淺析無損檢樁技術在工程中的應用

文 剛

（中鐵十六局集團第一工程有限公司， 北京 順義 101300）

0 引言

本文以濟寧泗河堤頂路項目中沂河大橋樁基為例，分別論述無損檢測中大量使用的超聲波透射法檢樁和較少使用的低應變法檢樁中遇到的問題處理，以及根據檢測結果對樁基混凝土質量的判斷分析。根據檢測出的樁基缺陷，推演可能的形成機制，并以此總結提高樁基施工中的施工工藝。

1 超聲波透射法

樁基工程一般多位于地表或水面以下檢測難度較大，近年來國家對橋梁工程的質量要求達到前所未有的高度，傳統的取芯法抽樣檢測面少，耗時耗力，無法做到全面掌握所有樁基質量性能參數，逐漸被淘汰。超聲波透射法可以全面檢測樁基缺陷，具有方便快捷，相對準確的特點，逐漸成為主流。

1.1 原理概述

超聲波透射法是在樁基灌注前預埋聲測管（視樁徑大小不同預埋2-4 根）如圖1 所示，檢測時換能器沿聲測管上下移動，同時發出的一定波長和頻率的超聲波被其他換能器接收。聲波在穿過物質時會因物質密度，連續性，彈性模量的不同而產生波長，波速，頻率以及能級變化，檢樁中相對應的可能是混凝土離析，夾層，縮頸，塌孔等現象造成的缺陷。換能器將聲波變化轉化為電信號傳輸給檢測儀器記錄分析，得到實時變化的聲速，振幅波形曲線，通過波形的畸變分析是否存在缺陷，以及缺陷存在的位置范圍，由此得出全樁長的混凝土樁基完整性數據。

圖1 聲測管布置示意圖

1.2 聲測管安裝

以沂河大橋為例，樁徑1.4 米，等邊布置聲測管3 根，豎直固定于鋼筋籠骨架內側隨之放入已成孔的樁基內，此過程要確保聲測管固定有效，杜絕彎折和偏移。鋼筋籠位置固定好后，往聲測管內加滿清水以保持管內外壓力平衡，后密封管頭，確保樁孔內泥漿不進入管內。檢樁前聲測管需插管沖洗，并保持水位高于設計樁長。任意兩個換能器可以形成一個檢測聲波剖面，3 個換能器形成3 個剖面閉環。

1.3 主要參量

1.3.1 聲速參量

超聲波在樁基混凝土中的傳播速度可表示為下式：

式中：E 為混凝土彈性模量

ρ為密度

μ為混凝土泊松比

在一般情況下，混凝土（聲速4200m/s 上下）彈性模量E 與混凝土強度等級為相對應的正比關系，在強度一定的均質混凝土中，聲波傳播速度固定。以檢測儀器中的波速臨界值（概念統計理論得到的聲速界值）為標準，如果存在缺陷則波速必然低于臨界值，因此在波速曲線畸變大的位置大概率存在缺陷。

判斷缺陷依據下面公式：

式中：V0為實時顯示聲速曲線值

Vm為聲速臨界值，

σv為聲速的標準差

1.3.2 波幅參量

聲波波幅臨界值為波幅平均值減6dB,當實測值＜臨界值時，表示測試區域可能存在缺陷。

式中：A0為實時顯示波幅曲線值；

Am為波幅平均值

1.3.3 PSD 參量

在檢測過程中檢測儀基于換能器采集數據繪制“聲時-深度”曲線，PSD 判定是根據曲線上相鄰的兩點的聲時差值與兩點間斜率的乘積來判斷是否存在缺陷。

式中：tr，tr-1為第r 個和第r-1 個測點的聲時；

dr，dr-1為第r 個和第r-1 個測點的深度。

1.4 聲速、波幅、PSD 曲線圖

1.4.1 下面以簡化的曲線圖闡述無缺陷樁判定依據

圖2 無缺陷樁基的簡化聲測曲線

如圖2 所示，此樁基有效長度為40m,聲速臨界值4200m/s，從檢測開始后全樁長聲速均大于臨界值沒有問題；波幅和PSD 曲線變化很小沒有超過限值，綜合以上信息可以初步得出此樁基混凝土質量穩定，沒有缺陷完整性好。

