樁基缺陷的聲波透射法及結果數據分析和判斷問題研究

連云飛

（寧夏建筑科學研究院有限公司，寧夏 銀川750021）

0 引言

樁基礎是現代建筑的重要基礎形式， 在高層建筑、 重型廠房、橋梁、港口碼頭、海上采油平臺以至核電站等各種類型的深基礎工程中，樁基礎用量巨大；而且在某些特殊地質條件施工的工程，樁基礎可能成為唯一的選擇，工程實踐證明了樁基礎是一種經濟有效、安全可靠的基礎形式。

1 樁基工程常見的缺陷及對聲波傳播的影響

1.1 斷樁（全面斷樁或夾砂）

產生原因：斷樁產生的原因有很多，由于導管提升不當或者不慎將導管拔出混凝土面， 使得新注入的混凝土壓在封口砂漿和泥漿上，或是因人工因素、 機械故障或混凝土供應中斷等導致混凝土停灌，停灌時間超過30min，如未對施工表面進行處理，提升導管時極易把初凝的混凝土拉松導而導致斷樁發生。 斷樁部位檢測時容易發現，此處往往會存在較長的一段缺陷，波形反應較明顯。 不同的缺陷程度與位置對基樁的受力狀態影響不同，所以，應按樁的受力狀態分析及缺損程度進行定性分析，對斷樁應該采取修理或加固措施。

聲學參數特征：嚴重斷樁接收不到信號，較容易識別。

1.2 樁身局部局部夾泥或離析

產生原因：夾泥、離析是樁身局部出現低波速區，一般是由于混凝土導管插入深度不當或泥漿的循環方式不當，當混凝土從導管流出向上頂托的過程中，形成遄流或混凝土翻騰，使泥漿護壁力減弱，從而使孔壁剝落或者坍塌，導致樁身局部斷面夾泥；當混凝土的和易性不好、澆筑導管進入或者首灌混凝土方量不足等，易產生離析現象。

聲學參數特征：接收的波形復雜，波速降低，首波波幅降低，頻率也會降低。

1.3 分散性泥團

產生原因：這類缺陷主要是因混凝土騷動造成孔壁剝落，混凝土離析以及導管中被壓入的氣體完全排出引起的。對混凝土的強度會產生一定的影響，定量的分析分散性泥團或氣孔的數量，若是數量較少，則對混凝土強度的影響有限，可不予處理。

聲學參數特征：混凝土在穿越泥團時，波速與波幅均下降，如果是局部尚未包裹聲測管的泥團，則下降程度并不大；如果泥團包裹聲測管，則下降程度較大。

1.4 集中性氣孔和蜂窩狀缺陷

產生原因：當導管埋入厚度較深時，混凝土在灌注過程中流動性不足，管中的氣體被間息倒入導管的混凝土導壓入混凝土中，因無法排出而形成較大的集中性氣孔，這類缺陷對樁身斷面的受力面積會產生一定的影響。

聲學參數特征：聲時加大，波速降低到，超聲波波幅下降，主頻降低。

1.5 樁底沉渣

產生原因：鉆孔結束后，由于清孔不規范、清孔后沒能及時灌注混凝土或者是下放鋼筋籠時碰撞了孔壁，造成混凝土灌注后使樁底出現沉渣，沉渣屬于巖屑和泥漿的混合物，可視為較均勻的低波速介質。對于端承樁，規范不允許樁底沉渣的存在，樁底沉渣過厚會影響樁基受力，導致樁基發生沉降。 因此應進行樁底壓漿處理。

聲學參數特征：波速從下往上波速呈現逐漸變大的趨勢。

1.6 樁頂低強區

產生原因：澆筑混凝土過程中由于計算混凝土方量錯誤或者是施工過程中砂層塌落造成擴徑現象，導致混凝土充盈系數不滿足，導致封口混凝土或砂漿與水接觸，頂托過程中會混入泥水，形成樁頂混凝土強度低，樁頂低強一般是泥漿、浮漿、混凝土的混合狀介質。

聲學參數特征：低波速介質，它的波速也成層狀分布，層間的波速是從下往上逐漸減小的，與樁底沉渣的波速分布相反。

2 樁身缺陷的聲波透射法結果數據分析和判斷

由于混凝土是非均勻介質，因此其強度，密實度的分布也是非均勻性，而且是隨機分布的。 灌注樁樁身各點的波速統計值符合正態分布，而混凝土中的缺陷是過失誤差造成的，它不符合正態分布。這樣我們就可以用數理統計的方法找到缺陷與正常混凝土的分界線，即臨界點。 稱為概率法。

