根据声波传播理论，建立声波传输通道，提前在基桩内部埋设声测管，安装接收换能器，通过超声波检测仪脉冲发射换能器向基桩发射高频弹性脉冲波，当脉冲波遇到基桩混凝土的缺陷（如孔洞、裂缝等）时，波的能量发生变化，导致脉冲波的外表振幅发生显著变化。因此，计算脉冲波的外表振幅在识别和定位基桩混凝土中的缺陷方面具有重要作用。

脉冲波的外表振幅Z_c计算公式如下：

式（1）中：最大振幅值用Z描述，m；波震和波源之间的差距用c描述，m；弹簧振子的质量用o描述， kg；弹性系数用p描述，N/m；脉冲波的传播时长用t描述，s；脉冲波在混凝土当中的传播速度用s描述，m/s。通过公式（1）得到的脉冲波的外表振幅值，评估脉冲波在传播过程中的强度变化。

通过分析脉冲波外表振幅的变化，判断基桩混凝土中的缺陷信息，可以提前发现异常检测点，为后续的缺陷定位工作提供准确的评估依据。

在发现异常检测点后，为了更加详细的探测缺陷的范围，本文采用桩内跨孔声波透射法进行基桩检测。该方法在机场改扩建工程当中应用广泛，是当前混凝土灌注基桩检测的常用方法^[9-10]。检测时需在基桩中部署多个声测管，并且将发射以及接收换能器部署在声测管中。桩内跨孔声波透射法具有作业限制少、检测全面、测量精度高和对基桩无损害的优点^[11]。调整发射和接收换能器的深度，根据具体情况分别采用平测、斜测和扇形测量的方法进一步确认，三种扫测方法的具体操作如图1所示。

图1 平测、斜测和扇形测量方法示意图Fig.1 Schematic diagram of horizontal measurement，oblique measurement，and sector measurement methods

1.2.2 PSD斜率法缺陷定位

通过PSD斜率法量化异常数据，进一步提高缺陷定位的精度和敏感性。PSD判据，也称斜率法判据，是声波透射法在基桩检测当中常用的缺陷定位算法，由于超声波经过基桩混凝土缺陷时，波速会大幅度降低，采集到的声时也会随之增大，因此与缺陷点周围正常区域的声时数据会产生很大的区别，根据这些差别即可判断基桩的缺陷位置、种类等^[14]。为了定量化这些异常数据，并进行放大操作，需要提取相邻测点的声时差异数据与深度差异数据，并取二者的比值，公式如下：

式（2）中：基桩深度为深度—声时曲线的纵坐标，声时变化的斜率用X描述，ms/m；

对X同其相邻测点的声时差Δt (Δt=t_i - t_{i - 1})进行乘积运算，能够获取PDS判据的K值，可表示为：

式（3）中，X表示声时t同深度差的斜率，ms/m；g表示声时t同深度差的测点高度，m；K_i表示第i个测点的PSD判据值。

通过以上处理，将异常数据放大后，缺陷处与正常混凝土相邻部分的K值就会增大，据此可以判断缺陷区域的位置、区域和面积等。

在建立PSD—深度曲线时，根据实时采集的声时获取基桩剖面测点的PSD，利用该值检测异常点，该方法对基桩混凝土的缺陷识别很灵敏，同时还可以提高精度，减少由声测管不平行导致的测量误差。

由于基桩在灌注过程中现场环境复杂，且工艺环节多，难度高，所以基桩的混凝土质量受到多种因素的影响，很容易产生各种缺陷和不足。评估基桩灌注质量的因素包括基桩的完整度、耐用度和承载力，其中完整性评估最为重要^[15]。其评判标准是桩身混凝土呈均匀分布，无明显断裂和钢筋外露现象。

以上节确定的高精度的基桩混凝土缺陷类型、大小和范围等信息结果为依据，根据《建筑基桩检测技术规范》分析声学参数，对桩身的完整性进行评估和分类，详细的分类标准如表1所示。