1.4.2 簡化的曲線圖闡述有缺陷的樁基判定依據

圖3 有缺陷樁基簡化后的聲測曲線

如圖3 所示，此樁基在15～16 米處，聲速顯著降低，低于臨界值；波幅曲線在此處也低于臨界波幅，綜合考慮PSD 波形畸變以及深度，可以考慮此樁在15 米處縮頸，或者有明顯夾泥。

若對測三剖面有一面有問題，另外兩面一切正常，則應該進行內部斜測，如果斜側也是相對應的一個剖面有畸變，則可以判定為局部缺陷夾泥或局部離析；

如果正常對測三剖面全部在同一高度存在數值異常，那么需進行內部斜側，同高度無斜側異常則可以說明內部完整，外部樁徑減少，可考慮判定為縮頸；

對測聲速顯著低于臨界值50%以上，明顯低于混凝土中聲速范圍，且波幅和PSD 曲線相應大幅畸變，則可以初步判定斷樁。

還有常見的樁底沉渣缺陷，其聲參曲線發生畸變在整樁的最底范圍，可以根據曲線變化起始位置和樁長推算樁底沉渣厚度。

1.5 聲波透射法應注意的事項

① 務必保證聲測管密封性，杜絕施工中泥漿和雜物堵塞聲測管；

② 一般使用的金屬聲測管會在內壁形成氧化物和懸浮物的附著，影響換能器耦合精度，所以在檢測前應通高壓水徹底沖洗聲測管內壁，以保證檢測數據準確性，減少誤判；

③ 混凝土彈性模量E，即強度等級影響聲測曲線臨界值，所以待檢樁基必須達到一定強度才可以進行檢樁，一般至少要有14d 齡期。

1.6 對測和斜測

圖4 對測斜測法示意圖

① 普通對測是在同一剖面上的一對換能器始終保持在相同高程，并以相同的速率上升或者下降，對等高程進行逐點檢測。在正常檢樁過程中，絕大部分情形都適用此檢測方法。

② 斜測法一般用在對測異常區域，以對缺陷進行較具體的定位。

2 低應變檢測法

2.1 原理

低應變檢測法是另一種無損檢測樁基完整性的方法，其原理是把待檢樁基頂部處理出一個平面，對其施加一個瞬時垂直向下的振動，振動波沿樁基縱向向下傳播，在這個過程中，振動波遭遇離析、夾泥分層等缺陷時，由于阻抗變化產生一部分反射和透射，當反射波傳導至樁頂時，被放置的傳感器裝置接收記錄，實時的聲時和波形可以綜合分析樁基缺陷，以對樁基混凝土進行相應的判斷。

2.2 優缺點

此法的優勢很顯著，具有簡便、快捷、覆蓋面廣、費用低的特點，但低應變法用于檢測樁基的缺點也很明顯，由于振動波的衰減效應，對于大于50m 的樁基，準確性下降明顯；而且實際檢測中影響應變曲線的因素眾多，包括但不限于不同地質的地質效應、樁本身長徑比、待檢樁強度等級、溫度變化、樁底是否嵌巖等。因此低應變法適合作為聲波透射法的補充，在缺陷出現時互相印證，達到避免誤判，結論準確的目的。

3 結論

橋梁工程的安全性首當其沖，而作為一切的基礎，樁基的質量安全至關重要。以上介紹的這兩種方法可以完全避免損傷樁基，利用聲電轉換，計算機處理后輸出可以實時觀察的檢測曲線。尤其是聲波透射技術，抗干擾能力強，適用范圍大，應用多種檢測方法互相補充，數據準確性較高，可以判定較小范圍的缺陷位置。但目前聲波透射法還無法精確定位缺陷位置，并且不能判定缺陷種類，相信隨著此項技術的進步，很快可以解決類似問題。