超聲波在混凝土樁基礎無損檢測中的應用

(四川川交道橋試驗檢測有限責任公司， 四川 廣漢 618300)

混凝土樁基礎是由多根混凝土樁加上承臺形成的整體，其在整個橋梁結構中起著重要的荷載承載作用。通過將橋梁上部結構中的巨大荷載傳遞至下部土層中，以此為混凝土樁基礎提供安全保障[1]。通常情況下，混凝土樁基礎的質量與整個橋梁結構的質量、耐久性密切相關。

1 超聲波無損檢測技術介紹

在路橋工程施工中，經常采用的混凝土樁基施工質量檢測方法有高應變法、鉆芯取樣法、低應變法和靜荷載試驗法等。但以上質量檢測方法檢測成本高、所用時間長，且檢測結果可靠性低，一般只適合于小比例抽檢。在有些工況下，施工質量檢測所用設備龐大，不便于現場開展檢測工作。在此背景下，超聲波無損檢測技術應用而生。其作為一種歷經幾十年發展歷程的質量檢測方法，基于其強大的無損檢測技術優勢，可快速、準確及便捷對橋梁工程樁基礎質量進行檢測。

2 超聲波無損檢測原理

采用超聲波無損檢測技術對橋梁樁基礎進行質量檢測時，主要基于超聲波的介質傳播原理進行檢測。由于聲波在介質中傳播時，其從一種介質傳播到另一種介質，聲波能量與傳播規律均會發生變化。而橋梁水泥混凝土樁基礎作為一種由砂、水和水泥等材料組成的復雜混合物，超聲波在檢測傳播時也具有一定的規律。

對于施工質量較好的橋梁樁基礎而言，其內部結構密實，均勻，無損檢測時，聲波會按一定的規律均勻分布。但在檢測質量較差的橋梁樁基礎時，由于混凝土結構存在“夾泥”、“裂縫”及“蜂窩”等質量缺陷。因此，當聲波遇到以上阻抗時，會沿著不同的方向無規律傳播，由此可以采用超聲換能器通過分析超聲波波形、波幅和聲速，即可對橋梁樁基礎內部質量問題進行識別判斷。正是基于異常與正常的聲波傳播規律特征，使超聲波無損檢測技術在橋梁樁基礎質量檢測中取得了良好的成效[2]。

3 超聲波在混凝土樁基礎無損檢測中的影響因素

3.1 混凝土樁基礎質量缺陷對超聲波波速的影響

在對混凝土樁基礎進行質量檢測時，若遇裂縫、空洞等質量缺陷，由于這些缺陷界面有很大的反射系數。所以，超聲波無法在混凝土缺陷界面進行快速傳播，其只能沿著混凝土缺陷邊緣傳播聲波與能量，由此會增加超聲波傳播路徑。所以，在超聲波無損檢測過程中，所需時間要比正常混凝土樁基礎所用檢測時間長。同時，在對超聲波波速進行計算時，由于聲波接收與發送端的距離不變，所以超聲波的聲速會減小。

3.2 混凝土樁基礎質量缺陷對超聲波波幅的影響

當混凝土樁基中出現蜂窩及夾泥等質量缺陷時，其會散射或吸收聲波能量，由此會減小超聲換能器接收端的聲波波幅。對此情況，要在超聲波無損檢測混凝土樁基礎時，以超聲波儀器的首波為波幅。在此過程中，為了增強混凝土樁基礎超聲無損檢測效果，要在裝滿清水的聲測管中放置超聲檢測換能器，以水為超聲檢測換能器接受聲波的耦合劑。由于聲速和波幅對超聲無損檢測質量缺陷的敏感性不同，據此即可判斷混凝土樁基礎的質量缺陷。

3.3 混凝土樁基礎質量缺陷對超聲波波形的影響

當混凝土樁基礎中產生質量缺陷時，超聲波會在混凝土樁基礎質量缺陷處反射及折射和波形轉換，從而使超聲無損檢測換能器接收端的各種波相疊加，由此會使超聲波波形畸變。

4 混凝土樁基礎無損檢測中采用的超聲波設備

4.1 混凝土樁基礎超聲波檢測儀

超聲波檢測儀是混凝土樁基礎無損檢測中使用的一種重要設備，其不僅能夠接收超聲換能器發送端傳遞的信號，還可將電脈沖信號發送給超聲換能器發射端。在此過程中，換能器發射端發送的信號由超聲波檢測儀進行整理，由此形成可直接觀看的波幅或波形等信息數據。

