、A 3、

A 4、A 8、A 12、A 15为异常值。从过缝测点的分布情况看，这些异常测点分布在施⼯缝的四周，经过凿开检查，四周的混凝⼟确实差，尤其是西南⾓存在松散⽯⼦的蜂窝孔隙，尺⼨见图16所⽰。2.6表⾯损伤层检测

混凝⼟和钢筋混凝⼟结构物，在施⼯和使⽤过程中，其表⾯层会在物理和化学的因素作

⽤下受到损坏。物理因素⼤致有⽕焰和冰冻；化学因素⼤致有酸、碱盐类。结构物受到这些因素作⽤时其表层损坏程度除了作⽤时间的长短及反复循环次数有关外，还与混凝⼟本⾝的某些物质有关系，例如体积⽐表⾯积⼤、龄

期、⽔泥⽤量、⽔灰⽐及捣实程度等。在考察上述问题时，⼈们都假定混凝⼟的损伤

层与未损伤部份具有明显的分界线。实际情况并⾮如此，国外⼀些研究⼈员曾⽤射线照相图16检测施⼯缝（阴影区为结合不良）

图17假设声速分布 图18实际声速分布

法观察因化学作⽤对混凝⼟产⽣的腐蚀情况。发现损伤层与未损伤部份不存在明显的界限。从我们的⼯程实测结果来看，也反映了此种情况，总是最外层损伤严重，越向⾥深⼊，损伤程度越轻，其强度和声速的分布应该是连续圆滑的，如图18所⽰。但⼈们为了计算⽅便，损伤层与未损伤部分简单地分为两层来考虑，计算模型如图17所⽰。2.6.1测试⽅法

超声脉冲法检测混凝⼟表⾯损伤层厚度的⽅法⼤致有两种：

1、单⾯平测法

此法可应⽤于仅有⼀个可测表⾯的结构，也可就应⽤于损

伤层位于两个对应⾯上的结构或构件。如图19所⽰，将发射换能器T 置于测试⾯某⼀点保持不变，再将接收换能器R 以测距l i =100、150、200……mm ，依次置于各点，读取相应的声时值t i 。

此法的基本原理是，当T 、R 换能器的间距较近时，脉冲波沿表⾯损伤层传播的时间最短，⾸先到达接收换能器，此时读取的声时值反映了损伤层混凝⼟的传播速度。当T 、R 换能器的间距较⼤时，脉冲波透过损伤层沿着未损伤混凝⼟传播的时间短，此时读取的声时中⼤部分是反映未损伤混凝⼟的传播速度。当T 、R 换能器的间距达到某⼀测距t 0时，沿损伤层传播的脉冲波与经过两次⾓度沿未损伤混传播的脉冲波同时到达接收换能器，此时便有下⾯的等式：2

02211022v x l x d v v l -++= （26） 式中 d ——损伤厚度 ; x ——穿过损伤层传播路径的⽔平投影;v 1——损伤层混凝⼟声速; v 2——未损伤混凝⼟声速 由于101v l t =，所以（5-18）式可改写成 202122212)(1v x l x d t v --+= （27） 取01=dxdt 01)(22)(2122

212212212211=-+=-?+?=-v x d v x v x x d v dx dt 则 2222121)(v x d v x =+ （28） 将（28）式整理并取正值，得21221

v v v d x -?= （29）

再将（29）式代⼊（27）式得21

2221202121222

2121102)1(2v v v v d v l v v d d v v l -?-+-?+= （30）图19平测损伤层厚度整理后得： 12120

2v v v v l d +-= （31） 由于平⾯式换能器辐射声场的扩散⾓与其频率成反⽐，频率越低，声场的扩散越⼤，平测时传播到接收

换能器的脉冲信号越强，所以平测法⼀般都采⽤30—50kHz 的低频换能器。

这种⽅法还可以⽤来测量双层结构中不可测层的脉冲传播速度。但是必要的测试条件是，要求内层声速（v 2）⼤于⾯层的声速（v 1）。有时由于损伤程度较轻或损伤层厚度不⼤，可能出现v 1、v 2的差值不⼤。因此，测量时必须准确测量T 、R 换能器之间的距离。2、逐层穿透法

事先在损伤结构的⼀对平⾏表⾯上，分别钻出⼀对对不同深度的测试孔，孔径为50mm 左右，然后⽤直径⼩于50mm 的平⾯式换能器，分别在不同深度的⼀对测孔中进⾏测试，读取声时值和测试距离，并计算其声速值。或者在结构同⼀位置先测⼀次声速，然后凿开⼀定深度的测孔，在孔中测⼀次声速，再将测孔增加⼀定深度，再测声速，直⾄两次测得的声速之差⼩于2%或接近于最⼤值时为⽌，如图17所⽰。

该⽅法不仅对结构造成局部破损，⽽且钻孔和凿孔很费事，还必须将孔底处理平整才能进⾏有效测试，操作相当⿇烦。但局部凿开不仅可以测量混凝⼟的声速，还可以根据敲凿的难易程度给碎屑的外观质量情况，进⾏综合判断，在⼀般情况下，其检测结果的可靠性较⾼，因此仍不失为⼀种值得推⼴应⽤的⽅法。2.6.2损伤层厚度判定