表1 基桩完整性评估分类表Table 1 Classification of foundation pile integrity assessment

根据上述表中的基桩分类标准，对机场改扩建工程的所有基桩进行声波透射法检测。根据分类的结果安排下一步的工作，对不同缺陷程度的基桩进行后期补修和重铸作业。

长沙机场改扩建工程（T3航站楼）第一标段位于现有长沙黄花国际机场东侧。新建T3航站楼约50万㎡；综合交通枢纽49.23万㎡；新建货运站工程1.99万㎡，新建航空食品加工厂3.65万㎡，具体项目情况如图2所示。

长沙机场改扩建工程（T3航站楼）第一标段第三方检测是目前为止湖南省内唯一一个检测金额过千万的建筑项目。该项目作为湖南省最有影响力的工程（湖南省1号工程），第三方检测单位在该项目检测过程中需要提供准确、公正的试验数据。

委托第三方机构进行工程质量检测的范围主要包括但不限于：T3航站楼；货运及机务维修工程；生产辅助用房工程；机场应急与消防救援工程；能源中心工程；信息中心工程；驻地建设等单位工程的原材料、地基基础等。

声波透射法基桩检测的主要设备包括：超声仪、声测管、深度传感器、导向轮、三脚架以及换能器等，本文采用RS-ST01C超声仪，产自武汉的海岩公司，同时加上计算机，采用跨孔法进行基桩检测。

实验时使用三个声测管，对基桩发射和接收超声波信号，根据采集到的超声波传播特征研究跨孔之间混凝土的质量，声测管的布设位置如图3所示。

图2 长沙机场改扩建工程总体效果图Fig.2 Overall rendering of Changsha Airport renovation and expansion project

图3 声测管布设位置Fig.3 Layout of acoustic tubes

打开WaveViewer软件，连接超声仪和计算机，设定采样率为5 MHz、声波的传播速度为1500 m/s，开始采集声波信号。利用WaveViewer软件对采集到的数据进行进一步处理和分析，通过滤波、时域图谱显示等功能，对声波数据进行实时监测和初步分析，以提取出声波在混凝土中传播的特征，识别可能的缺陷部位。使用PSD（功率谱密度）斜率法对声波数据进行分析，识别声波信号中的频率成分和能量分布情况。结合声波透射法检测结果和声波数据分析的特征，对基桩的完整性进行判断和分类，对基桩的完整性状况进行评估，并记录下相应的判断结果。

本文选取长沙机场改扩建工程B指廊部分的基桩为检测对象，采用声波透射法进行基桩检测实验，现场检测作业情况如图4所示。

图4 声波透射法基桩检测作业现场Fig.4 On-site detection of foundation piles using acoustic transmission method

实验选取其中16号基桩进行检测，其长度、直径分别是12 m以及1500 mm，采用的混凝土强度等级为C30，桩身中布置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三根声测管，形成三个测面，检测时采用逐点对测的方式，按照100 mm/测面的标准进行，获取各个测面的超声波波形图，PSD—深度曲线图等测量数据。超声波波形图可以直观的反应桩身是否存在缺陷，具体的实验结果如图5所示。

从图5（a）当中可以看出，当基桩没有缺陷时，超声波波形图波速正常，上下波动幅度均匀连续，并无异常波动情况，因此判定该部位属于正常部位。从图5（b）当中可以看出，当基桩有缺陷时，超声波的透射波形明显变小，波幅下降很多，同时声时增大，导致波形出现了畸变现象。说明声波透射法可以直观的判断出基桩是否存在缺陷，定性检测的完整性很高，而且检测作业容易，不受基桩大小的限制，适应性很强。这是因为本文方法通过分析脉冲波外表振幅的变化，判断基桩混凝土中的缺陷信息，可以提前发现异常检测点。

为了进一步确认基桩缺陷部位的具体位置以及面积大小等信息，通过PSD斜率法判据进行缺陷部分的定位，实验获取的PSD-深度曲线如图6所示。

图5 桩身正常与缺陷部位超声波波形图对比Fig.5 Comparison of ultrasonic waveforms between normal and defective parts of pile body

