聲波透射法在灌注基樁完整性檢測中的應(yīng)用研究

鄭明燕，孫洋波

(1.中國地質(zhì)大學，武漢 430074;2.上海港灣工程質(zhì)量監(jiān)測有限公司，上海 200000)

目前對混凝土灌注樁的檢測主要從兩個方面進行，一是樁的承載力;二是樁身完整性。一般在設(shè)計無誤的前提下，如果樁身完整性達到要求，樁的承載力一般都能達到要求，而承載力合格的樁，其完整性不一定能滿足要求。因此，對于混凝土灌注樁來說，完整性檢測顯得尤為重要。對于幾種基樁樁身完整性檢測方法，鉆芯法是較為可靠、直觀的檢測手段，但該法只能反映局部范圍內(nèi)混凝土的質(zhì)量，且很難使用于長樁。低應(yīng)變動測法是目前認為較能準確測定缺陷的方法之一，但是受到淺部盲區(qū)、多缺陷和樁身過長等限制，無法測試出樁身淺部缺陷、多個缺陷及深部或樁底缺陷。總的來說，低應(yīng)變法樁身檢測對缺陷程度較小的樁，準確率很低僅為12%，與它形成鮮明對比的是超聲波檢測的準確率幾乎高達100%，運用聲波透射法檢測樁身完整性以及基樁質(zhì)量在現(xiàn)代大型的高層建筑、公路、橋梁工程中越來越普及。

1 聲波透射法基本理論及檢測技術(shù)

1.1 聲波透射法檢測混凝土灌注樁工作原理

在被測樁內(nèi)預(yù)埋若干根豎向相互平行的聲測管作為檢測通道，將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測管中，管中注滿清水作為耦合劑，由儀器發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖，穿過待測的樁體混凝土，并經(jīng)接收換能器被儀器所接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時、接收波首波的波幅以及接收波主頻變化等參數(shù)。混凝土是由多種材料組成的非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，超聲脈沖信號在混凝土的傳播過程中因發(fā)生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使發(fā)射信號在混凝土中傳播的時間、振動幅度、波形及主頻等發(fā)生變化，這樣接收信號就攜帶了有關(guān)傳播介質(zhì)的密實缺陷情況、完整性等信息。當混凝土中有缺陷時，接受信號發(fā)生畸變，通過對接收信號的各種聲參量進行綜合分析，即可對樁身混凝土的完整性、內(nèi)部缺陷性質(zhì)、位置以及樁混凝土總體均勻性等級等做出判斷。

1.2 檢測方法及儀器

聲波透射法測樁常用的檢測方法根據(jù)聲測管埋置的不同情況分為:雙孔檢測、單孔檢測和樁外孔檢測。根據(jù)探頭升降方式分為:水平同步法、高差同步法、扇形掃射法、聲陰影重疊法等。檢測儀器采用超聲波檢測儀，超聲檢測系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 基樁聲波透射法現(xiàn)場檢測示意

1.3 檢測數(shù)據(jù)的處理與判定

基樁的聲波透射法檢測需要分析和處理的主要聲學參數(shù)是聲速、波幅、主頻，同時要注意對實測波形的觀察和記錄。

1.3.1 樁身完整性及缺陷判定方法

對檢測數(shù)據(jù)進行處理判定的方法主要有:概率法、PSD判斷法、NFP判斷法等。概率法主要依靠聲時作為判斷依據(jù)。PSD判斷法主要依據(jù)聲時斜率及相鄰兩點聲時差值的乘積作為判斷依據(jù)。NFP判斷法主要結(jié)合聲時、波幅、頻率等參數(shù)，通過其總體的概率分布特征，獲得一個綜合判斷值NFP來判斷缺陷。

1.3.2 樁身完整性及缺陷判據(jù)