当采⽤单⾯平测时，将各测点的声时测值t 1的相应的测距值l 1绘制“时-距”坐标图。如图21所⽰，两条直线的交点B所对应的测距定为l 0，直线AB 的斜率，便是损伤层混凝⼟的声速v 1，直线BC 的斜率，便是未损伤混凝⼟的声速v 2，则有：2

1211--??==t l tg v α （32） 5

3532--??==l l tg v β (33) 根据（31）式便可计算损伤层厚度d 。为便于绘制“时-距”图，每⼀测区的测点数不得少

测点数要⼤于5点，如果被测结构各测区的损伤层厚度差异较⼤，应适当增加测区数。当采⽤逐层穿透法检测时，可将每次测量的声速值(v 1)和测孔深度值(h 1)绘制“v-h ”曲线，如图19所⽰，当声速趋于基本稳定的测孔深度，便是混凝⼟损伤层的厚度h 。

图20逐层穿透测损伤层厚度 图21平测法时距图图22 V-h 曲线

实例⼀ 某招待所框架结构，当浇筑好第三层柱的混凝⼟，正进⾏第四层楼板和⼤梁⽀模（⽊模）的绑扎钢筋时，发⽣了⽕灾，⼏⼗根柱⼦遭受不同程度的烧伤，检测时采⽤单⾯平测与穿透对测相结合的⽅法，按单⾯平测法测得的“时距”曲线如图5-24所⽰。由坐标图上查得v 1=tg α=3.2-2.9km/s ；

v 2=tg β=4.17km/s 。再将局部表层凿去50mm 左右磨平后再进⾏平测，得到图中虚线（2），其声速v 2= 4.14km/s 。⼜凿柱⼦根部，基本未受⽕灾损伤，采⽤穿透对测，得声速v =4.0-4.13km/s 。由此证明由“t-l ”图计算的值是可靠的，能代表未损伤混凝⼟的声速。 根据2-3式计算各柱的烧伤层厚度为47mm-65mm 迎⽕⾯厚⼀些，背⽕⾯浅⼀些，距⽕源近的柱⼦烧伤较深，距⽕源远的⼏根柱⼦烧伤很轻微。实例⼆ 某学校教学楼门厅冻伤程度检测

采⽤单⾯平测和穿透对测相结合的进⾏检测。按平测法绘制“t-l ”曲线查得的v 1=2.30-2.90km/s ；v 2=4.0-4.17km/s ，采⽤穿透对测法对未受冻柱⼦测得声速为：4.01-4.18km/s ；对受冻严重的部位（在柱⼦边缘对测）测得冻伤层声速为2.30-2.50km/s ，按（5-23）式计算得冻伤层厚d=60mm-110mm ，如图24所⽰，迎风的东北侧⾯冻伤较深，与实际情况相符。

2.7混凝⼟匀质性检验

所谓匀质性检验，是对整个结构物或同⼀批构件的混凝⼟质量均匀性的检验。混凝⼟均质性检验的传统⽅法是，在结构物浇筑混凝⼟时，现场取样制作混凝⼟标准试块，以其破坏强度的统计值来评价混凝⼟的匀质性⽔平。这种⽅法存在⼀些局限性，例如：试块的数量有限；因结构的配筋率、⼏何尺⼨及成型⽅法的不同，其混凝⼟的密实程度与标准试块相⽐，必须存在较⼤差异；构件与试块的硬化条件（养护温度、失⽔快慢等）不同对待。除此之外，还可能遇着⼀些偶然因素的影响。由此可以说标准试块的强度，很难全⾯反映结构混凝⼟的质量情况。

由于超声脉冲法是直接在结构上进⾏全⾯检测，虽然⽬前的测试精度还不太⾼，但其数据代表性较强，因此⽤此法检验混凝⼟的匀性质具有⼀定实际意义。国际标准及国际材料和结构试验室协会（RILEM ）的建议，都确认⽤超声脉冲法检验混凝⼟的匀质性是⼀种有效的⽅法。2.7.1测试⽅法

⼀般采⽤平⾯式换能器进⾏穿透对测法检测结构混凝⼟的匀质性，要求被测结构应具

备⼀对相互平⾏的测试表⾯，并保持平整、⼲净。先在两个测试⾯上分别画出等间距的⽹图23“时－距曲线” 图24 冻伤层厚度（阴影区） 1.在构件表⾯测试 2.凿去表⾯5ｃｍ测试

格，并编上对应的测点序号。⽹格的间距⼤⼩取决于结构的种类和测试要求，⼀般为200mm —500mm 。对于测距较⼩，质量要求较⾼的结构，测点间距宜⼩些，测距较⼤的⼤体积结构，测点间距可适当取⼤些。

测试时，应使T 、R 换能器在对应的⼀对测点上保持良好耦合状态，逐点读取声时值t i 。超声测距的测量⽅法可根据构件的实际情况确定，如果各测点的测距完全⼀致，便可在构件的不同部位抽测⼏次，取其平均值作为该构件的超声测距值l 。当各测点的测距不尽相同（相差≥2%）时，应分别进⾏测量。有条件最好采⽤专⽤⼯具逐点测量l i 值。2.7.2计算和分析

