基于超聲波透射法的大直徑樁基缺陷檢測研究

向子明

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

橋梁樁基礎施工中，受施工現場環境、施工工藝和施工機具等因素影響，樁身易出現各種缺陷，影響結構的安全和使用。樁基完整性檢測方法主要有高應變法、低應變法、鉆芯法和超聲波透射法等。對于樁長較大的樁基，高、低應變法因能量的損耗和擴散等原因，通常無法得到較理想的結果。利用低應變法對大樁徑樁基進行檢測，因檢測所用錘的重量有限，無法滿足樁頂處較長持續時間的荷載作用需求，使聲波無法達到樁底處充分發揮土阻力所需的位移量。鉆芯法是有損檢測，可能會對樁基砼造成局部損傷。超聲波透射法屬于無損檢測，也不會受到樁長、樁徑的影響。該文結合工程實踐，研究基于超聲波透射法的橋梁大直徑樁基礎缺陷檢測技術。

1 超聲波透射法的原理

超聲波透射法通過換能器之間發射并接收超聲波脈沖，由于超聲波在不同介質中傳播時聲速、聲幅等性質會發生變化，據此判斷樁身是否存在缺陷并辨別缺陷類別。實際操作中需在樁基砼澆筑前在樁內部預埋一定數量的聲測管作為檢測通道，并在管內注滿清水作為耦合劑。再將換能器分別置于聲測管底部或頂部，在同一高度同步、勻速移動。根據所得超聲波脈沖的聲幅、聲速、頻率、時程等對樁基進行綜合判定(見圖1)。

圖1 樁基超聲波透射法現場檢測示意圖

2 超聲波透射法確定樁基缺陷的方法

超聲波透射法的基本判斷依據為聲速、聲幅和波形PSD，根據3種判據形成3種判別樁基缺陷形式的方法。

(1) 概率法。該方法主要利用檢測所得聲速、波幅值繪制聲速-深度、波幅-深度曲線，運用數理統計的方法確定聲速的臨界值。計算公式如下：

v0=vm-λ·sx

(1)

(2)

(3)

式中：v0為臨界點聲速值；vm為n-k個數據的平均值；λ見表1；sx為n-k個數據的標準差；n為測點數；k為將全部測點的聲速值由小到大依次排列，去掉明顯不合理的低聲速值后的數據個數。

表1 統計數據個數n-k與對應的λ值

(2) 半波幅法。該方法結合波幅-聲速曲線，利用聲幅值大小判別有無缺陷。林唯正教授經試驗對比，提出聲波下降至一半是確定砼有無缺陷的臨界值。公式如下：

APi

(4)

(5)

式中：APi為聲幅判定異常值；Am為所有測點波幅的平均值。

(3) 斜率法，又稱PSD法。該方法由吳慧敏教授提出，用于針對實際施工中可能存在的聲測管不平行而出現誤判的情況。PSD實際為聲時-深度曲線中異常處曲線的斜率和時間差的乘積，即：

(6)

3 樁基缺陷位置的定性確定

實測數據中出現的異常值是判定樁基缺陷的依據，樁基缺陷位置的確定與聲測管數量及布置有一定關系。

3.1 聲測管埋設數量

樁基所需聲測管數量與樁徑的關系為：

(1) 根據JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測技術規范》，樁徑800 mm以下(含800 mm)埋設2根聲測管，樁徑800～2 000 mm埋設3根聲測管，樁徑2 000 mm以上埋設4根聲測管。

(2) 根據JTG/T F81-01-2004《公路工程樁基動測技術規程》，樁徑1 000 mm以下埋設2根聲測管，樁徑1 000～1 500 mm埋設3根聲測管，樁徑1 500 mm以上埋設4根聲測管(見圖2)。

圖2 聲測管布置示意圖(單位：根)

3.2 波幅參量確定缺陷位置

引入有效接收聲場的概念。對于發射換能器，假設被測介質為均勻體，發射換能器的聲場可視為以換能器為中心的半球面或球面(圖3中以O點為中心)，同理接收換能器的接收靈敏度指向性也能看作是以換能器為中心的同心圓(圖3中以O′為中心)，O、O′點的同心圓相交點的連線便為接收換能器的有效接收聲場。各相交點連線滿足橢圓公式：

圖3 有效接收聲場示意圖

(7)

式中：a、b分別為以O、O′為焦點的橢圓的長半軸及短半軸。

當發射換能器和接收換能器處于某同一高度時，缺陷位置與有效接收聲場可能有3種情況：處于OO’連線上(圖4中C處)時，波幅明顯降低，聲時增長；處于圖4中B處時，聲幅有所降低，聲時不變；處于有效接收聲場之外(圖4中的A點)時，聲幅和聲時均不發生變化。

圖4 缺陷可能存在的不同位置

根據有效接收聲場的原理，可通過聲幅參量判斷樁基缺陷的具體位置。圖5為四川峨漢(峨眉—漢源)高速公路項目某樁基的實測數據，從中可見，1-2、2-3剖面在7.2 m處聲幅明顯下降，判斷該范圍內存在缺陷。

圖5 現場實測數據

3.3 樁基完整性分類

根據各聲學參量判別樁基缺陷，需對樁基的完整性進行評價。JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測技術規范》中樁身完整性分類見表2。

表2 樁身完整性分類

各剖面的聲波分析結果通過聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現場采集波形的畸形程度綜合評定(見表3)。

表3 樁身剖面的聲波分析

超聲波透射法和其他物理檢測方法一樣存在多解性，僅憑聲速、聲幅等參量無法判斷樁基缺陷類型，還應結合工地現場的水文地質情況、施工工藝、樁基澆筑環境及砼灌注記錄等綜合判斷。

