聲波透射法與反射波法在基樁檢測中的應用

褚清順

1 概述

隨著我國基礎建設的快速發展,眾多基礎工程采用大直徑鉆孔灌注樁。此類樁由于是在水下或在復雜地層鉆孔和灌注混凝土,在施工過程中常遇到工程地質問題如地下水滲流、流砂層、淤泥層引起塌孔和縮孔等客觀因素的影響,使樁容易產生離析、夾泥、斷樁、縮頸、疏松不密實等樁身缺陷。因此對于基樁的檢測十分必要。聲波透射法和反射波法是兩種常用的基樁檢測方法。

2 聲波透射法

2.1 聲波透射法的原理

聲波透射法是利用聲波的透射原理,通過換能器在預埋聲測管中發射、接收聲波,得到實測聲波在混凝土介質中傳播的聲時、波幅和頻率等聲學參數的相對變化,從而判斷樁身完整性的一種檢測方法。公路橋梁基樁工程屬于隱蔽工程,處于橋梁質量控制的關鍵環節,由于無法通過直接觀測來檢測其質量,所以需要一些能對其長度、完整性、均勻性等方面進行檢測的方法,而聲波透射法正好具有許多其他方法不可比擬的優越性。

當樁身存在斷裂、離析等缺陷時,破壞了混凝土介質的連續性,使聲波的傳播路徑復雜化,聲波將透過或繞過缺陷傳播,其傳播路徑大于直線距離,引起聲時的延長,而由此算出的波速將降低。另外,由于空氣和水的聲阻抗遠小于混凝土的聲阻抗,聲波在混凝土中傳播過程中遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷時,在缺陷界面發生反射和散射,聲能衰減,因此接收信號的波幅明顯降低,頻率明顯減小。再者,透過或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差,疊加后互相干擾,致使接收信號的波形發生畸變。綜上所述,當樁身某一段存在缺陷時,接收到的聲波信號會出現波速降低、振幅減小、波形畸變、接收信號主頻發生變化等特征。

2.2 聲波透射法基樁檢測方法

聲波透射法檢測是采用水平同步測試法。即將發射與接收換能器通過深度標志分別置于兩根聲測管底部,這樣可以附帶檢查基樁的長度,然后由樁底以相同標高同步提升,測點間距為200 mm。根據混凝土中聲速、波幅的變化情況,即可對樁身混凝土的均質性及強度變化作出分析評價,發現局部低速異常就可以作為缺陷存在的標志。

按照超聲波換能器通道在樁體中的不同的布置方式,超聲波透射法基樁檢測主要有三種方法:樁內單孔透射法,樁外孔透射法,樁內跨孔透射法。

2.3 聲測管的原理

為了使換能器能達到檢測部位,需預先埋設若干檢測通道,因此,在采用超聲檢測時,必須在灌注混凝土前預埋聲測管,混凝土硬化后無法抽出,該管道即成為樁的一部分,也是聲通道的一部分,其影響接收信號的分析。而且它在樁的橫截面上的布局,決定了檢測的有效面積和探頭提拉次數,所以聲測管的預埋是影響檢測方式和信號分析判斷的基本問題。

3 反射波法

3.1 反射波法的原理

反射波法又稱時域法,即在時間域上研究分析樁的振動曲線,通常是通過對樁的瞬態激振后,研究樁頂速度隨時間的變化曲線,從而判斷樁的質量。瞬態激振最簡便的方法就是用手錘或力棒敲擊樁頂,同時通過安裝在樁頂的速度(或加速度)傳感器,獲得上述振動曲線。由于這種方法比較簡便,成本低,所以在工程界中應用較廣泛。

