超聲波法在基樁完整性無損檢測中的應用

朱 方 杰， 李 宗 耀

(1.葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌 443002;2.葛洲壩集團四川內遂高速公路有限公司，四川成都 610091)

1 概述

基樁具有沉降量小、單樁承載力高、施工工藝簡單且適應于各種復雜的地質地理條件等優點，廣泛應用于公路橋梁基礎。基樁同時也是重要的隱蔽工程，受地質條件、施工工藝及施工質量的影響，樁身質量也很容易出現各種缺陷。單樁質量直接影響其上部結構物的可靠度，因此，基樁完整性檢測至關重要。傳統的檢測方法有低應變反射波法、高應變動測法、超聲波法及鉆芯法。超聲波法具有測試簡便、確認缺陷位置及范圍準確有效等特點而被廣泛應用于公路橋梁基樁檢測中。

2 超聲波法的測試原理及數據分析判定

2.1 超聲波法的測試原理

超聲波測試的理論基礎建立在固體介質中彈性波的傳播理論上，由人工激振向介質(巖石、巖體、混凝土構筑物)發射超聲波。超聲波在混凝土中傳播(即透射)時會有較強的反射、散射、吸收和波形畸變等一系列聲學現象。對不同的物質性態，其聲學現象具有不同的特點。超聲波法檢測是在成孔之后、灌注樁身混凝土之前，在孔內安裝兩根或兩根以上的、豎直放置且相互平行的聲測管，兩兩聲測管即構成一個檢測剖面，混凝土硬化后，聲測管成為樁體的一部分。檢測時，在聲測管中注滿清水作為耦合劑，將超聲脈沖發射換能器(又稱發射探頭)和超聲脈沖接收換能器(又稱接收探頭)分別置于兩根聲測管中，由超聲檢測儀發出一系列周期性電脈沖加于發射換能器，轉換成超聲脈沖，該脈沖穿過待測的樁體混凝土并為接收換能器所接收，在轉換成電信號后由超聲檢測儀所接收，再由儀器中的測量系統算出超聲脈沖穿過混凝土所用的時間(椐此及聲測管間的距離推算混凝土的聲速)、接收脈沖波幅值(或衰減值)、接收脈沖頻譜、接收脈沖波形態等參數。將反復測量的樁體各測面上不同深度的這些數據傳至計算機，由數據處理系統進行綜合判斷和分析，即可對樁體各部位混凝土缺陷的性質、大小、位置作出判斷，繪制聲速、衰減隨深度變化曲線，給出樁體混凝土完整性的評價。

2.2 數據分析(依據JTG/T F81－01－2004)

(1)聲速判據:實測混凝土聲速值是否低于臨界值并將其作為可疑缺陷區的判定，聲速臨界值按下列公式計算:

式中 υD為聲速臨界值為聲速平均值;συ為聲速標準差。

(2)波幅判據:實測波幅低于波幅臨界值時，作為可疑缺陷區判定，波幅臨界值按下列公式計算:

式中 AD為波幅臨界值(dB);Am為波幅平均值(dB)。

(3)PSD判據:采用斜率法作為輔助異常判據，當PSD值在某測點附近變化明顯時，應將其作為可疑缺陷區，PSD值按下列公式計算:

式中 ti為第i測點聲時值(μs);ti－1為第i－1測點聲時值(μs);zi為第 i個測點深度(m);zi－1為第i－1個測點深度(m)。

2.3 基樁完整性判定

(1)Ⅰ類樁:各聲測剖面每個測點的聲速、波幅均大于臨界值，波形正常。

(2)Ⅱ類樁:某一聲測剖面個別測點的聲速、波幅略小于臨界值，但波形基本正常。

(3)Ⅲ類樁:某一聲測剖面連續多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值，PSD值變大，波形畸變。

(4)Ⅳ類樁:某一聲測剖面連續多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴重畸變。

3 超聲波測試在工程應用中的優點及局限性分析

3.1 超聲波測試的優點

(1)缺陷定位精確。對于多缺陷樁，其他的檢測手段，比如低應變反射波法實測時應力波在樁中產生多次反射和透射，對實測波形的判斷非常復雜且不準確，第二、第三缺陷的判斷會有較大誤差;而超聲波法通過測繩上的刻度，無論樁身存在一處或多處缺陷，超聲波法檢測均能準確的了解缺陷部位;

(2)準確判斷樁身各種缺陷類型和范圍，比如局部夾泥、包管或斷樁等情況。其他的檢測方法很難確定具體的缺陷范圍，超聲波法能通過平測、斜測、扇形掃側等方法對樁身缺陷進行檢測分析，準確識別樁身各處存在缺陷的大小及范圍;

(3)能對大直徑基樁進行詳細且全面地檢測。在大直徑基樁的檢測中，在樁身增設聲測管數量，對基樁進行多剖面詳細測試，檢測剖面幾可覆蓋基樁全截面，準確評判基樁的完整性。

3.2 超聲波測試的局限性

(1)超聲波透射法僅適用于直徑在800 mm以上的基樁。因為當樁徑較小時，聲測管間距也較小，其測試誤差相對較大;同時，預埋聲測管也可能引起附加的灌注樁施工質量問題，因此，測試前測量管間距一定要精確;

(2)超聲波法不能對樁底沉渣的厚度范圍做出定量分析。我們在測試過程中發現，許多施工單位在埋設聲測管時，聲測管并沒有接觸到樁底部，一般距離樁底大約5～10 cm，且測試時無法采用斜測、扇形掃側等檢測方法對缺陷進行詳細的檢測，因此不能準確判斷沉渣范圍。這時，就需要采用低應變反射波法或鉆芯法進行比對驗證，進而確定樁身完整性類別;

(3)不能測試樁身混凝土強度。

4 對實施超聲波法進行現場檢測時的幾點建議

在超聲波法基樁檢測過程中，為準確獲取超聲波在基樁混凝土中傳播的各個聲學參量，并以其判定基樁的樁身質量，除檢測人員必須具備相應的理論和一定的檢測經驗外，筆者提出了以下幾點建議:

(1)檢測宜由檢測管底部開始，發射電壓值應固定并應始終保持不變，放大器增益值也應始終固定不變。調節衰減器的衰減量，使接收信號初至波幅度在屏幕2/3左右為宜;

(2)應勻速提升換能器，在提升過程中要注意監測波形的變化;

(3)由于徑向換能器存在指向性，斜測時以波形能穩定接收為度，其水平測角一般取30°～40°;

(4)要注意分析各聲學參量發生變化的原因，避免誤判。

5 結語

準確定位缺陷并確定缺陷的大小范圍超聲波法具有獨特的優勢，而且操作簡便，試驗周期短，工程應用性價比高，在公路工程基樁檢測中應用的越來越多，測試精度也得到公眾認可。當然，超聲波檢測法也不是萬能的，我們應當抱著科學嚴謹的態度，依據不同的地質和施工條件，對基樁完整性進行正確的判斷，避免錯判、誤判，在遇到可疑缺陷樁超聲波法不能對基樁做出定性分析時，應采用其他檢測手段進行比對驗證，嚴格為工程質量把關。