聲波透射法聲測管管距修正方法研究

摘 要：聲波透射法是混凝土樁完整性檢測的重要方法之一。聲測管安裝質量直接影響到聲波透射法檢測結果的可靠性。由于各種原因造成聲測管彎斜而使檢測結果失真現象時有發生。現場測試結果表明，聲測管彎斜引起管間距變化，導致聲速異常，使聲速標準差增大。當聲速標準差過大時，會造成聲速臨界值偏低而造成完整性判定失誤。因此對于由聲測管彎斜造成的聲速異常進行修正是必要的。針對聲測管彎斜特征，采用不同修正公式進行修正，取得了較好效果，聲速標準差減小，由修正前0.572km/s減小到0.1356km/s。聲速臨界值趨于合理范圍，由修正前3.137km/s增大到3.847km/s。并對聲測管彎斜變形機理進行了分析，指出聲測管與鋼筋籠焊接質量是影響管間距的主要因素。提出了改進聲測管安裝質量的有效措施，其焊接間距不應大于1m，焊縫長度不小于2cm。該方法可供類似工程參考應用。

關鍵詞：混凝土樁；聲波透射法；基樁檢測；管距修正；變形機理；防范措施

聲波透射法是橋梁基樁質量檢測最常用的方法之一[1，11]。聲測管是聲波透射法的測試通道。一般混凝土樁在施工過程中設置2至4根聲測管，每2根管作為一對測試剖面，管間距即為聲波傳播的距離，其間距由樁頂管間距確定。因此要求在聲測管埋設過程中保證聲測管平行而暢通，才能保證所測結果真實反映混凝土質量特性。其管間距平行與否，直接影響到測試結果的可靠性。由于聲測管在混凝土樁澆注過程中受到混凝土自重壓力，安裝固定不牢等因素，造成聲測管彎斜（整體彎曲、傾斜或局部彎曲、傾斜）現象時有發生，導致測距變化而造成聲速異常，誤差可達40%以上。當聲速標準差達到0.2km/s時，將不滿足以概率法為基礎的聲速正態分布要求，而使聲速臨界值判據偏低，導致樁身完整性誤判。為此，部分學者[7-9]對聲測管彎斜造成管距變化引起的聲速異常進行了研究。如金元采用冪級數最小二乘法對聲時——深度曲線進行擬合來消除聲速異常。張維國對聲測管彎斜的原因及類型進行了分析，提出了異常值消除法，對聲速聲幅修正。吳慧敏提出斜率法（PSD）消除聲測管不平行對聲速的影響。文章結合工程實例，結合聲測管類型分別采用線性擬合，二次曲線擬合法修正。對聲測管彎斜變形機理進行了分析，提出了防范措施。

1 管距修正原理

檢測數據包含管距變化及波速變化。波速的大小直接反映混凝土質量的優劣。一般認為樁身混凝土質量是一隨機變量，而管距在樁深度范圍內應是連續變量。聲速擬合法是對聲速——深度曲線進行線性或二次曲線擬合，如不考慮混凝土質量漸變的影響。可認為擬合曲線即為管距變化的趨勢線。若設該曲線中某測點對應的聲速較外露樁口對應值增加量△V，以△V修正原始聲速值后，該值即為該測點處的實際聲速值。在此基礎上采用概率法進行分析判定樁身完整性。

2 工程應用實例

如圖1至圖3為某大橋22-3號樁1-2、1-3、2-3三個測試剖面實測的聲速——深度曲線。表1為實測有關參數。由圖1可看出，1-3測試剖面聲速——深度曲線正常，聲速平均值為4.485km/s。其標準差小于0.2km/s，為0.1908km/s，聲速臨界值在4.0km/s以上，為4.103km/s。而1-2和2-3兩個測試剖面聲速——深度曲線出現異常，說明2號管出現彎曲與彎折現象。導致管距變化，使1-2剖面聲速明顯降低，2-3剖面聲速明顯增大。其標準差偏大，分別達到0.38km/s和0.57km/s，臨界聲速值明顯偏低，分別為3.137km/s和3.695km/s，據此判定樁身完整性將導致誤判。由該樁斜率法和聲幅——深度曲線表明樁身混凝土質量無明顯缺陷，聲速異常完全是管距變化所致，故需對聲速進行修正。根據2-3剖面聲速——深度曲線特征，采用分段線性擬合法修正，擬和曲線方程分別為

