橋梁混凝土超聲波檢測技術在樁基檢測中的應用

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1 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術原理

超聲波檢測技術主要是利用超聲脈沖發射源將調頻彈性脈沖波射入混凝土內部，再借助精準度較高的接收系統來接收并記錄混凝土內部脈沖波傳播過程中的波動特征。超聲波檢測樁基技術主要根據超聲波的傳播特點，將混凝土樁基看作彈性介質，利用超聲波在其內部穿過樁身各橫截面，得到一定的參數，配合檢測儀器產生的脈沖信號，對得到的檢測數據進行處理，判斷混凝土樁基內部的完整性、連續性。

2 樁身混凝土質量與超聲波聲參量的關系

要想驗證樁基超聲波檢測的有效性，就需要進行精確分析，它主要是以超聲波透射法在整個檢測的過程中出現的聲參量與混凝土的物理學特征指標（強度、變形能力）之間的相關性作為理論依據。

超聲波在混凝土中沿縱軸方向貫穿混凝土橫截面，發出信號反饋出聲學參數，反映混凝土內部結構的強度以及完整性。

根據彈性介質中波動理論，縱波波速如下式：

式中：E為傳播介質的動彈模；ρ為傳播介質的密度；μ為傳播介質中的泊松比。當混凝土作為傳播介質，聲波在其中傳播時，根據聲學特點，介質會吸收一定的聲波，讓聲波擴散進而衰減，因此從聲波的發射點開始向外越來越弱。波的吸收計算公式如下：

根據上文可以發現，混凝土樁身的質量與超聲波檢測過程中得到的各項聲參量具有相互作用。由此可見，當混凝土作為介質進行檢測時，超聲波在內部縱向傳播時，聲波發生繞射、反射、衰減這三種現象，說明聲波碰到屏障，混凝土內部有缺陷。根據檢測過程中產生的不同聲參量，判斷混凝土內部的完整性、連貫性，確定樁基是否存在安全隱患。另外，對混凝土樁基的缺陷判斷以波形曲線形態主準，形態圓滑、主頻峰值突出，沒有明顯異常的波現象，可以判斷該樁基性能完好。

3 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術的檢測方法

當對橋梁的混凝土樁基進行完整性以及連貫性檢驗時，最常用到的方法就是超聲波透射法，將其中的雙孔法作為現場檢測的主要方法，需要選擇預埋聲測管的主要位置（見圖1）和數量（見表1），還需要認真觀測，可以采用平測觀測或者斜側觀測。

圖1 聲測管布置

表1 聲測管的埋設要求

聲波儀器主要由計算機、發射轉換器、接收轉換器、聲測管組成，其工作原理見圖2。

圖2 超聲波測樁工作原理示意

4 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術的界定標準及實例

4.1 界定標準

以《公路工程樁基動測技術規程》（JTG/T F81-01—2004）為標準，嚴格按照其中的要求執行，根據混凝土樁身的缺陷程度、超聲波反饋的聲參量以及波形特點，將混凝土基樁的完整性按照標準劃分，具體如下所述。

Ⅰ類樁：觀察混凝土樁基外觀樁身完整，功能性不受影響，正常使用，波形正常，波幅無明顯異動。

Ⅱ類樁：混凝土樁基外觀相對完整，功能性受到輕微影響，仍可以正常使用，波形正常，波幅值在臨界值范圍內。

Ⅲ類樁：混凝土樁基外觀存在明顯缺陷，功能性遭到破壞，承載力下降，波形變形嚴重，波幅值小于臨界值，在PSD方面變化異常。

Ⅳ類樁：混凝土樁基外觀缺損嚴重，功能遭到嚴重破壞，承載力不足，波形變形特別嚴重，波幅值全部超出臨界范圍并且變化異常。

4.2 工程檢測實例

例一：某嵌巖樁樁身長為2100cm，利用超聲波探測后發現，此樁樁身較為完好，自樁頂向下0～2100cm的整個樁身位置的AC、BC以及AB剖面的波幅值與聲速值均在正常范圍，參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅰ類樁。通過對此樁進行取芯檢測發現，此樁自樁底至樁頂的膠結狀況均較完好，故將此樁判定為合格樁。