4.2 超聲檢測換能器

采用超聲波換能器對混凝土樁基礎進行無損檢測時，關鍵問題是如何通過能量轉換發射超聲波。首先，需將超聲波的電能轉換為聲波能量，然后再將超聲波發射至待檢測的混凝土樁中。當混凝土樁基中有超聲波經過時，還需基于超聲換能器將超聲波轉換為電量。在超聲檢測過程中，需在聲測管中放置超聲換能器，使聲波發射端發射的超聲波由待測混凝土樁基到達接收端，以此完成對相關信息資料的采集。因此，基于超聲波對混凝土樁基進行超聲無損檢測時，需確保超聲換能器設備直徑不能超過聲測管；同時，其水密性要好，且連接超聲換能器的電纜要有能夠對下放深度進行計量的標識。

4.3 混凝土樁基礎無損檢測聲測管

超聲換能器在對混凝土樁基進行超聲無損檢測時，需由聲測管為其提供工作環境。一般在平行或豎直方向中布置2根或2根以上的全金屬聲測管。在實際檢測過程中，要根據混凝土樁基的直徑決定全金屬聲測管的布設數量。將清水注入聲測管中，并移動聲測管內的超聲換能器，以此對不同截面的混凝土樁基礎質量進行測量。

5 基于超聲波對混凝土樁基礎無損檢測

某工程在混凝土樁基礎質量檢測時，基于超聲波進行無損檢測，以通過試驗研究方法，驗證該檢測方法的可行性與有效性[3]。試驗檢測過程如下：

(1) 超聲波無損檢測試驗設計

本試驗采用的混凝土等級為C30，粗骨料最大粒徑為35 mm。在檢測試驗過程中，制作了 8塊立方體試件進行超聲無損檢測試驗，試塊尺寸為 15cm×15cm× 15cm，然后在試塊中人為制造了“分層”、“空洞”與“疏松”三種質量缺陷，并將試塊分別標識為“密實型5號(試塊中分布有高3cm、直徑3cm的圓柱形空洞質量缺陷)”、“疏松型3號、4號”和“完全密實型1號、2號”、“疏松型6號(試件中分布有高3cm、直徑3cm的圓柱形空洞質量缺陷)”、“試件7號(試塊中間有分層質量缺陷)”、“試件8號(試塊中間有分層質量缺陷)”。

(2) 超聲波無損檢測

采用超聲波檢測儀進行超聲無損檢測時，其工作電壓、低通頻率、高通頻率、檢測采樣長度、聲時精度、接受靈敏度參數分別設置為800V、500KHz、4500KHz、16K、0.1μs、≤25μs。同時，配備壓電陶瓷式換能器(d=4cm)，當8個混凝土樁基礎試塊制作成型7d、14d、28d后進行超聲波無損檢測。

檢測結果顯示，1號、2號試件在超聲檢測時聲時最小，聲幅最大，聲波傳遞最為集中，由于該試件在檢測時超聲波能量散失少，因此試件最為密實。而 5號試件雖然在超聲無損檢測過程中所用聲時少，聲速大，但由于其內部存在細微空洞質量缺陷。因此，聲波在傳遞過程中會有一定的損失，由此說明 5號試件外表密實，內部存在質量缺陷。

按照超聲傳播原理，疏松型試件在超聲檢測時聲波會在內部散射。故一般情況下，內部存在孔洞質量缺陷的試件，其聲幅較小，3號、4號及6號試件在超聲無損檢測時，聲速小，所用聲時大，聲幅小，且聲波能量散失最為嚴重，由此表明該混凝土樁基試快結構密實性較差。

此外，試件7和8在檢測時，聲波傳遞分散且不連續，聲時最大，聲速和聲幅最小，由此說明試快內部存在夾層或分層等質量缺陷，阻礙了聲波的連續傳遞。

綜上檢測結果表明，混凝土樁基試快齡期不同，其聲幅與聲速在檢測時的變化規律也存在很大差異。但14d和28d的混凝土樁基試快超聲無損檢測結果基本相同。由此說明，14d以后，混凝土樁基礎的結構已趨于穩定，質量基本無缺陷。

6 結語

由于樁基礎施工具有一定的隱蔽性，因此在施工及后期維護過程中難以發現其中的質量病害。在整個施工過程中，對橋梁樁基礎進行質量檢測非常關鍵。應用結果表明，超聲波無損檢測技術在橋梁工程混凝土樁基礎質量檢測中具有重要作用，其可有效對橋梁混凝土樁基礎中尚存的質量問題進行檢測，從而為橋梁混凝土樁基礎施工質量病害處理及預防提供了先進的技術手段。

[1]張苗洲.基樁超聲波檢測法在灌注樁檢測中的運用簡析[J].建筑工程技術與設計,2013,(12):204-204.

[2]王述紅,張鑫,趙振東等.聲波透射法檢測大直徑灌注樁試驗研究[J].東北大學學報（自然科學版）,2011,32(6):868-870.

[3]張繼華,孫華圣,陳家瑞等.聲波透射法檢測樁基完整性原理及工程應用[J].淮陰工學院學報,2017,26(1):47-51.