概率法的基本出發點是概率論，即采用數理統計學判斷異常值的方法。 樁基混凝土在施工過程中，可能因外界惡劣環境或人為過失誤差導致產生缺陷，這種由于誤差產生的缺陷處的混凝土質量將偏離正態分布，缺陷的聲學參數也同樣會偏離正態分布。 所以，只要檢測出聲學參數的異常值，其對應的位置即為缺陷區。將測位各測點的實測波速、波幅或主頻值由小到大按順序分別排列，即X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1……，然后逐次進行計算， 通過試算舍棄可疑值， 計算出其平均值m0及標準差s0值，然后計算出單個測點的臨界值X0：

X0＝mx－λ1·Sx

式中：mx為舍棄可疑值后剩下數據個數的平均值；Sx為舍棄可疑值后剩下數據個數的標準差。

理論上講，這個判別方法是比較科學的，其缺點則是分析過程想當復雜，工作量大。概率法屬于相對比較法，在進行評定異常點和缺陷時， 還應結合測點的實測波速與正常值的偏離程度以及其它地質條件、聲學參數等指標據進行綜合判定。

（1）斜率法

斜率法是跨孔超聲波水平同步測試法的一個輔助判據，它是針對在實際施工過程因人為誤差造成聲測管不平行這一現象而制定的用以輔助數據判定的方法。 由湖南大學吳慧敏教授提出的， 又稱PSD法。 改判基本出發點為，樁身缺陷處聲時變大，波速變小，與相鄰正常測點相比，會形成一突變。 將相鄰測點聲時之差Δt（Δt＝ti－ti－1），除以相鄰測點深度之差Δh（Δh＝hi－hi－1），即：

式中：S 為聲時變化的斜率， 若再乘上相鄰測點的聲時之差Δt（Δt＝ti－ti－1），即可或得一個判斷缺陷的判據KPSD，即：

由上式可知， 當相鄰測點的聲時之差不大時，KPSD很小甚至接近零。 KPSD值主要由相鄰測點的聲時之差決定，因此對于各種逐漸變化的因素（如聲測管不平行導致的測距緩慢變化或者混凝土質量的不均勻性等）并不敏感，而對各種由于混凝土內部缺陷引發的透射時間突變的因素反應敏感。 因此，PSD 判據對于聲測管不平行等誤差因素造成的測試誤差對判斷的干擾有削弱作用。 至此，我們可以由波速與深度曲線、PSD 與深度曲線對樁身混凝土是否存在缺陷進行判斷。

（2）多參量組合的綜合判據

根據經驗， 各種單一的判據對不同類型缺陷的反映是各不相同的，鑒于此鐵道部大橋局科學研究所提出了多因素概率法，該法運用波速V、波幅A、頻率F 三個聲學參數，通過對你總體的概率分析，獲得一個綜合判據臨界值NFP 作為缺限判據：

式中：KNFD（i）第i 點的判據值；Vi、Fi、Ai分別為第i 個測點波速、波幅、主頻與全部測點中的最大波速、波幅、主頻的相對值，即聲參數分別處以該樁各測點所對應聲參數中最大值所得商值；σ 為以上述3 個聲參量相對值之積為樣本的標準差；m 為概率保證系數， 根據與數據樣本相擬合的夏里埃Charliar 概率密度函數及樣本的偏相關系數、峰凸系數及保證概率（可取＜0.01）所決定。KNFD（i）數值越大，混凝土質量越好；當KNFD（i）＜1 時，即可判斷該測點處有缺陷，其值越小，混凝土質量越差。

3 結束語

總之，樁身的不完整必然會影響到樁基的承載能力，嚴重者甚至使其失去承載能力。所以對成型后的基樁進行質量檢測是建設工程是否安全的一項重要檢測內容，對于檢測出有缺陷的樁，針對樁的缺陷程度應采取經濟合理、易于操作的補救措施，防止工程事故的發生。

［1］羅騏先.樁基工程檢測手冊.第2 版[M].北京:人民交通出版社,2004.

［2］吳慶曾.基樁聲測與動測技術[M].北京:中國電力出版社,2009.