超聲波透射法在橋梁灌注樁檢測中的應(yīng)用

沈鴻渠

上海建耘建設(shè)工程檢測有限公司 上海 201499

前言

灌注樁因承載力高、施工噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種高層建筑、橋梁等工程。在上海奉賢地區(qū)一般使用的是鉆孔灌注樁，它是利用機(jī)械設(shè)備并采用泥漿護(hù)壁成孔，然后放置鋼筋籠、灌注混凝土而成的樁。但由于鉆孔灌注樁樁基工程屬地下隱蔽工程，施工場地地層和施工人員的素質(zhì)存在差異，在施工過程不可避免地存在著一些質(zhì)量隱患。在實(shí)際檢測中往往發(fā)現(xiàn)在河中墩上的樁比岸邊臺(tái)上的樁質(zhì)量要差很多。為了確保上部結(jié)構(gòu)的安全使用，必須對(duì)灌注樁進(jìn)行質(zhì)量檢測。

鉆孔灌注樁常見的質(zhì)量問題：①樁底沉渣及孔壁泥皮過厚是導(dǎo)致承載力大幅降低的主要原因；②水下澆注混凝土?xí)r，如導(dǎo)管下口離開混凝土面、混凝土澆筑不連續(xù)時(shí)，樁身會(huì)出現(xiàn)斷樁的現(xiàn)象；③當(dāng)泥漿相對(duì)密度配置不當(dāng)，地層巖性松散或呈流塑狀，導(dǎo)致孔壁出現(xiàn)塌孔，樁身不同程度出現(xiàn)縮頸或者斷樁現(xiàn)象。

目前，常用的基樁完整性檢測方法主要有低應(yīng)變法和超聲波透射法。相比于低應(yīng)變法，超聲波透射法可對(duì)樁長范圍內(nèi)的各個(gè)截面的樁身質(zhì)量情況進(jìn)行檢測，且不受長徑比和樁長的限制，比低應(yīng)變法更加直觀、可靠。在實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)中，低應(yīng)變?cè)谏虾５貐^(qū)基本只能發(fā)現(xiàn)上部缺陷，對(duì)中下部缺陷很難發(fā)現(xiàn)，尤其是樁身有多個(gè)缺陷時(shí)，低應(yīng)變動(dòng)測法更加無能為力。尤其是對(duì)于橋梁上的大直徑灌注樁的完整性檢測，設(shè)計(jì)一般都要求100%進(jìn)行超聲波檢測。

1 工程原理

在被測灌注樁內(nèi)預(yù)埋若干根豎向相互平行的聲測管作為檢測通道，將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測管中，管中注滿清水作為耦合劑，由儀器發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖，穿過待測的樁體混凝土，并經(jīng)接收換能器被儀器所接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時(shí)、接收波首波的波幅以及接收波主頻等參數(shù)。超聲脈沖信號(hào)在混凝土的傳播過程中因發(fā)生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使接收信號(hào)在混凝土中傳播的時(shí)間、振動(dòng)幅度、波形及主頻等發(fā)生變化，這樣接收信號(hào)就攜帶了有關(guān)傳播介質(zhì)（即被測樁身混凝土）的密實(shí)缺陷情況、完整程度等信息。先用平測法進(jìn)行普測，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，采用加密間距或斜測方法進(jìn)行細(xì)測。根據(jù)混凝土聲速統(tǒng)計(jì)之中的離散性來確定混凝土均勻性級(jí)別；樁身混凝土的完整性是根據(jù)聲速、波幅是否小于臨界值、PSD～深度是否明顯變化來綜合判斷[1]。

2 現(xiàn)場測試

2.1 聲測管的埋設(shè)及要求

聲測管是徑向換能器的通道，管材一般選用鋼管，安裝和連接方便，受環(huán)境影響小且可代替部分鋼筋。聲測管的埋設(shè)數(shù)量由受檢樁樁徑d大小決定，不同的規(guī)范對(duì)此的規(guī)定一般稍有區(qū)別，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106-2014中規(guī)定：d≤800mm，不少于2根；800mm＜d≤1600mm，不少于3根；d＞1600mm，不少于4根。上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》DGJ08-218-2003中規(guī)定：d≤800mm，宜對(duì)稱埋2根；800mm＜d≤2000mm，宜埋3根，按等邊三角形布置；d＞2000mm，宜埋4根，按正方形布置。聲測管應(yīng)焊接或綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，且檢測管之間應(yīng)相互平行，底部和接頭位置應(yīng)嚴(yán)格密封，保證管外泥漿在1MPa壓力下不會(huì)滲入管內(nèi)[2]。