3.2 注意事項

3.2.1 樁頭的處理

在現場信號采集工作中,樁頭的處理是測試成功的第一關鍵,但在大多情況下,很多測試人員忽略了這一點。由于施工的原因,往往樁頭部分有素混凝土,有些測試人員忽略了對樁頭的處理,直接就在素混凝土上進行測試,結果無論怎么改變傳感器以及傳感器的安裝,無論怎么改變振源,測試信號都不理想,往往在測試信號的淺層部位存在較嚴重的反向脈沖。一般情況下,樁頭的處理以露出新鮮含骨料的混凝土面為止,而且要盡量平整、干凈(樁頭不要破碎、不要有雜物、不要有水);這可以通過隨身攜帶鑿子以鑿平安裝點和錘擊點或委托施工方在測試前幫忙進行樁頭處理,這樣有利于傳感器的安裝和力棒的錘擊。

3.2.2 傳感器的安裝

傳感器的安裝對現場信號的采集影響較大,理論上傳感器越輕,越貼近樁面,與樁面之間接觸剛度越大,傳遞特性越好,測試信號也越接近樁面的質點振動。對實心樁的測試,傳感器安裝位置宜為距樁心2/3～3/4半徑處;對空心樁的測試,錘擊點與傳感器安裝位置宜在同一水平面上,且與樁中心連線形成90°夾角,傳感器安裝位置宜為樁壁厚的1/2處。傳感器的安裝必須通過耦合劑垂直與樁面粘結。下面介紹幾種較常用的耦合劑:1)粘性好的黃油或凡士林:經濟實用,但黃油較臟,凡士林較干凈;2)粘性好彈性差的橡皮泥;3)牙膏:干凈方便;4)口香糖:用口加工后使用。傳感器是否安裝好,可用手指輕彈傳感器側面,若傳感器紋絲不動則說明已經安裝好。有的測試人員為了測試簡便,經常不用耦合劑或少用耦合劑,致使耦合劑的作用減少或消失,導致測試信號振蕩很明顯,不利于對基樁的分析判斷,這樣是不可取的。

3.2.3 擊振點及擊振方式的選擇

擊振信號的強弱對現場信號的采集同樣影響較大,對實心樁的測試,擊振點位置應選擇在樁的中心;對空心樁的測試,錘擊點與傳感器安裝位置宜在同一水平面上,且與樁中心連線形成90°夾角,擊振點位置宜在樁壁厚的1/2處。對長大樁測試一般應當用力棒或大鐵球擊振,其重量大、能量大、脈沖寬、頻率低、衰減小,適宜于樁底及深部缺陷的檢測,樁底及深部缺陷的信號反射較強烈。但由此很容易帶來淺層缺陷和微小缺陷的誤判和漏判。當根據信號發現淺層部位異常時,建議用小釘錘或鋼筋進行擊振,因其重量小、能量小、脈沖窄、頻率高,可較準確的確定淺層缺陷的程度和位置。經常有測試人員拿把小錘去測長大樁,并反映很難測到樁底反射。按以上的原理,這樣的測法是不正確的。由于小錘重量小、能量小、脈沖窄、頻率高、衰減快,因此信號在樁身中傳播有可能未到樁底就衰減完或即使傳到樁底反射回來的信號也很微弱極難分辨。由此可見,用小錘測長大樁,并想得到樁底反射,大多數情況下是很困難的。

3.2.4 傳感器的影響

目前大多數測試人員在對基樁進行低應變反射波法測試時選用速度或加速度傳感器。其中速度計在低頻段的幅頻特性和相頻特性較差,在信號采集過程中,因擊振激發其安裝諧振頻率,而產生寄生振蕩,容易采集到具有振蕩的波形曲線,對淺層缺陷反應不是很明顯。同速度計相比,加速度計無論是在頻響特性還是輸出特性方面均具有巨大優勢,并且它還具有高靈敏度的優點,因此用高靈敏度加速度計測試所采集到的波形曲線,沒有振蕩,缺陷反應明顯。

4 結語

聲波透射法檢測基樁結果充分說明,使用該方法對大直徑深長樁檢測方法有效,準確度高,尤其適應重點工程單樁單柱的樁進行基礎檢測。而波反射法也具有以下優點,儀器設備輕便、檢測速度快和費用低;具有靜載荷試樁不具備的功能,可測樁身完整性;可區分破壞模式是土的破壞還是樁身結構的破壞;可對工程樁進行普查。具體方法的選用,還應參照工程中的實際情況認真加以分析。

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