混凝土灌注樁樁身質量缺陷聲波透射法檢測分析

孟軍濤，顏勝才，陳 輝，董承全，胡在良

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

20世紀50年代，隨著大型鉆孔機械的發展出現了鉆孔灌注樁或鋼筋混凝土灌注樁[1]。在我國鐵路的建設中，灌注樁被運用得越來越廣泛，在施工過程中樁身質量缺陷時有出現。為了保證工程質量，越來越多的檢測方法被引入，聲波透射法作為一種準確、有效且經驗性較小的檢測方法，于1984年在鄭州黃河大橋成功應用，其后在全國迅速推廣[2]。《鐵路工程基樁檢測技術規程》[3]規定:樁徑≥2 m或樁長＞40 m或復雜地質條件下的基樁采用聲波透射法。聲波透射法適用于檢測混凝土灌注樁樁身缺陷位置、范圍、程度和判定樁身完整性類別。

本文從不同地質條件下采用不同儀器應用聲波透射法檢測的實例中選取幾種較為典型的缺陷工況(如斷樁、夾泥和露筋)予以分析，為工程基樁檢測工作提供參考。

1 聲波透射法原理

在混凝土中進行聲波探測時，把混凝土視為彈性體，承載信息的是彈性聲波。由超聲脈沖發射源在混凝土內激發高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統記錄該脈沖波在混凝土內傳播一段路程后的透射波信號，根據波動理論分析判定樁身完整性。當混凝土內存在不連續或破損界面時，界面阻抗發生變化。波到達該界面時，產生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明顯降低;當混凝土內存在松散、蜂窩、孔洞等缺陷時，將產生波的散射和繞射。根據首波的到達時間、波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，可以獲得測區范圍內混凝土的聲學參數。測試記錄不同測試剖面聲波波動特征，經過處理分析判別測區內混凝土存在缺陷的性質、大小及空間位置。

目前，聲波儀均采用了閾值法判斷首波。圖1為聲波測試波形圖，聲學參數t為聲時，A為聲幅，T為周期。當傳播路徑遇到混凝土有缺陷時，如斷裂、裂縫、夾泥和密實度差等，聲波要繞過缺陷或在傳播速度較慢的介質中通過，聲波將發生衰減，造成傳播時間延長，即聲時變大(相應的聲速降低)，波幅減小，波形畸變。通過分析聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現場采集波形的畸變程度，綜合判定樁身缺陷的程度、位置，從而評定成樁質量。

圖1 聲波測試波形

2 混凝土灌注樁常見質量缺陷

1)泥漿護壁灌注樁常見質量缺陷

①澆灌過程出現停頓，隔水層混凝土凝固形成斷樁，或采用加大管內混凝土壓力等方法沖破隔水層，因部分低質混凝土殘留下來而形成局部缺陷。②導管和鋼筋占據一定空間，加上孔壁和鋼筋的摩擦力作用，容易造成縮徑、局部夾泥甚至斷樁。③護壁泥漿配制不合理，容易塌孔。④混凝土灌注過程中埋管深度不夠，易使樁身中夾渣或斷樁;埋管深度過深，則易堵管或導管不易拔出造成斷樁。⑤混凝土灌注接近樁頂時，灌注壓力不夠，抖動導管或拔管過快，易使混凝土局部不密實和夾渣。⑥清孔時間太短導致孔底沉渣太厚。⑦混凝土和易性不好易產生離析現象。

2)人工挖孔灌注樁常見質量缺陷

①地下水滲流嚴重，易使護壁崩塌和土體失穩塌方，影響成樁質量;②有流沙層或水壓力大的孔底出現井涌現象，使護壁與土體脫空或造成孔形不規則;③孔底水未抽干或不易抽干易造成混凝土離析[4]。

3 工程實例

1)某特大橋位于山區，采用3×32 m簡支梁+(72+128+72)m連續剛構+7×32 m簡支梁+1×24 m簡支梁。由于下伏基巖為泥質石英粉砂巖且埋深較淺，再加上機械設備運輸不便，基礎采用挖孔灌注樁。其中4-4#樁設計樁長28 m，樁徑2.5 m，強度C25，應用聲波透射法檢測發現在距樁頂約23 m處6個檢測剖面均存在異常，檢測波形見圖2(a)。聲波波速、波幅明顯偏小，波形嚴重畸變、扭曲，甚至很微弱。整個包絡線呈喇叭形。由于波形為典型的層狀缺陷，判定該樁在22.9～23.5 m處斷樁。由鋼筋籠中間鑿孔進行驗證，在約23 m處存在嚴重缺陷，與判定吻合，見圖2(b)。該樁位于山邊，由于灌注過程中遭遇暴雨，沒有及時做好防護措施，大量雨水流入樁孔導致出現缺陷。

圖2 某特大橋4-4#樁檢測波形及缺陷驗證

2)某特大橋284-5#樁為鉆孔灌注樁，設計樁長45 m，樁徑 1.0 m，強度 C40。檢測發現在距樁頂2.2～2.8 m處2個檢測剖面波形異常，有明顯缺陷。其中2.6 m處檢測波形畸變，近乎直線，幾乎無法檢測到首波，波幅很小，波速約為2 000 m/s，見圖3(a)。由于與1根聲測管有關的2個檢測剖面波形嚴重衰減，且波速與在黃土中傳播的聲波波速相似，故判斷該聲測管周圍夾泥，在樁橫截面上的缺陷范圍較大。該樁異常處距樁頂不深，且樁周為粉質黏土，因此沿樁周開挖驗證，發現在約1.5 m處開始有擴徑現象，樁身擴徑部位之下混凝土夾泥，約占樁橫截面的70%，見圖3(b)。該缺陷是由于擴徑處塌孔造成下部嚴重夾泥。