4 實例分析

以四川峨漢高速公路上橋梁工程為例，闡述各種樁基缺陷性質的辨別和確定。

4.1 完整工程樁的檢測實例

根據JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測技術規范》，檢測數據中各檢測剖面的聲學參數均無異常，無聲速低于低限值異常或某一檢測剖面個別測點的聲學參數出現異常，無聲速低于低限值異常的情況下，該樁基從整體評價可判定為完整樁。

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設計樁長21.8 m，實測樁長21.8 m，樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為880、920、1 120 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖6。

圖6 21.8 m完整樁實例

由圖6可知：該樁3個聲測剖面的聲速曲線均沒有超過聲速值臨界點。深度8.1 m以下，1-2剖面中聲速逐漸增大，2-3剖面中聲速逐漸降低；到13.2 m左右時，1-2剖面中聲速開始逐漸降低，2-3剖面中聲速開始逐漸增大，該區段內1-3剖面聲速沒有發生明顯變化，說明2號聲測管有朝向1號聲測管與2號聲測管連線的外側傾斜的現象，從8.1 m 處向里漸彎，到13.2 m處向外漸彎。從波幅曲線分析，1-2剖面20.2 m處、2-3剖面13.3 m處波幅存在異常并超出臨界值，判斷該處可能存在砼交接不良或有少量沉渣。從整體上評價，該樁可判定為完整樁。

4.2 樁底存在沉渣的檢測實例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設計樁長35 m，實測樁長35 m，樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為890、1 080、1 050 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖7。

圖7 35 m存在低強度區和沉渣的樁基實例

由圖7可知：在沉渣部位，3個聲測剖面的聲速值和聲幅值均超過臨界點。要求施工方對各聲測管內可能存在的泥漿砂土通水清理后進行復測，結果仍沒有變化。因此，判定該樁樁底存在0.8 m左右沉渣。

4.3 樁頂低強度區的檢測實例

由圖7可知：該樁除存在樁底沉渣外，樁身部分完整。但樁頂部分存在波幅值超過臨界點、聲速值無異常的現象。受長期陰雨的影響，工地現場泥濘，作業環境很差，且調查得知該樁澆筑時并未為之后破除樁頭留下足夠樁長。因此，判斷樁頂砼不完整，存在部分浮漿、沉渣、砼混合物，為樁頂低強度區。

4.4 樁身存在夾泥缺陷樁檢測實例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設計樁長31.9 m，實測樁長31.9 m，樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為1 000、9 600、1 010 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖8。

圖8 31.9 m樁身存在夾泥缺陷的樁基實例

由圖8可知：1-2剖面8.5 m左右聲速、波幅異常。對現場地質狀況、成孔方式、砼澆灌記錄等進行調查，得知在砼澆筑過程中曾出現過泥漿護壁坍塌的情況。因此，判斷該處可能存在夾泥缺陷。

4.5 樁身存在離析缺陷的檢測實例

某鉆孔灌注樁，樁徑2 200 mm，設計樁長40 m，實測樁長40 m，樁身埋設4根聲測管，呈正方形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3、1-4、2-4、3-4距離分別為1 400、1 900、1 400、1 400、2 000、1 300 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖9、圖10。

由圖9、圖10可知：1-3、2-3、2-4、3-4剖面在27.5 m左右的聲參量出現異常，聲速值和聲幅值均超過臨界值。結合施工實際情況及地質情況，得知該樁臨近河流，成孔期間曾遇到汛期，出現過坍塌現象，雖在澆筑前得到及時清理，但該處土質含水量較高。因此，判斷該處可能存在離析缺陷。

圖9 40 m樁身存在離析缺陷的樁基實例(1)

圖10 40 m樁身存在離析缺陷的樁基實例(2)

4.6 斷樁的檢測實例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設計樁長27 m，實測樁長27 m，樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離均為1 000 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖11。由圖11可知：3個聲測剖面在22.3 m左右的聲速、波幅異常，均超過臨界值。經過復測后檢測結果依舊如此。結合地質狀況、成孔方式、砼澆灌記錄及現場情況，判斷該處可能存在斷樁現象。

圖11 27 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設計樁長50 m，實測樁長50 m，樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形分布。每個測面每隔500 mm進行逐點檢測，聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為1 100、1 050、1 020 mm。其超聲波透射法檢測結果見圖12。由圖12可知：在30 m左右位置3個聲測面的聲參數均出現異常。考慮到當時因汛期原因導致檢測環境惡劣，在施工方對現場進行清理并重新在聲測管內注滿清水后再進行復測，結果見圖13。由圖13可知：原缺陷部位聲參數均正常，考慮到復測前現場降水量較大，等汛期過后對該樁進行第三次檢測。第三次檢測結果與第一次的結果一致，推斷該樁在30 m左右位置存在斷樁缺陷。第二次檢測結果時因大量降水使斷樁部位有水充填，導致檢測結果與實際情況大相徑庭。

圖12 50 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實例(1)

圖13 50 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實例(2)

5 結語

引入有效接收聲場的概念，在實際工程中利用超聲波透射法對橋梁樁基進行檢測，結合現場的水文地質情況、施工工藝、樁基澆筑環境及砼灌注記錄等綜合判斷樁身的完整性。工程實例檢測結果表明，針對樁徑大、深度大的橋梁樁基完整性檢測，超聲波透射法相較于其他方法具有一定優越性，對樁基檢測能起到指導作用。