聲波透射法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

王　駿，　李　凡，　童　進(jìn)，　趙云龍

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009 )

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聲波透射法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

王駿，李凡，童進(jìn)，趙云龍

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009 )

摘要：在介紹聲波透射法檢測(cè)樁基完整性原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合某工程的鉆孔灌注樁檢測(cè)工作的實(shí)例，來(lái)淺析聲波透射法在基樁完整性檢測(cè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：波速；波幅；聲測(cè)管；波形圖

由于樁基工程屬于地下隱蔽工程,樁周土體以及樁土間的結(jié)合狀態(tài)難以確切控制,導(dǎo)致樁身質(zhì)量問(wèn)題普遍存在,因此,檢測(cè)工作十分必要。

樁基檢測(cè)包括樁基承載力和樁身完整性檢測(cè)。樁基承載力的大小直接決定樁基能否承受并傳遞上部荷載。完整性檢測(cè)是為了發(fā)現(xiàn)某些可能影響樁基承載力的缺陷,確保樁基的耐久性,為減少安全隱患、可靠判定樁基承載力服務(wù)。因此,樁身完整性檢測(cè)十分必要。目前,我國(guó)樁身完整性檢測(cè)以無(wú)損檢測(cè)為主,其中聲波透射法檢測(cè)因具有范圍覆蓋廣,信息量豐富,結(jié)果準(zhǔn)確可靠,以及現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單,不受樁長(zhǎng)和樁身限制等特點(diǎn),而得到廣泛使用。本文以鉆孔灌注樁樁基檢測(cè)為例,來(lái)淺析聲波透射法[1]。

1聲波透射法的原理及其檢測(cè)方法

聲波透射法的原理是由于彈性波在混凝土中的傳播過(guò)程與混凝土的質(zhì)量緊密相關(guān),所以能通過(guò)應(yīng)力波能量的衰減、波速和波形的變化來(lái)判斷應(yīng)力波傳播路徑上的混凝土質(zhì)量;應(yīng)力波在傳播路徑上遇到缺陷時(shí),又會(huì)產(chǎn)生局部范圍內(nèi)的繞射、反射和折射,因而能發(fā)現(xiàn)和評(píng)定各種局部的內(nèi)部缺陷[2]。

如圖1,檢測(cè)方法是樁基成孔后,澆注混凝土之前,在樁身預(yù)埋若干根和樁身長(zhǎng)度一樣的聲測(cè)管作為聲波發(fā)射和接收換能器的升降路徑。在樁身混凝土澆注至少14 d以后開(kāi)始檢測(cè),用聲波檢測(cè)儀沿樁的縱軸方向逐點(diǎn)檢測(cè)聲波穿過(guò)樁身各截面的聲學(xué)參數(shù)[3],繼而對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和判斷,確定樁身混凝土缺陷范圍的位置和范圍,最終推斷出樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性,評(píng)定樁身完整性等級(jí)。

圖1　聲波透射法測(cè)試示意

2測(cè)試前的準(zhǔn)備工作

2.1聲測(cè)管處理

澆注混凝土前,一定要仔細(xì)綁扎聲測(cè)管,保持聲測(cè)不發(fā)生變形和彎曲,澆注后,用橡皮塞堵住管口,以保證沒(méi)有雜物落入管內(nèi),維持管內(nèi)通暢。檢測(cè)前,將聲測(cè)管灌滿水(作為聲波傳播的介質(zhì))[4]。

2.2換能器以及聲波儀

將換能器緩慢平穩(wěn)地放入聲測(cè)管內(nèi),并通過(guò)定滑輪將若干個(gè)換能器控制在同一標(biāo)高,其累計(jì)相對(duì)高差不應(yīng)大于20 mm,并隨時(shí)校正。并通過(guò)數(shù)據(jù)線將聲波檢測(cè)計(jì)數(shù)據(jù)儀、換能器電纜線和聲波儀三者連接在一起。

3現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集注意事項(xiàng)

對(duì)于聲時(shí)值和波幅值出現(xiàn)異常的部位,應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè),結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴(yán)重程度。

4室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理與判定

4.1聲波波速與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

聲波聲速由一個(gè)換能器發(fā)出一個(gè)同步脈沖信號(hào),穿過(guò)混凝土到另一個(gè)接收信號(hào)首波的起跳點(diǎn)的時(shí)間間隔(稱為透射時(shí)間)計(jì)算得到聲速。聲速在混凝土中的傳播波速反映混凝土的彈性性質(zhì),而混凝土的彈性性質(zhì)與混凝土的強(qiáng)度具有相關(guān)性,因此聲波聲速與混凝土強(qiáng)度之間具有相關(guān)性。

當(dāng)兩根聲測(cè)管豎向基本平行時(shí),混凝土內(nèi)部越致密,孔隙率越低,則波速越高,強(qiáng)度也越高。當(dāng)其內(nèi)部出現(xiàn)缺陷(離析、疏松、夾泥等),聲波因穿過(guò)缺陷區(qū),產(chǎn)生各種折射、反射以及繞行,導(dǎo)致聲速下降。因此,聲速是判斷混凝土質(zhì)量的重要因素。

