聲波透射法及低應變法檢樁工程實例分析

劉 揚

（吉林省建筑科學研究設計院（吉林省建筑工程質量檢測中心），吉林 長春 130000）

0 引言

低應變法由于操作方便，而且成本較低，成為施工驗收檢測中廣泛采用的一種測定樁身完整性的方法。聲波透射法應事先預埋聲測管，操作較低應變法稍微復雜，但判定準確性高，對于一些大直徑樁、承載力較高的不適合做靜載試驗的樁（例如橋梁樁），經常作為驗收手段。

基樁作為常見的基礎形式，其成樁質量對于保證工程的質量和安全具有至關重要的作用。低應變法及聲波透射法均為實際工程中經常采用的測試基樁完整性的方法，除此之外基樁檢測方法還有鉆芯法、高應變法、靜載試驗等（靜載無法檢測完整性）。由于鉆芯法的操作比較復雜，多用于有爭議時的補充檢測驗證[1]。

1 檢測原理對比

低應變法是采用低能量瞬態或穩態激振方式在樁頂激振，實測樁頂部的速度時程曲線或速度導納曲線，通過波動理論分析或頻域分析，對樁身完整性進行判定的檢測方法。低應變法適用于檢測混凝土樁的樁身完整性，判定樁身缺陷的程度及位置。它屬于快速普查樁的施工質量的一種半直接法。低應變法包括反射波法和機械阻抗法。

與靜載試驗和鉆芯法等直接方法相比，低應變法主要特點是檢測速度快、費用低和檢測覆蓋面廣。如采用低應變方法的抽檢比例一般占總樁數的20%以上，可降低直接法小比例抽測漏檢的概率，并得出樁基礎中所有基樁整體施工質量的粗略估計。低應變法已成為樁身施工質量檢測中應用最為普及的方法。

樁完整性的反射波法診斷技術是以一維波動理論為基礎。由一維波動理論可知，樁阻抗是其橫截面積，材料密度和彈性模量的函數：

式中：Z為樁的廣義波阻抗，N·s/m；c為樁的聲波速度，m/s；E為樁的彈性模量，N/m2；ρ為樁的質量密度，kg/m3；A為樁的面積，m2。

將一維波動理論用于線彈性樁（樁的長度遠大于樁的直徑且入射波波長大于樁的直徑）。在樁頂錘擊力作用下，產生一壓縮波，此波以波速c沿樁身向下傳播。假定樁的材料沿長度不變（即c不變），則樁的阻抗變化僅和截面積大小有關。截面的任何變化都使部分入射波產生反射。反射波和透射波的幅值大小及方向由前述的理論決定[2]。對低應變曲線的完整性類別判定見表1。

表1 低應變法樁身完整性判定[2]

聲波檢測一般是以人為激勵的方式向介質（被測對象）發射聲波，在一定距離上接收經介質物理特性調制的聲波（反射波、透射波或散射波），通過觀測和分析聲波在介質中傳播時的聲學參數和波形的變化，對被測對象的宏觀缺陷、幾何特征、組織結構、力學性質進行推斷和表征。而聲波透射法則是以穿透介質的透射聲波為測試和研究對象的。

聲波透射法的檢測方式為：在樁內預埋2根或2根以上的聲測管，再將發射、接收換能器分別置于兩管道中（如圖1所示）。檢測時聲波由發射換能器發射穿透兩管間混凝土后被接收換能器接收，實際有效檢測范圍為聲波脈沖從發射換能器到接收換能器所掃過的面積。根據發射和接收換能器高程的變化又可分為平測、斜測、扇形掃測等方式[3]。

圖1 灌注樁聲波透射法檢測方式示意圖

當采用鉆芯法檢測大直徑灌注樁樁身完整性時，可能有2個以上的鉆芯孔。如果需要進一步了解兩鉆孔之間的樁身混凝土質量，也可以將鉆芯孔作為發、收換能器通道進行跨孔透射法檢測。

