聲波透射法檢測灌注樁常見缺陷類型的分析探討

張紅亮

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

隨著工程建設規模的不斷擴大，大直徑超長灌注樁基礎應用越來越廣泛。樁基礎屬于隱蔽工程，對基樁施工質量的檢測越來越受到重視，其中樁身完整性檢測是其中至關重要的一個方面。樁身完整性檢測采用的方法主要有低應變法、鉆芯法、聲波透射法等。其中聲波透射法具有諸多優點：檢測全面，檢測范圍涵蓋整個樁身；檢測結果直觀、可靠；不受樁長、樁徑的限制，檢測快捷方便等。基于上述優點，聲波透射法的應用非常普遍，尤其是對于大直徑或長度較長的混凝土灌注樁，只能通過樁身預埋聲測管采用聲波透射法進行樁身完整性檢測，判定樁身缺陷位置、范圍和程度。

樁身混凝土缺陷類型主要包括混凝離析、夾泥、空洞等。根據現行規范標準，聲波透射法僅能根據聲學參數異常，判斷樁身存在缺陷，但無法確定缺陷類型，這給缺陷的評估及修復帶來不便，本文通過以往的工程案例，將聲學參數異常與通過取芯驗證后的混凝土缺陷類型進行對比，總結出常見缺陷類型相應的聲學參數異常規律。為類似檢測項目提供參考建議。

1 聲波透射法原理

灌注樁澆筑前，根據樁徑在鋼筋籠上提前布設符合規范要求數量的聲測管，聲測管沿鋼筋籠內側以對稱形狀分布（圖1）。檢測前，選擇合適的換能器，換能器的諧振頻率越高，對缺陷的分辨率越高，但高頻波在混凝土中衰減的越快，有效測距越小。檢測時在聲測管內注滿清水，并將聲波發射和接收換能器分別放到聲測管中，由發射換能器發射聲波，聲波穿過檢測斷面內的樁身混凝土，通過接收到的聲波信號判讀出超聲波穿過待測混凝土的聲時，根據聲測管的間距，計算出聲速；根據接收到的聲波波幅以及頻率等聲學參數，計算出接收波的能量參數。

當樁身混凝土存在缺陷時，超聲脈沖信號在傳播過程中會發生繞射、折射、多次反射等，導致不同的吸收衰減，使接收到的聲波信號在樁身混凝土中傳播的時間、振動幅度、波形及主頻等聲學參數發生畸變。通過分析接收到信號就可以判斷出樁身混凝土的完整性及缺陷信息。

圖1 中：H0為測點的位置深度（m）；Lp為聲測管外壁間的距離即測距(mm）；Ln為測點間距（mm）。

聲波透射法檢測的依據有《建筑基樁檢測技術規范》、《水運工程地基基礎檢測技術規程》、《水運工程基樁試驗檢測技術規范》《公路工程基樁檢測技術規程》等行業規范，缺陷判定依據主要有“概率法”和“PSD 判據法”。

2 常規缺陷與聲學參數異常對比分析

聲波在兩個聲測管之間的樁身混凝土中傳播時，遇到樁身混凝土缺陷，例如蜂窩、空洞、混凝土離析、夾泥等，聲波將發生衰減，部分聲波需要繞過缺陷傳播產生漫射現象，這樣聲波傳播時間增長，波速降低，波幅減小，接收波形產生畸變。由于不同缺陷引起的波形變化不同，根據聲學參數可以初步判定缺陷類型。

2.1 蜂窩、空洞

混凝土澆筑后產生蜂窩、空洞的主要因為包括：混凝土和易性差，混凝土澆筑后局部水泥砂漿少，粗骨料密集形成蜂窩；在灌注樁上部樁身有時因為混凝土澆筑導管提升嚴重滯后或提升過程中速度過快，在澆筑導管位置形成空洞或蜂窩；氣泡密集的樁身混凝土，即便沒有形成空洞，但氣泡分布較集中，造成混凝土不密實，強度降低。

在聲波透射法檢測時，混凝土內的蜂窩、空洞對聲波傳播速度的影響并不明顯。但可以使聲波能量明顯削弱，接收波振幅明顯降低。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應的聲學參數見圖2 所示。

圖2 鉆芯取樣照片及波列

2.2 混凝土離析

灌注樁容易發生混凝土離析，離析是指粗骨料與水泥漿分離，形成粗骨料和水泥漿分別相對集中的區域，直接導致混凝土強度下降。產生離析的原因主要包括：一種是樁身混凝土本身質量問題，由于混凝土配合比不合理或者混凝土生產運輸過程中出現問題，都會使得澆筑前混凝土本身產生離析；二是灌注混凝土過程中，導管埋深不夠，導致上覆水與混凝土不斷攪動混合，導致離析；三是由于土層中的超孔隙水壓力對尚未初凝的混凝土進行滲透，沿樁身向水壓力較小的樁頂方向移動，造成樁身上部混凝土離析。