聲速判斷依據(jù):若實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速臨界值,其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[5]。即

(1)

其中,vp為聲速臨界值(km/s)。聲速臨界值采用正常聲速平均值與2倍聲速標(biāo)準(zhǔn)差的差,即

(2)

(3)

(4)

4.2聲波波幅與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

當(dāng)樁的內(nèi)部出現(xiàn)缺陷(離析、疏松、夾泥等),聲波因穿過(guò)缺陷區(qū),產(chǎn)生各種折射、反射以及繞行,不僅會(huì)導(dǎo)致波速下降,也會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的波幅(波能量)下降。因此,聲波波幅也是判斷混凝土質(zhì)量的重要因素。

波幅判斷依據(jù):用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值,若實(shí)測(cè)波幅低于波幅臨界值,其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[6]。即

(5)

(6)

其中,AP是波幅臨界值(dB);Am是波幅平均值(dB);Am是第i個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)波幅值(dB)。

4.3相鄰測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

采用上下相鄰測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)隨深度的變化速率和數(shù)據(jù)差值的乘積作為判據(jù),簡(jiǎn)稱“PSD”判據(jù)。PSD數(shù)值主要取決于相鄰測(cè)點(diǎn)透射時(shí)間之差,因此對(duì)于各種逐漸變化的因素(如測(cè)管間距的緩慢變化,混凝土質(zhì)量的不夠均勻等)并不敏感,而對(duì)于各種引起透射時(shí)間發(fā)生突變的因素(如混凝土內(nèi)部的局部性缺陷)的反應(yīng)卻十分強(qiáng)烈。因此,采用PSD判據(jù),能夠基本消除測(cè)管不平行或混凝土不均勻等因素的影響而突顯混凝土局限性缺陷的存在。

PSD判斷依據(jù):若PSD數(shù)值在某測(cè)點(diǎn)附近變化十分明顯時(shí),其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[7]。

(7)

其中,ti是第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值(μs);ti-1是第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值(μs);zi是第i個(gè)測(cè)點(diǎn)深度(m);zi-1是第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)深度(m)。

4.4各參量組成的綜合判據(jù)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),各種單一的判據(jù)對(duì)不同類型缺陷的反映是各不相同的。例如,對(duì)于離析來(lái)說(shuō),由于密度較大的粗骨料缺失,波速將有所降低,但對(duì)波的能量損失影響不大,因此波幅的反映一般并不明顯;對(duì)于疏松來(lái)說(shuō),則波幅比波速更加敏感。因此,遇到異常情況,一定要結(jié)合多項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合判據(jù)[8]。

4.5工程實(shí)例數(shù)據(jù)分析

某工程樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)43.5 m,直徑1 200 mm,預(yù)埋3根聲測(cè)管,混凝土C25,使用武漢巖海RS-ST06D非金屬超聲檢測(cè)儀檢測(cè),數(shù)據(jù)如圖2,發(fā)現(xiàn)在樁長(zhǎng)41.5～42.75 m處數(shù)據(jù)(聲速、波幅、PSD)異常。

圖2　某樁基聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后,檢測(cè)同一批灌注的樁基,皆發(fā)現(xiàn)同樣的問(wèn)題,后續(xù)按比例選擇5根樁基進(jìn)行鉆芯取芯,如圖3,樁基在41.5～42.75 m皆沒(méi)有缺陷,完整性很好。

圖3　某樁基取芯混凝土樣

后來(lái),通過(guò)檢查樁基澆筑的前后細(xì)節(jié),發(fā)現(xiàn)在綁扎樁基聲測(cè)管時(shí),在樁基底部沒(méi)有將聲測(cè)管和鋼筋牢牢地綁在一起,在澆注混凝土?xí)r產(chǎn)生巨大沖擊力將聲測(cè)管沖離原來(lái)的位置,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常,并非混凝土質(zhì)量的問(wèn)題[9]。找到問(wèn)題后及時(shí)更正,在后續(xù)樁基的檢測(cè)數(shù)據(jù)都沒(méi)有出現(xiàn)樁底數(shù)據(jù)異常問(wèn)題。

5聲波透射法的盲區(qū)

只能檢測(cè)到聲測(cè)管范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量,卻無(wú)法檢測(cè)其范圍外的。目前尚無(wú)法改進(jìn)其檢測(cè)技術(shù)本身來(lái)突破這一瓶頸,而常用的辦法就是借助低應(yīng)變來(lái)彌補(bǔ)[10]。

6結(jié)束語(yǔ)

聲波透射法檢測(cè)樁基完整性,具有較高的可靠性,遇到異常情況需要結(jié)合其他檢測(cè)方法進(jìn)行分析。當(dāng)然對(duì)其可靠性評(píng)價(jià)只有在其適用條件下和限定的定性分析范圍內(nèi)才有意義。

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收稿日期：2015-12-30；修改日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：王駿(1990-)，男，安徽宣城人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

中圖分類號(hào)：TU473.16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0088-03

李凡(1967-)，男，安徽明光人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．