新規范發布以來，對檢測方法有了新的調整。比如用聲測線這一參數代替了原來的測點。對于測量的密度也進行了調整，從以前的25 cm測量1次變成了10 cm測量1次，使測量精度更高，更易發現較小的缺陷。此外，設備也在不斷進步，以往的設備采用延續一發雙收的測量方法，有些設備需手動采集，測量耗時較長。目前設備多采用自發自收的方式，測量速度有較大的提升，聲測線更加密集，測量效率仍很高。在數據的處理方面，也由原來的單邊剔除法改為雙邊剔除法。雙邊剔除法采用異常小、異常大……依次剔除的方法，標準差較單邊剔除法更小，更符合實際。通過大量的數據研究發現，雙邊剔除法可以有效降低由于聲速標準差較大而導致統計值判斷不準確的情況。較好地減少了漏判樁身缺陷的情況，更安全適用，且更加合理。聲波透射法對基樁的完整性判別標準見表2。

表2 聲波透射法樁身完整性判定[4]

表2為《建筑基樁檢測技術規范》JGJ 106—2014對完整性類別判定。自新規范發布以來，對聲波透射法判別基樁完整性類別的規定有了一定的調整，調整后分類更加細致。但是調整后的分類方法仍然無法達到量化，所以在檢測人員評判劃分時仍有一定的經驗成分。

2 工程實例分析

2.1 工程實例分析一

某在建工程，為跨河橋梁項目，基礎采用混凝土灌注樁，擬采用沖擊成孔，本樁長22 m，樁徑1.3 m，樁身采用C30混凝土強度等級，采用預埋聲測管的方法，預埋3根聲測管?，F場采用聲波透射法進行檢測，再采用低應變法對其進行驗證檢測。其中某樁的檢測數據曲線見圖2～圖3（圖2為基樁3個斷面的剖面聲速-深度曲線、波幅-深度曲線；圖3為低應變法檢測的曲線，現場采集時曲線比較穩定，故選取其中1個作為例子）。

圖2 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線

圖3 低應變法檢測樁身完整性

通過聲波透法檢測的聲速、波幅-深度曲線得出，基樁在-5 m處接收到的信號有輕微異常，聲速減小、波幅削弱，但尚能接收到完整的波形信號，故推測此處有離析等缺陷，初步評定基樁完整性類別在Ⅱ類～Ⅲ類柱范圍內。現場又采用低應變法對基樁完整性進行檢測，基樁未發現明顯缺陷反射，若無聲波透射法做對比，僅依靠低應變法可能判為Ⅰ類樁。

通過工程實例分析，聲波透射法對缺陷的測定更加細致，較小的缺陷也能夠被發現，判定結果也更為嚴格。低應變法較為直接，無明顯缺陷即可判為Ⅰ類樁。綜合分析原因有：①聲波透射法采用的超聲波進行檢測，超聲波的波長和低應變激振力產生的應力波來比，波長更短，因此更能發現檢測中更小的缺陷；②聲波透射法的檢測頻率，相比低應變來說要細，小缺陷也更能被檢測。因此，聲波透射法可以檢測出樁身的多處缺陷，而低應變法很難達到。

在以后工程中如果同樣兩種方法檢測有偏差，建議用鉆芯、開挖等方法進行直接驗證[5]，或從嚴謹角度出發采用聲波法結論。

2.2 工程實例分析二

某跨河工程橋梁，為高鐵與體育場連接線工程，原址兩地之間有一河流隔斷，擬建項目為連續箱梁結構橋，建成后連通高鐵站與體育場。橋梁采用鉆孔灌注樁，設計樁長22 m，樁徑1 m～1.2 m，樁端持力層為中風化粉砂質泥巖，樁身混凝土強度C30。設計要求采用聲波透射法對其進行檢測，預埋聲測管3根。經檢測選取某樁曲線，圖4為其聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線，圖5為其實測波列圖。