1)聲速判據(jù):用平均聲速減去2倍的標準差作為判斷有無缺陷的臨界值。

2)波幅判據(jù):波幅(衰減量)對缺陷反映非常敏感，用接收信號能量的平均值的一半作為判斷有無缺陷的臨界值。

3)K·ΔT判據(jù):用聲時—高程曲線上相鄰兩測點的斜率K及相鄰兩點聲時值ΔT的乘積K·ΔT作為判斷缺陷的判據(jù)。

1.3.3 樁身混凝土勻質(zhì)性判據(jù)

以聲速的離異系數(shù)Cv作為樁身混凝土勻質(zhì)性的判據(jù)。

1.3.4 樁身混凝土缺陷的綜合判定

聲波結(jié)果分析是通過聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現(xiàn)場采集波形畸變程度綜合評定的，進而判定樁身缺陷程度、位置，評定成樁質(zhì)量(如表1)。用于判斷樁身混凝土缺陷的多個聲學指標:聲速、波幅、主頻、實測波形各有特點，但均有不足。在實際應(yīng)用時，既不能惟“聲速論”，也不能不分主次將各種判據(jù)同等對待。聲速與混凝土的彈性性質(zhì)相關(guān)，波幅與混凝土的彈塑性相關(guān)，采用以聲速、波幅判據(jù)為主的綜合判定法對全面反映混凝土這種彈塑性材料的質(zhì)量是合理的、科學的處理方法。現(xiàn)場檢測與綜合分析可按以下步驟:

1)采用平測法對樁的各檢測剖面進行全面普查;

2)對各檢測剖面的測試結(jié)果進行綜合分析確定異常測點;

3)對各剖面的異常測點進行細測加密測試;

4)綜合各個檢測剖面細測的結(jié)果推斷樁身缺陷的范圍和程度;

5)在對缺陷的幾何范圍和程度做出推斷后，對樁身完整性類別的判定可按各種類別樁的特征進行。

表1 聲波穿過不同缺陷程度混凝土的聲學參數(shù)差異

現(xiàn)在要說明的是，由聲速、波幅參量確定了缺陷臨界值后，便可以把樁身缺陷部位劃分出來，但卻無法推定缺陷的類別，有時甚至還難于對缺陷加以推定，這是因為由聲速和波幅來確定缺陷的測試屬于相對比較測量法，另外由聲速、波幅推定出的缺陷是多解的，其解不是唯一的。樁身完整性的推斷解釋必須掌握灌注樁全部制作過程的技術(shù)資料和檔案做為分析判斷樁身完整性、有無缺陷、是何種缺陷的佐證，才有可能比較正確地對樁身完整性及缺陷性質(zhì)做出推斷解釋，例如:

1)由成孔方式可推斷缺陷是否可能夾泥;

2)由地下水條件及混凝土灌注方法、施工記錄來判斷缺陷是否可能離析;

3)由澆灌過程是否連續(xù)或中斷，判斷缺陷是否是二次澆注面或斷樁;

4)由地層中的黏土層及黏土的塑性指數(shù)、終孔后距離澆注時間的長短，判斷是否可能出現(xiàn)嚴重縮徑使檢測管外露。從而排除這個部位的樁身是否存在其它缺陷，避免誤判后抽芯抽不到缺陷的尷尬局面等。

1.3.5 樁身混凝土質(zhì)量現(xiàn)有評定方法的不足

基樁檢測的相關(guān)規(guī)范中，根據(jù)樁身是否存在缺陷及存在缺陷的嚴重程度，將樁的完整性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四個類別，并依據(jù)各檢測剖面的聲學參數(shù)異常點的分布情況及異常點的偏離程度，決定被測樁的完整性類別。但由于混凝土是集結(jié)型的復合材料，多相復合體系，分布復雜界面(骨料、氣泡、各種缺陷)，加上灌注樁的混凝土需要自密實、地質(zhì)條件以及成樁工藝復雜等情況，因此其檢測的聲參量數(shù)據(jù)波動較大，在實際測試的過程中完全不出現(xiàn)異常測點的可能性較小，因此不能機械地理解并執(zhí)行規(guī)范中樁身完整性的判定標準，否則工程上很難有Ⅰ類樁，也不符合樁的完整性分類的定義。因此上述理論異常點只是可能的缺陷點，應(yīng)根據(jù)異常點的實測聲速、波幅、波形與正常混凝土的偏離程度和畸變程度，異常點的波形與正常混凝土的波形相比的畸變程度綜合判定。

