超声波作 业 指 导 书

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1、作业指导书(超声波检测)编写：审核：批准：生效日期：年月日第1版第0次修改管理类别受控非受控.二OO八年十一月作业指导书1.检测方法及适用范围超声波法：基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在材料和结构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接收和记录下来的波动信号，来确定岩土介质和结构的力学特性，了解它们的内部缺陷。本方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。适用于水利、矿业、交通、铁道、市政等地下工程。2.检测依据标准中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003。3.检测的目的检测桩身缺陷及其位置，判定

2、桩身完整性类别。4.检测原理一、波动方程：由弹性力学可知，经过静力学、几何、物理三方面的综合以后，可以得出拉密运动方程。当不计体程时，该方程可表示为：（1-1）其中：（1-2）（1-3）（1-4）式中：、G——拉密系数——本积应变、v、w——分别为质点在X、Y、Z方向的位移——介质密度代号是拉普拉斯算子：由拉密运动方程式（1-1）出发，可以导出纵波（P）与横波（S）的波动方程，下面讨论这两种波的传播速度。1.纵波质量振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。设则拉密运动方程可写成：或写成（1-5）（1-6）其中，式（7-5）为无限弹性介质中纵波的波动方程，即为纵波的传播速度，如将和G用E和表示，

3、则可得出：（1-7）2.横波质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。设则拉密运动方程式（7-1）变为：（1-8）或写成（1-9）其中（1-10）式（7-9）即为无限弹性介质中横波的波动方程，VS即为横波的传播速度，如用E，表示，又可写成(1-11)3.一维波动方程对于一根混凝土桩，当桩的长度L远远大于桩的直径D时，即L>D时，可把桩看成是具有侧限约束（围压）的杆系结构。在桩顶施加一个初始扰动力（锤击一下），弹性波立即从桩头沿桩身往桩底传播，并满足一维波动方程。在一维情况下，拉密方程变为：（1-12）（1-13）式中VB——波速；u——轴向位移；x——轴向坐标；t——时间。一维波动方程的解为

4、：（1-14）式中——分别为初始位移、初始应变和初始速度；、——自变量的任意函数，分别对应入射波和反射波。比较VP，VS和VB三式，不难看出：故有VP>VB>VS，即纵波速度总是大于横波速度，因此，纵波又称P(Primary)波，意即初始波，因其波速VP最快；横波又称S(Secondary)波，意即次波，因此波速VS最小。由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波在介质中传播的速度也不同。这样，如用人工(爆破、锤击等)发生弹性波，并设法用接收仪表测定其波速，则可以用来判别岩体的特性及状态(如坚硬或松软，裂隙与完整等)以及混凝土桩基的完整性和承载力等，这就

5、是工程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。实测时，由于s波的发生和接收都比较困难，以及其它原因，故多以测P波为主。所谓P波也就是声波，因此，弹性波探测又称为声波探测。它在各个工程领域内已得到广泛的应用。二、波的反射与透射：当弹性波在传播过程中遇到介质突然变化的界面时(如岩体中的节理、裂隙和断层等；岩石与混凝土的界面，基桩的桩底、桩身的夹泥薄层、断裂、严重扩颈和缩颈等)，将会产生反射和透射，这是因为波动方程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。现考察图1-1，并分析反射和透射的特点。当振幅为Ao的纵波入射到界面R上时，为了满足边界条件，会产生振幅为A1的反射纵波、振幅为A2的透射纵波、振

6、幅为B，的反射横波和振幅为B2的透射横波，它们之间的关系由斯奈尔定律决定，即（1-15）式中——纵波入射角和反射角；——纵波透射角；——分别为界面上下两种介质的纵波速度，——分别为界面上下两种介质的纵波速度；——分别为界面上下两种介质的横波速度；图1-1波的反射与透射在桩基质量检测时，满足一个特殊的边界条件，即桩顶锤击时，平面波垂直入射(=0)，当弹性波从桩顶往下传播时，碰到弹性性质突然变化的界面时，不产生波的转换，仅有反射波和透射波的存在，而不存在反射横波和透射横波，即B1=B2=0，故得反射系数为（1-16）式中A、A0——分别为反射纵波和入射纵波的幅值，、V1、、V2——分别为第一层介

7、质和第二层介质的质量密度和纵波速度；其积为波阻抗。透射系数为（1-17）式中，A2一透射纵波幅值。由式(1-16)，虽然，反射系数n的取值范围一1≤n≤l。反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的多少，说明界面上能量的分配问题，而反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差。波阻抗差越大，n越大，反射波的振幅也越大；反之，反射波的振幅就小，当时，则不产生反射。§1.2声波探测技术岩体中往往包