Y=0.05736x+0.14406（0.25m？燮x？燮39.0m）

相關系數R=0.98275

Y=-0.18536x+9.53794 （39.25m？燮x？燮51.25m）

相關系數R=0.98094

根據1-2剖面聲速——深度曲線特征，也采用分段線性擬合法修正，擬和曲線方程分別為

Y=-0.0135621x+0.23245454 （0.25m？燮x？燮37.0m）

相關系數R=0.7981801

Y=-0.07114642x-2.7695627 （37.25m？燮x？燮51.25m）

相關系數R=0.93495593

比較表1、表2和圖1、圖2數據和曲線，采用擬合曲線法修正后的曲線消除了管距變化的影響，其聲速臨界值達到合理值范圍。

3 彎管形成機理分析及應對措施[12]

聲測管一般通過焊接方式與鋼筋籠固定，當焊接不牢或出現虛焊時，遇到混凝土自重壓力時，將受到混凝土橫向膨脹力作用而將焊接點拉開。其受力狀態如受均布力作用的簡支梁。

假定聲測管為外徑Ф50mm、內徑Ф46mm的鋼管，其彈性模量E=210Gpa，截面抗彎系數Ix=，式中D為鋼管外徑，d為鋼管內徑，單位：mm。當某一焊點開裂，焊點間距（跨度）由1m變為2m。若連續2個焊接點開裂，間距將增大到3m。假定聲測管受混凝土壓力為均勻分布，線荷載為12.5KN/m。當無焊點開裂時，聲測管最大變形為0.89cm，當出現1點開裂時，跨度增大到2m，最大變形為14cm，出現連續2點開裂時，最大變形為72cm。也就意味聲測管間距分別增大14cm和72cm。若選用Ф60mm，內徑Ф54mm鋼管。焊點間距1m時，最大變形為0.35cm，焊點間距2m時，最大變形為5.67cm，焊點間距3m時，最大變形為28.7cm。由此可看出聲測管的選材和焊接質量特別重要。對于長大樁，聲測管宜選用Ф60mm鋼管，焊接點間距不大于1m，焊縫長度宜大于2cm，防止出現虛焊。

4 結束語

通過對聲測管管距修正方法及聲測管變形機理分析，得出如下結論：

（1）當聲速——深度曲線異常，聲速標準差小于等于0.2km/s，臨界聲速值明顯偏低，且PSD曲線和聲幅——深度曲線正常時，表明聲測管間距異常，需進行管距修正。對聲測管管距修正應根據曲線特征分別采用分段線性修正或二次曲線修正。

（2）經修正后的聲速——深度曲線變為正常，聲速標準差≤0.2km/s，臨界聲速值趨于正常，為正確判定樁身完整性提供了可靠依據。

（3）聲測管彎曲變形是導致聲測管間距變化的主要原因。當采用Ф50mm鋼管時，若焊接點開裂1點，會使管間距增大14cm，若焊接點開裂2點，會使管間距增大72cm。若改用Ф60mm管，焊點開裂導致的管距變化會明顯減小。

（4）為提高聲測管埋設質量，保障管距正常。建議對于40m以上長大樁，采用Ф60mm管，壁厚不小于3mm。與鋼筋籠焊接間距不大于1m，焊縫長度不小于2cm。

參考文獻

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作者簡介：董承全（1951-），男，高級工程師，從事鐵道工程試驗與檢測工作。