2 聲波透射法檢測灌注樁實例分析

某跨海大橋樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計樁身直徑 φ 2 200 mm，樁長 101 m。采用目前最先進的ZBL-U520A型非金屬超聲檢測儀對試驗樁完整性進行檢測。試驗樁預(yù)埋4根檢測管，呈正方形布置于鋼筋籠的內(nèi)側(cè)并使其保持平行(如圖2)，管內(nèi)注滿清水，作為聲波耦合劑。檢測時采用普查和細測相結(jié)合。普查時采用對測方法，測量步距為25 cm，以同一高度等距離同步移動，逐點測讀聲學參數(shù)并計錄換能器所處深度，檢測過程中經(jīng)常校核換能器所處高度。若檢測過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則采用間距加密或斜測等方法進行細測。

圖2 聲測管位置示意

圖3 試驗樁超聲波檢測波形(1)

從現(xiàn)場各剖面的檢測結(jié)果可看出，在樁頂以下－45.5～－46.8 m范圍內(nèi)全斷面存在嚴重缺陷，各項檢測指標(聲時、聲速、波幅等)明顯異常;－4.6 m處附近存在缺陷，各項檢測指標(聲時、聲速、波幅等)異常，檢測波形如圖3、圖4。缺陷處聲速、聲幅明顯低于臨界值，且PSD曲線明顯突變，該處聲波波形包絡(luò)線呈喇叭形、嚴重畸變、扭曲，波形特征如圖5(a)所示。其余部分混凝土質(zhì)量密實、均勻，相鄰測點聲速、聲幅變化較小，PSD曲線接近直線，波形特征如圖5(b)所示。隨后施工單位對試驗樁進行了鉆孔取芯，結(jié)果與超聲波檢測一致。在多次討論后，施工單位對缺陷部位進行高壓水下切割、清渣及壓漿等處理。壓漿后又對其進行了第二次超聲波檢測，經(jīng)對檢測波形分析，檢測結(jié)果與壓漿前所進行的第二次檢測結(jié)果基本相同，各項異常檢測指標的位置、范圍、程度也基本一致。后經(jīng)與施工單位分析原因，該樁缺陷為灌注過程中因施工不連續(xù)造成，即由于施工停料，灌注間歇時間過長，而導致樁身缺陷。在未及時進行技術(shù)處理的情況下，直接灌注樁體上部混凝土而形成斷樁。在該工程中，采用聲波透射法檢測，及時準確地發(fā)現(xiàn)安全隱患，工程質(zhì)量得到有效控制。

圖4 試驗樁超聲波檢測波形(2)

圖5 試驗樁實測聲學參數(shù)特征

3 結(jié)語

采用聲波透射法進行灌注樁完整性檢測能夠準確地判斷出樁基是否有斷樁、夾層、空洞、泥團、蜂窩、縮徑等缺陷，是一種非常直觀、可靠的方法，通過本次的工程實際檢測，效果良好。近年來許多橋梁樁基都采用聲波透射法檢測來控制工程質(zhì)量。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測儀器性能的不斷改進以及檢測人員技術(shù)水平的不斷提高，超聲波透射法測樁技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

［1］中華人民共和國行業(yè)標準.JGJ106—2003 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］陳凡，徐天平，陳久照，等.基樁質(zhì)量檢測技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］韓小敏.聲波透射法在基樁質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢理工大學，2007.

［4］胡在良，李晉平，張佰戰(zhàn)，等.基樁聲波透射法檢測技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2008(12):20-22.