为了⽐较或评价混凝⼟质量均匀性的优劣，需要应⽤数理统计学中两个特征值——标准差和离差系数（亦称变异系数）。在数理统计中，常⽤标准差来判断⼀组测量值的波动情况或⽐较⼏组测量过程的准确程度。但标准差只能有效地反映⼀组观测值的波动情况，要⽐较⼏组测量过程的准确程度，则概念就不够明确，没有统⼀的基数，便缺乏可⽐性。例如，有两批混凝⼟元件，分别测得混凝⼟强度的平均值为20MPa 、45MPa ，标准差为4MPa 、5MPa ，仅从标准差来看，前者的强度较均匀，其实不然，如以标准差除以其平均值，则分别为0.2和0.11，实际上是后者的强度均匀性较好。所以⼈们除了⽤标准差以外，还常采⽤离差系数来反映⼀组或⽐较⼏级观测数据的离散程度。1、混凝⼟的超速值按下式计算：i i

t l i v = （34）

式中 v i －第I 点混凝⼟声速值（km/s ）l i －第I 点超声测距值（mm ）t i －第I 测读声时值（µs ）

2、混凝⼟声速的平均值、标准差及离差系数分别按下列公式计算：∑==n

i i n v v m 11 （35） ∑=-?-=n i v i v n m n v S 122)1/()( （36）v

x m S v C = （37） 式中

m v －混凝⼟声速平均值（km/s ）；S v －混凝⼟声速的标准差（km/s ）；Cv －混凝⼟声速的离差系数；

N －测点数。

如果按“v-f ”相关关系将混凝⼟测点声速换算成强度值，再进⾏强度平均值、标准差和离差系数的计算更好。

由于混凝⼟的强度与其超声脉冲传播速度之间存在较密切的相关关系，结构上各测点声速值的波动，基本反映了混凝⼟强度质量的波动情况，因此可以⽤混凝⼟声速的标准差（S v ）和离差系数(C v )来分析⽐较相同测距的同类结构混凝⼟质量均匀性的优劣。

但是，由于混凝⼟的声速与其强度之间存在的相关关系并⾮线性，所以⽤声速统计的标准差和离差系数，与现⾏验收规范以标准试块28天的抗压强度统计的标准差和离差系数不属于同⼀量值。所以最好将声速值换算成混凝⼟强度，以强度的标准差和离差系数，来评价同⼀批混凝⼟的匀质性等级。2.8混凝⼟灌注桩质量的超声脉冲透射法的检测⽅式2.8.1检测⽅式1、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7-1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，即为超声脉冲从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。基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，因此，测点间距应视要求⽽定。通常当⽤⼿动提接探头时，测点间距⼀般采⽤20—40cm ，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免⽔平裂缝被漏测，可采⽤斜测⽅法，即两探头之间有⼀定⾼度差，其⽔平测⾓可取30°~40°；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。为了扩⼤桩的横截⾯上的有效控制⾯积，必须使声测管的布置合理。

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25所⽰，在检测时视实际需要灵活运⽤。2、单孔检测在某些特殊情况下（例如，在钻孔取芯后）需进⼀步了解芯样周围混凝⼟的质量，以扩⼤钻探检测的观察范围。这时，只有⼀个孔道可供检测使⽤，可采⽤单孔测量⽅式

（如图26所⽰）。单孔检测⽅式需专⽤的⼀发双收探头，即把⼀个发射压电体和两个接收压电体装在⼀个探头内，中间以隔声体隔离，声波从发射振⼦发出经耦合⽔穿过混凝⼟表层，再经耦合⽔到达上下两个接收压电体，从⽽测出超声脉冲沿孔壁混凝⼟传播时的各项声参数。

运⽤这⼀检测⽅式时，必须运⽤信号处理

分析技术，以排除管中的混响⼲扰以及各种反

射信号叠加的影响。当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝⼟中的绕⾏，故不能使⽤此法检测。⼀般认为，单孔检测时的有效检测范围，约为⼀个波长的深度。3、桩外孔检测

当桩的上部结构已施⼯，或桩内未预埋声

测管时，可在桩外的⼟层中钻⼀孔作为检测通道。由于超声在⼟中衰减很快，因此，桩外的孔应尽量靠近桩⾝，使⼟层较薄。检测时在桩顶上放置⼀发射功率较强的低频平探头，沿桩

的轴向下发射超声脉冲，接收探头从桩外孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩⾝混凝⼟向下传播，并穿过桩与测孔之间的⼟层，通过孔中的耦合⽔进⼊接收换能器，逐点测出声时、波⾼等图25双孔检测⽅式 图26单孔检测⽅式 1.声测管；2超声仪；3、4换能器 1.超声仪2.单孔⼀发双收换能器

图27桩外孔检测 a.检测⽰意图 b.声时－深度曲线 c.波幅－深度曲线 1.声测孔 2.超声仪3.发射探头4.接收探头