2.2 現(xiàn)場檢測方式

超聲波透射法檢測混凝土灌注樁可分為三種方式：平測、斜測、扇形掃測。平測是最常用的方式，檢測時(shí)把發(fā)射、接收換能器分別置于聲測管底部，然后按一定的間距（一般為10cm）同步提升換能器，每提升一次進(jìn)行一次測試，根據(jù)測點(diǎn)聲波信號(hào)的時(shí)程曲線，讀取聲時(shí)、首波幅值，根據(jù)接收波形聲時(shí)、波幅和主頻等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化及實(shí)測波形的形態(tài)，就可以對(duì)有效檢測范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判。測量時(shí)，聲波發(fā)射電壓和儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)保持不變。

當(dāng)對(duì)平測發(fā)現(xiàn)的異常點(diǎn)，如需進(jìn)一步細(xì)測，還可以進(jìn)行斜測和扇形掃測，以查明缺陷部位和范圍。

斜測法是讓發(fā)、收換能器保持一定的高差，在聲測管內(nèi)以相同步長同步升降進(jìn)行測試。這種測試有利于發(fā)現(xiàn)樁身的水平狀缺陷，如橫截面斷裂。由于徑向換能器在垂直面上存在指向性，斜測時(shí)，發(fā)、收換能器水平測角不應(yīng)大于30°。

扇形掃測是發(fā)射或接收換能器固定在某高程不動(dòng)，另一只換能器逐點(diǎn)移動(dòng)，測線呈扇形分布，以查明樁身局部缺陷的分布狀況。由于扇形測量時(shí)各測點(diǎn)測距及角度不同，測點(diǎn)間只能采用換算的波速值進(jìn)行比較，而波幅因與測距及方位角有關(guān)且非線性，各測點(diǎn)間沒有相互可比性。采用扇形掃測時(shí)，兩個(gè)換能器中點(diǎn)連線的水平夾角不宜大于40°。

采用超聲波透射法檢測樁身完整性時(shí)，受檢樁混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不小于15MPa，主要是考慮聲波法完整性檢測不涉及強(qiáng)度的問題，也不會(huì)因檢測導(dǎo)致樁身混凝土強(qiáng)度降低或破壞，混凝土內(nèi)部缺陷一般也不會(huì)因時(shí)間的增長而明顯改善，且對(duì)各種聲學(xué)參數(shù)的判別采用的是相對(duì)比較法。

試驗(yàn)前應(yīng)在聲測管內(nèi)灌滿清水，聲測管管頂高度應(yīng)達(dá)到基樁面上。并用探錘進(jìn)行通管，確保聲測管無堵管、卡管現(xiàn)象發(fā)生[3]。

3 工程實(shí)例

3.1 工程實(shí)例1

奉賢某橋梁，基樁采用Φ800mm鉆孔灌注樁，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C30，設(shè)計(jì)樁長：臺(tái)40m，墩43m，持力層為⑦2-1灰黃色粉砂層。設(shè)計(jì)要求聲測管埋置比例為100%，低應(yīng)變和超聲波透射法檢測比例各為50%。圖1為2-3#樁的低應(yīng)變實(shí)測曲線：

圖1 2-3#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

從低應(yīng)變檢測時(shí)域曲線來看，樁身基本看不出有什么缺陷，樁身較長無法檢測到樁底反射波屬正常現(xiàn)象，根據(jù)上海市《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》DGJ08-218-2003可判為Ⅰ類樁。但根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理的反饋，此根樁懷疑施工質(zhì)量有問題，希望我們綜合測試一下。考慮到樁長43m，長徑比為53.75，而上海市《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》DGJ08-218-2003規(guī)定低應(yīng)變動(dòng)測法40m以上的長樁宜按長徑比不大于50控制，從實(shí)際檢測經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)于30m以上的樁，基本上只能檢測出上部缺陷，中下部缺陷因?yàn)榈蛻?yīng)變激振能量有限，往往應(yīng)力波尚未返回樁頂前，其能量已完全衰竭，無法對(duì)整根樁的完整性做出評(píng)價(jià)。考慮到該工程已經(jīng)100%預(yù)埋聲測管，對(duì)該樁進(jìn)行超聲波法檢測，測得曲線如下：