圖3 某特大橋284-5#樁檢測波形及缺陷驗證

3)某特大橋293-3#樁為鉆孔灌注樁，設計樁長47.5 m，樁徑1.0 m，強度 C40。檢測發現在距樁頂4.3～4.8 m處存在明顯缺陷，呈現不同程度的波形異常，首波聲時偏大，波幅減小，檢測波形如圖4(a)所示。對檢測波形進行分析，不能確定是橫截面上混凝土離析還是樁周鋼筋籠附近存在缺陷。沿衰減最為嚴重的檢測剖面方向開挖驗證，發現該樁在此方向波形異常處存在樁身露筋，見圖4(b)。經分析，由于成孔后沒有及時灌注混凝土，出現縮孔現象，導致鋼筋保護層厚度不夠，甚至局部鋼筋暴露出來。

圖4 某特大橋293-3#樁檢測波形及缺陷驗證

4 樁身缺陷分析要點

1)對缺陷的準確判斷

混凝土樁身缺陷會導致檢測波形發生異常，根據異常波形能判斷是否為全斷面缺陷例如斷樁，或為局部缺陷。但是局部露筋、小范圍夾泥或者混凝土質量差等缺陷有相似的檢測波形，要準確判斷缺陷的類型，則需要仔細分析各聲學參數的變化情況，還應結合實際情況綜合考慮，并與已驗證過的缺陷檢測波形進行比對。

2)混凝土缺陷范圍

對于混凝土缺陷沿樁身的縱向位置，可由儀器記錄的檢測深度直接讀取;但對于缺陷的橫向范圍，現階段只能做簡單的估算。如缺陷將聲測管包圍，聲波先透射過缺陷后繼續傳播。在不同介質中聲波的傳播速度不同，例如在離析混凝土中比在泥中要高。結合在缺陷中傳播速度、正常聲速、管間距以及儀器采集到的首波聲時估算出缺陷大小。如缺陷出現在傳播路徑中時，則聲波繞射過此缺陷，根據與無缺陷相比首波的聲時差、管間距和正常波速，利用幾何關系對缺陷范圍進行估算。

3)管間距測量

在檢測過程中需要測量聲測管間距，用來計算聲波波速。由于在施工安裝、灌注過程中聲測管可能會有所變形，導致管間距發生變化。管間距變小，聲時減小，波速變大，反之波速變小。雖然對缺陷的判定影響不會太大，但是導致聲速平均值和臨界值不準確。

4)非混凝土缺陷造成的異常

聲波在異質界面會因為吸收和散射發生能量的衰減[1]。檢測時常用水作為耦合劑，但是在給聲測管注水時上部產生的大量氣泡未能釋放出來即開始檢測，樁頂處由于灌注壓力過小，可能會導致混凝土與聲測管不能緊密貼在一起，長時間暴露在空氣中，水分散失后存在縫隙，這樣都會導致檢測波形異常，造成誤判。扇形掃測方式在檢測過程中特別是確定缺陷位置時會被用到，在向同一水平面位置提升或者降低時，聲學參數會發生變化，首波聲時會逐漸變小，聲幅會逐漸變大。這個漸變過程容易和樁身局部缺陷或者混凝土質量缺陷混淆。

5)容易忽視的檢測波形

在開挖基坑截除樁頂多余部分時，因預留長度不夠，會出現樁頭混凝土強度達不到設計要求。由于在橫截面上混凝土可能仍然均質，檢測波幅不會降低，并且到一定齡期后強度相差10 MPa時，聲波波速的變化僅為200 ～300 m/s[5]，兩相鄰聲時的變化(PSD)不大，而且波形也不會發生畸變，如不仔細觀察樁頭混凝土，僅對檢測波形進行分析則容易漏判。

5 結語

利用聲波透射法進行灌注樁樁身質量檢測，灌注樁樁身混凝土的質量情況能在聲波透射法波形圖上準確地反映出來。進一步區分缺陷類型如夾泥、露筋及混凝土自身質量問題，則需綜合分析判斷。

對檢測波形進行分析，可估算缺陷大致范圍。但在不同介質中聲波傳播路徑以及聲速的不確定性給估算帶來一定難度。

為了合理判定缺陷，保證工程質量，需要檢測人員以更細致、耐心的態度來對待聲波透射法檢測波形圖，并結合施工、地質等因素，辨偽存真，防止漏判和錯判。

[1]陳凡，徐天平，陳久照，等.基樁質量檢測技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2003.

[2]吳慧敏.結構混凝土現場檢測新技術——混凝土非破損檢測[M].湖南:湖南大學出版社，1998.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術規程[S].北京:中國鐵道出版社，2008.

[4]劉興錄.樁基工程與動測技術200問[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

[5]胡在良，張佰戰，董承全.鐵路高性能混凝土基樁檢測波速與強度關系的研究[J].鐵道建筑，2011(7):94-98.