图6 PSD—深度曲线图Fig.6 PSD-depth curve

从图6当中可以看出，16号基桩在大约3.85~4.56 m处，以及9.85~11.23 m处，发现两个较大的缺陷部位，这两个区域大部分声测点的波幅都低于阈值，且PSD产生了大幅度的畸变，同时桩底的声学参数也产生了异常现象，很可能是桩底沉渣，因此根据表1基桩完整性评估分类表，将16号基桩划分为四类桩，即桩身存在较大缺陷，不符合建筑工程安全标准，需要重新进行补桩。

实验说明使用声波透射法进行基桩检测可以直接定位基桩缺陷的具体位置和类型等，检测结果直观、高效，能够缩短检测时间，提高作业效率。

为了验证声波透射法基桩检测实验结果的准确性，对16号基桩进行钻芯法混凝土取样，从而对桩身缺陷的具体位置和情况进行实际确认，取样的结果如图7所示。

图7 基桩钻芯法混凝土取样Fig.7 Concrete sampling by pile core drilling method

从图7当中可以看出，16号基桩在进行混凝土钻芯法取样后，在3.85~4.56 m处以及9.85~11.23 m处，均发现了混凝土芯样不完整、结构破碎、胶结程度低、钻进取样难度高等问题，因此这两个部位确实存在较大的缺陷。根据基桩完整性判断标准进行评估，在3.85~4.56 m处以及9.85~11.23 m处，混凝土原材料的质量不达标，混合比例不当，导致混凝土内部存在空洞、裂缝缺陷，得出的结论与声波透射法的检测结果相同，同样将16号基桩判定为四类桩。

实验说明声波透射法的检测结果与钻芯法基桩混凝土取样的实际核验结果一致，准确度很高，完全可以取代传统的基桩检测方法，具有很强的实用性。这是因为声波透射法结合PSD斜率法能够对基桩内部的材料变化和结构缺陷进行高灵敏度、高分辨率的检测，捕捉到基桩内部的微小变化，准确地定位可能存在的缺陷部位，从而使得检测结果更加可靠和准确。同时声波透射法结合PSD斜率法无需对基桩进行破坏性取样，因此不会影响基桩的完整性，避免了传统检测方法对基桩结构的损伤，也减少了后期的维护工作。

基桩的质量除了完整性以外，最重要的一个指标就是承载力，因此在机场改扩建工程的基桩检测当中，对于基桩承载力的检测也是十分重要的，为了确定单桩的极限承载力和沉降量等参数，基桩静载实验室最准确可靠的检测方法。

长沙机场改扩建工程（T3航站楼）B指廊部分的地基基础采用深层搅拌桩，该结构的安全等级是2级，同时要求单桩承载力规划值是250 kN，地基承载力特征值应不低于200 KPa。

为了进一步验证声波透射法的基桩检测性能，基于《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94），对包括16号基桩在内的B指廊部分共8根基桩分别进行了单桩静载实验，编号从10~18号，上述基桩均通过了声波透射法基桩检测，除了16号基桩以外，其它的基桩均符合建筑工程质量标准。具体的实验结果如表2所示。

表2 各基桩极限承载力统计表Table 2 Statistics of ultimate bearing capacity of each pile

从表2中可以看出，经过声波透射法检测后，不合格的16号基桩在静载试验中的极限承载力仅为186 kN，远低于设计值和工程质量要求。而其余检测合格的7个基桩，其极限承载力均超过了设计值，表现出良好的承载性能。这一结果充分说明了声波透射法在基桩质量检测中的准确性和有效性，有利于工程质量的严格把控。这是因为声波透射法结合PSD斜率法能够对基桩内部材料的微小变化和结构缺陷进行高灵敏度的检测，因此能够及时发现可能存在的问题，并给出准确的评估结果。并且声波透射法能够直接定位基桩的缺陷位置和类型，而PSD斜率法可以提供更精确的缺陷识别。这使得对基桩缺陷的评估更加准确和直观，有效避免了主观因素的干扰。