例二：某嵌巖樁樁身長為1750cm，利用超聲波探測后發現，此樁存在一些缺陷，且非常嚴重，自樁頂向下1600～1750cm位置的BC、AB剖面，以及1575～1750cm位置的AC剖面的波幅值與聲速值均比臨界值小，波形出現異常，PSD值也有所增加。參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅲ類樁。通過對此樁進行取芯檢測發現，此樁自樁頂至1600cm位置樁身的混凝土膠結狀況一般，自1600cm位置至樁底位置樁身的混凝土出現離析情況，故將此樁判定為不合格。

例三：某嵌巖樁樁身長為1900cm，利用超聲波初測、復測后發現，此樁局部存在一些缺陷，自樁頂向下350cm位置的BC剖面、425cm位置的AB剖面以及275～350cm位置的AC剖面的波幅值與聲速值均比臨界值小，但波形未出現明顯異常，參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅱ類樁。此樁雖存在一定的缺陷，但不影響正常使用，通過對此樁進行取芯檢測發現，此樁自樁頂至425cm位置樁身的混凝土膠結狀態較為良好，故仍可將其判斷為合格樁。

5 超聲波檢測技術的應用注意事項

當利用超聲波檢測技術檢測橋梁混凝土樁基時，應注意以下三個方面：

（1）在施工期間應保護好聲測管，如果聲測管受到損壞，則有可能卡住設備探頭，使探頭無法深入樁底，也有可能導致聲測管內滲入混凝土和砂漿，引起堵管問題。在混凝土施工和對混凝土進行養護期間，均必須將蓋子覆蓋于聲測管管口，這樣不僅可以避免聲測管內落入異物堵塞聲測管，還可以避免換能器耦合因滲入雜物而發生故障。

（2）在埋設超聲波聲測管的過程中，應確保各聲測管之間相互對稱平行，且必須確保探頭能夠在聲測管內同步自由伸縮，同時應根據樁基的直徑來確定所需埋設的聲測管數量。如果樁徑＜80cm，應埋設2根聲測管；如果樁徑在80～160cm，應埋設3根聲測管；如果樁徑＞160cm，則至少應埋設4根聲測管，檢測時，應將2根聲測管作為一組進行檢測。

（3）超聲波檢測應在成樁的28d后開展，且檢測之前必須先對樁頭部位進行開挖處理，待磨平表面后方可實施超聲波檢測。

6 超聲波檢測技術的局限性

通常情況下，超聲波檢測技術可以順利地檢測出樁基混凝土的缺陷，然而樁身混凝土檢測僅能檢測出兩根聲測管之間混凝土的完整性，卻無法準確地檢測出樁基擴徑混凝土的缺陷，由此可見，超聲波檢測技術存在一定的局限性，超聲波只能用于樁基部分混凝土質量的檢測，當對支撐樁及嵌巖樁的完整性進行檢測時，應聯合使用低應變反射法檢測技術，再根據所測得的樁端支撐數據來判斷樁基的承載性能能否達到設計及標準要求。

7 結束語

利用超聲波樁基檢測技術對大規模樁基檢測時，該技術具有設備輕便、安裝相對簡單、操作便利、設備靈敏度高、反饋信號好等優點，非常適合應用于大規模、大尺徑混凝土樁基檢測，為現代公路、橋梁的建設提供全新的安全保障。雖然該技術具有較強的穿透能力，可以幫助施工單位較為準確地掌握橋梁樁基的完整狀況，但是其也存在一定的局限性。因此，在未來的工作中，相關人員應加強對超導波檢測技術的探索和改進，以促進超聲波檢測技術的良好發展，從而為我國混凝土工程建設的發展提供可靠的技術支撐。