對于混凝土離析部位粗骨料較少而以水泥砂漿為主的地方，聲波透射法檢測到的波速值下降比較明顯。由于粗骨料少，聲波被反射散射少的緣故，導致振幅測值不但不下降，有時還會高于附近測值。而對于粗骨料多而水泥砂漿少的地方則相反，由于聲波在粗骨料中傳播速度更高，往往形成這些部位聲速測值變化不明顯，有時反而有所提高。同樣由于混凝土中主要以粗骨料為主，聲學界面多，加劇了對聲波的反射和散射，削弱了聲波信號，使得接收信號振幅下降明顯。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應的聲學參數見圖3 所示。

圖3 鉆芯取樣照片及波列

2.3 夾泥

在混凝土澆筑過程中，由于導管密封不嚴密或破損使泥漿或水進入，導致導管中的泥漿與混凝土澆筑在樁身里，導致夾泥的出現。另外一種情況是土層的原因，澆筑過程中塌孔或孔壁土層掉落的泥土在混在混凝土中造成夾泥。還有可能是由于鋼筋籠或聲測管卡住上返的泥塊，造成局部夾泥。

對于夾泥的樁身混凝土，接收波的聲速與振幅均會下降，下降多少則與缺陷的嚴重程度有關。如果是局部的泥團，并未完全包裹聲測管，尤其是并未在兩根聲測管的測線上，則下降的程度并不大。如果泥團完全包裹在聲測管四周，或泥團體積較大，嚴重阻礙了聲波的傳播，整體波形畸變更加嚴重，聲速與振幅下降程度較大，對聲波振幅的影響更為明顯。夾泥較多或全斷面為泥團時，形成斷樁，無法接收聲波信號，信號缺失。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應的聲學參數見圖4 所示。

圖4 鉆芯取樣夾泥照片及波列

2.4 樁底沉渣

樁底沉渣主要是兩方面原因，一種是灌注樁成孔過程中未清理到標準要求，一種是澆筑混凝土前孔壁塌落造成孔底沉渣超標。

樁底沉渣本身是松散不密實的堆積體，其本身聲波傳播速度就很低，對聲波的衰減也非常劇烈，所以只要是樁底沉渣過厚，聲速和振幅也會劇烈下降，接收波的波形會嚴重畸變，嚴重時信號缺失。通常在樁底出現這種情況多數是由于沉渣過厚所引起。信號與夾泥情況類似。

2.5 樁頂浮漿

對于樁頂部分，由于澆筑不到位即未達到設計標高，致使樁頂混凝土為泥砂與水泥漿的混合物，或者是樁頭鑿除時未完全清除浮漿，導致樁頭混凝土不滿足質量要求。

樁頂浮漿對聲波信號的影響比較直觀，聲速和振幅都會明顯下降。區別于樁身夾泥情況，聲速和振幅下降往往是緩變，當缺陷嚴重時，信號缺失。該類型缺陷驗證無需采用鉆芯法，直接鑿除樁頂浮漿直至新鮮混凝土面層，通過觀察即可判斷是否還存在缺陷。

3 結語

利用聲波透射法進行灌注樁樁身質量檢測，灌注樁樁身混凝土的質量情況能在聲波透射法波形圖上準確地反映出來。進一步區分缺陷類型則需綜合分析判斷，必要時采取鉆芯法進行驗證，但當缺陷范圍并非全斷面存在時，鉆孔位置處混凝土芯樣未必能夠反映出缺陷。根據聲波透射法的聲學參數異常情況，可以初步判斷缺陷類型，主要判斷關系總結如下：

1）蜂窩、空洞：混凝土內氣泡或空洞、蜂窩不會明顯降低聲速，但聲波能量明顯衰減、振幅降低明顯。

2）混凝土離析：主要以砂漿為主，粗骨料很少的樁身截面，聲速明顯降低、聲波能量不會衰減或稍有加強，振幅不變或略有提高。

3）夾泥：局部夾泥時，該檢測斷面、聲速、振幅均明顯降低；夾泥較多或全斷面為泥團時，形成斷樁，無法接收聲波信號，信號缺失。

4）樁底沉渣：與夾泥信號基本一致，樁底出現該情況，一般為樁底沉渣引起。

5）樁頂浮漿：聲速、振幅均明顯降低，但是一個緩變過程，缺陷嚴重時，信號缺失。