橋梁基樁聲波透射法檢測盲區危害性分析

張平

山西省公路局晉城分局試驗室 山西晉城 048000

聲波無損檢測技術在橋梁混凝土結構病害檢測領域具有廣泛的應用前景。目前，包括聲發射技術、機敏混凝土檢測、電化學測試、振動測試等在內的無損檢測技術已經在國內橋梁結構無損檢測方面有所應用，實踐證明，只有將無損檢測技術與外觀檢測、動靜載試驗等結合應用，才能對橋梁混凝土結構病害狀況進行全面準確評價。

1 聲波透射法

1.1 檢測原理

采用聲波透射法對樁基完整性進行檢測的原理為：采用發射源在樁基中發出彈性脈沖波，同時用接收裝置對這一脈沖波在樁基混凝土中傳播的波動特征進行記錄；如果樁基混凝土不連續或存在破損的界面，則在缺陷面上將產生一個波阻抗界面，在聲波到達這個界面后，將發生反射與透射，導致實際接收到的能量顯著減小；如果樁基混凝土中有嚴重缺陷，如孔洞、松散和蜂窩，則聲波會發生散射與繞射；以聲波在傳播時能量發生的衰減與初至時間為依據，結合頻率產生的變化與波形發生的畸變，確定測區中樁基混凝土密實度等技術參數。對不同檢測面與高度對應的波特征進行測試記錄，通過處理分析可以確定測區中樁基混凝土參考強度與內存缺陷。樁基施工開始前，以樁徑大小為依據埋設聲測管，將其作為換能器主要通道[1]。

1.2 優缺點

聲波透射法的優點包括：具有較高的準確性，可對樁基混凝土是否完整進行整體檢測，同時還能在很大程度上對樁基混凝土的實際強度進行反映。聲波透射法的缺點包括：聲測管容易發生堵塞，難以對樁基底部的沉渣與樁端持力層實際情況進行檢測，而且樁基底部的實際情況較復雜，存在一些可能對檢測結果造成影響的因素，需借助鉆芯法等其他方法來驗證該方法檢測后得出的結果。根據相關檢測經驗，可能對樁底實際檢測結果造成影響的因素包括：聲測管的底部存在積水導致表面產生銹蝕，使聲測管和混凝土的膠結變差；在聲測管的底部，容易被泥漿所覆蓋，也會使聲測管和混凝土之間的膠結變差；對聲測管進行的清洗不到位或不徹底，在聲測管底部存在很多的沉積物。以某橋梁工程的21#樁基為例進行分析，其設計直徑為1800mm，將微風化巖層作為樁端持力層，采用聲波透射法對其進行檢測。從檢測的信號可以看出，該樁基底部幾乎每個剖面都存在明顯的缺陷。但采用鉆芯法進行驗證后發現，樁基底部混凝土芯樣保持連續，整體結構完好，膠結情況良好，側面保持光滑，骨料的實際分布均勻，無明顯缺陷，這在很大程度上說明之前進行的聲波透射法檢測受到了很多其他因素的干擾與影響。

2 橋樁聲波透射法檢測原理及檢測方案

2.1 橋樁聲波透射法檢測原理

聲波透射法檢測混凝土灌注樁樁身結構完整性的基本原理：采用高精度的接收系統，采集記錄由超聲脈沖發射源激發的高頻彈性脈沖波在混凝土內傳播過程中表現的波動響應特征；當混凝土內存在不連續或破損界面時，脈沖波到達缺陷面形成的波阻抗界面時，會產生波的透射和反射現象，使接收到的透射能量明顯降低；當混凝土內存在松散、蜂窩、空洞等嚴重缺陷時，將產生波的散射和繞射現象；根據波的初至到達時間和波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，可以得到混凝土的密實度參數。通過測試記錄不同剖面、不同高度上的超聲波動特征，處理分析后可確定測試范圍內混凝土缺陷的性質、大小及范圍[2]。在施工混凝土灌注樁前，根據樁身直徑的大小，依據規范要求預埋若干縱向平行的聲測管綁扎在鋼筋籠內側，作為聲波換能器的通道。待樁身混凝土達到一定強度后開始測試。測試前，將聲測管內注滿清水作為耦合劑，每兩根聲測管作為一組，將發射換能器與接收換能器分別放入其中，一根聲測管中換能器發射出去的超聲脈沖信號，被另一根聲測管中的接收換能器所接收，儀器采集下該過程中所有的聲時、波幅等聲學參數，據此分析判斷出該位置兩個聲測管間的混凝土質量。收發換能器從樁底沿樁身縱軸方向同步向上移動，并逐點測試采集整個剖面的聲學參數，聲測線間距不應大于100mm。測試完所有剖面便可判知各個剖面及整根樁的完整性情況。

2.2 橋樁檢測方案

對橋樁基礎，全數進行聲波透射法檢測。樁基施工前對樁徑為1.2m的橋樁預埋3根聲測管，對樁徑為2m的橋樁預埋4根聲測管。檢測前應將聲測管清洗干凈并注滿清水，且應確保聲測管全長范圍內暢通無堵管現象[3]。

3 檢測盲區產生原因及對策分析

3.1 產生原因及危害性分析

理論上，聲波透射法是基于發射和接收換能器組合獲取有效聲場的聲學參數，來判定樁身缺陷程度及其位置。有效聲場是指發射和接收換能器之間在超聲波傳播路徑上混凝土的聲擾動，呈橢圓形或橢球體狀空間分布，是一個細長的窄帶區域。實踐中，通過埋設若干根聲測管，為發射和接收換能器深入樁身混凝土內部產生有效聲場創造了條件。

3.2 對策分析

及早修正規范，將每根樁聲測管埋設數量強制性規定為不應少于4根。聲測管數量越多，對減小盲區范圍越有利，但檢測和施工成本將會加大，檢測和施工周期也會延長。這就要求在檢測結果的可靠性與檢測成本、工期等因素之間尋求一個平衡點。建議每根樁布置聲測管數量應不少于4根。這樣，發射和接收換能器組合就會有6個檢測剖面。相比于當前規范規定的3根聲測管3個檢測剖面，有效聲場的覆蓋空間會大幅增加，檢測盲區范圍顯著減小，漏檢缺陷數量也會隨之減少。增加對角線斜測剖面。聲波透射法包含有平測、斜測和扇形掃測等三種測試方式。依據現行規范，一般情況下，常規檢測采用平測方式，即發射換能器T和接收換能器R以相同標高同步移動測量。

針對淺部缺陷危害性，建議采用聲波透射法與低應變法、鉆芯法等相互配合。這樣，利用多種方法檢測，不但可以有效地發現淺部嚴重缺陷，同時也會大大降低檢測盲區存在的危害性。