圖4 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線（底部明顯缺陷）

圖5 實測波列圖（底部明顯缺陷）

通過聲波透法檢測的曲線分析，基樁上部樁身部分無明顯異常曲線，但在樁底存在明顯波形變化或接收不到波形。波形從該異常位置往下逐漸削弱，直至完全接收不到波形，聲速迅速減小，波幅削弱明顯，可以推斷底部樁身混凝土質量較差。由于此現象比較普遍（大部分樁的檢測波形均為此），初步判斷是由于施工工藝引起的。經過現場論證會得出結論，現場施工時樁底清孔效果差，是樁底沉渣，沉渣厚度約為1 m。（后續通過現場取芯法，發現鉆取到預定位置時，樁底部分無法取出完整混凝土，確定為樁底沉渣。這也證實了聲波透射法測量是比較準確的）。

為了驗證結果，現場又采用低應變法對基樁完整性進行檢測，圖6為低應變法檢測波形，基樁未發現明顯缺陷反射。由于低應變法無法精確確定樁長，而樁身位置并無明顯缺陷，由此看出低應變并無法檢測出樁底沉渣，僅依靠低應變檢測容易誤判為Ⅰ類樁。

圖6 低應變法檢測波形

2.3 工程實例分析三

某景觀橋，結構設計形式為梁式橋，共計3跨，中跨過1條小河，共4個承臺，每個承臺下3根灌注樁，總樁數12根，樁徑1 300 mm，樁長9 m～15 m，樁身混凝土強度C30。設計預埋3根聲測管，采用聲波透射法對其檢測，經檢測發現，所有樁在5 m處、11 m處波形均有明顯異常，波幅削弱、波速減小，且缺陷在每個剖面均有連續，初步判為Ⅳ類樁。詳見圖7～圖8（圖7為聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線，圖8為實測波列圖，圖示為其中某個樁的實測曲線，其他樁的實測曲線大體相同）。

圖7 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線（兩處明顯缺陷）

圖8 實測波列圖（兩處明顯缺陷）

由于所有樁型均為相同位置處發現缺陷，起初推斷為地層原因引起相同位置樁身離析或縮頸。但對比地勘報告發現缺陷位置處并無明顯地層變化，且詢問現場施工情況表示灌注過程中并未發現異常，樁孔良好。又用低應變法對樁身進行檢測，發現樁身無明顯缺陷，詳見圖9。

圖9 低應變法檢測波形（無明顯缺陷）

現場調查后發現，其聲測管在施工過程中，兩節聲測管相接處未按設計要求的連接方式，而是簡單焊接后又纏塑料膠帶作為防水措施。故推斷是由于塑料膠帶使混凝土與聲測管粘接不好，導致信號被削弱，造成了誤判。鑒于可能造成誤判，又對其中兩處樁采取了鉆芯法檢測，抽芯后發現芯樣完好，并無離析、夾泥或其他缺陷。此工程的樁改判為Ⅰ類（現場取芯如圖10所示）。

圖10 現場取芯照片

通過工程總結發現，低應變法受限制比較多，往往與現場的工程地質、水文環境、施工工藝、樁的養護、地層條件都有關系，要求檢測人員對多方條件有了充分的認識才能對檢測結果有精準的判斷。聲波透射法相對來說檢測較為準確，但也有一定的局限性，例如聲測管本身安裝問題，管中有泥漿等都會影響檢測信號，容易造成誤判。由于聲測管的限制，信號為兩個聲測管之間的，無法測得整個樁截面的完整性。

3 結語

本文主要分析了聲波透射法及低應變法在工程中聯合測定的問題，文中的3個實例分析均為近年來的工程實例，聲波透射法和低應變法所測量結果并不一定完全一致，兩者相輔相成互為參考。聲測法中發現的缺陷在低應變法中不一定能體現出，但是聲測法由于其檢測方式，或可造成誤判，此時可用低應變法進行佐證，或結合其他手段進行驗證。有時往往需要結合多種情況進行分析，最后才可得出正確的結論。期望本次研究能夠對基樁檢測技術有所裨益，提高檢測結果的科學性和可信度。