圖2 2-3#樁超聲波實(shí)測曲線

從實(shí)測曲線來看，3個(gè)剖面基本上都在同一深度部位（31.20m～31.80m）出現(xiàn)波幅和聲速明顯異常，PSD值也有突變。其他部位的波幅和聲速都在正常范圍之內(nèi)。根據(jù)上海市《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》DGJ08-218-2003[4]可判為Ⅲ類樁，查閱施工記錄發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)澆注到此部位的時(shí)候，混凝土等待時(shí)間過長，在重新澆注混凝土?xí)r硬拔過導(dǎo)管。3個(gè)剖面的平均波速在3.934～4.042km/s，對(duì)于水下C30混凝土，波速在正常范圍之內(nèi)。

3.2 工程實(shí)例2

奉賢某橋梁，基樁采用Φ1000mm鉆孔灌注樁，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C30，設(shè)計(jì)樁長：臺(tái)30m，墩33m，樁端進(jìn)入⑦2粉砂層，其中1-9#樁低應(yīng)變曲線如下：

圖3 1-9#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

從低應(yīng)變檢測時(shí)域曲線來看，6.5m左右位置有明顯缺陷反射波，從其他樁的低應(yīng)變檢測曲線來看，都為Ⅰ類和Ⅱ類樁。為了進(jìn)一步判明該樁缺陷的嚴(yán)重程度，對(duì)該樁進(jìn)行超聲波透射法檢測，超聲波實(shí)測曲線如下：

圖4 1-9#樁超聲波實(shí)測曲線

從超聲波曲線來看，6.5m左右位置處波速和波幅都在正常范圍之內(nèi)，與低應(yīng)變的結(jié)論差距比較大。經(jīng)過加密檢測、斜測和扇形掃測，都發(fā)現(xiàn)波幅和聲速無異常。經(jīng)過各方會(huì)商，同意進(jìn)行高應(yīng)變檢測，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)樁身在6.5m左右位置處的缺陷程度一般，擬合后的承載力也符合設(shè)計(jì)要求。綜合分析，聲測管3個(gè)剖面之間的混凝土質(zhì)量應(yīng)該沒什么問題，鑒于低應(yīng)變曲線顯示6.5m處缺陷反應(yīng)明顯，估計(jì)可能在6.5m處樁身截面變小或聲測管外周混凝土質(zhì)量較差。

4 結(jié)束語

對(duì)灌注樁的檢測，超聲波透射法可對(duì)樁長范圍內(nèi)的各個(gè)截面的樁身質(zhì)量情況進(jìn)行檢測，且不受長徑比和樁長的限制。缺點(diǎn)是需要預(yù)埋聲測管，且只能對(duì)聲測管剖面之間的混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測，對(duì)聲測管外周的混凝土質(zhì)量檢測有其局限性。對(duì)有疑問的灌注樁，一定要綜合考慮其他檢測方法，或高應(yīng)變，或鉆芯，并查詢地質(zhì)勘查報(bào)告和施工記錄，綜合參考相近地質(zhì)條件下的其他樁的質(zhì)量情況，對(duì)疑問樁要慎之又慎，不僅需要考慮樁身完整性，也需要考慮單樁承載力。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳凡,徐天平,陳久照,等.基樁質(zhì)量檢測技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003:33.

[2] JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] DGJ08-11-2010.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].上海:上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì),2010.

[4] DGJ08-218-2003.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程[S].上海:上海市建設(shè)和管理委員會(huì),2003.

作者簡介

沈鴻渠（1985－），男，浙江上虞人；現(xiàn)就職單位：上海建耘建設(shè)工程檢測有限公司，研究方向：基樁檢測，基坑監(jiān)測，主體結(jié)構(gòu)非破損檢測。