公路橋梁基樁檢測中超聲波透射法的運用研究

歐活誼

（廣東交粵工程檢測有限公司,廣東 廣州 510520）

0 引言

公路橋梁工程施工規模大、周期長、條件苛刻，樁基工程易出現質量與安全隱患，對工程后續施工影響大，也會影響工程整體質量。因此，嚴格檢驗基樁質量是公路橋梁工程建設中檢驗與質量控制的關鍵工作之一。超聲波透射法則是一種具有技術先進、使用簡便、可靠性高、精度高等優勢的新型檢測方法，其能夠檢測特定位置，快速確定基樁缺陷，提高檢測的精度、效率。但超聲波透射法實際應用中有著較多特殊要求，需要規范掌握方法原理、應用過程，保證檢測結果的客觀性與準確性。

1 超聲波透射法簡述

1.1 原理

超聲波透射法屬于超聲波檢測法的一種，在應用中，會在基樁中放置聲測管道與聲波發射探針、接收探針，并需要利用清水填充管道，將其充當為耦合介質；先由探測器發射出超聲波脈沖，探測待測樁體后，由接收機輸出探測頻率、波形頻譜、波幅等信息，經過轉換后可以確定離析、蜂窩等質量缺陷及其位置，進而從整體評估探測樁體的均勻程度與整體強度[1]。注意聲波透射法僅可以推測混凝土強度。

1.2 類型

按照發射和接收換能器高度變化與變換程度，可以將超聲波透射法劃分為三種類型。

1.2.1 平測法

是指發射和接收換能裝置處于相同高度，上、下相鄰兩測點的間距不應大于250 mm 并隨時校正，當樁基在垂直方向上有缺陷及程度可以判斷，但基樁水平方向上出現的問題無法判斷。所以，可以聯合斜測對水平出現的誤差進行補償。

1.2.2 斜測法

是指發射和接收換能裝置處于不同高度，但按照固定的高程差值移動。該方法應用中高程差越大基樁側向的誤差越大，主要因測量期間受訊號的影響，導致測量結果嚴重失真。所以，為了避免準確性的影響，需要結合確定的高程差來檢測。

1.2.3 扇形掃測法

扇形掃測法是指檢測中一個換能器固定在某一高度位置，另一個換能器逐點移動，由于測點之間有一定距離，使測量線路形成扇面形狀。有時候可以利用扇形掃測來預防換能器過于起落頻繁，從而影響樁頂、樁底等位置無法采用斜測法檢測；且也用于核查與判定可能存在的異常情況。

2 公路橋梁基樁檢測中超聲波透射法的運用

2.1 準備工作

2.1.1 聲測管預埋

當樁徑<1 m 時，安裝二根管；當1 m ≤樁徑≤1.6 m 時，安裝三根管；當1.6 m<樁徑<2.5 m 時，安裝四根管；當樁徑≥2.5 m 時，聲測管的數量應增加。聲測管應采用金屬管，壁厚不應小于2 mm，其內徑應比換能器外徑大，不小于15 mm，金屬管宜采用螺紋連接或套管焊接等工藝，且不滲漏聲測管應牢固焊接或綁扎在鋼筋籠內側捆扎聲測管，管口應高出樁頂一部分（≥300 mm）；聲測管之間保持平行，垂直于地面；布置結束后，疏通聲測管，將上下兩端封閉[2]。

2.1.2 儀器、設備檢查

儀器檢測系統包括徑向換能器、發射、接收、放大、采集、處理、顯示、存儲等集合于一身的完整設備。檢測期間需在檢測前提前做好檢查，確認連通電源后儀器、設備的運行狀態，確保正常工作、性能穩定。同時，針對檢測期間信號傳輸延遲、諧波多等問題，需要提前采取控制措施，并矯正精密儀器，為檢測高效、可靠地進行創造穩定的硬件基礎。

2.2 檢測過程

在聲測管內安裝接收換能器，進行簡單試驗，保證換能器能夠正常上升與下降；根據檢測需要設置測量設備參數，確保接收高信噪比的數據；調整換能器高度，聲波發射與接收換能器應處于相同標高位置或保持固定高差同步升降，測點間距不宜超過250 mm，其累計相對高差不應大于20 mm；啟動儀器后標定超聲波檢測儀發射至接收的系統延遲時間t0，然后找出儀器顯示的首波，測量聲速、波形、波幅、主頻等參數并保存；每次測量結束后，需要重復試驗判斷測量精度，重復試驗范圍控制在10%~20%內，并控制聲時相對標準差在5%以內、頻率相對標準差在10%以內，但發現振幅或聲時存在明顯異常時必須進行重復試驗[3]。有時候可用4 種檢測手段來測定聲速和波幅異常的部位，從而確定樁身混凝土缺陷的位置、大小和嚴重程度。

2.3 結果判別

2.3.1 樁身完整性判別

基于檢測中獲取的數據對基樁完整性進行評估。期間需要參考聲速臨界值、PSD 判據值、波幅臨界值、實測波形等判斷準則，結合樁型、地質情況、成樁工藝、實測波形、聲波參量、技術規程等因素，立足整體綜合判定。基身完整性分為4 個等級：

（1）Ⅰ類樁：完整的樁身。

（2）Ⅱ類樁：基本完整的樁身。

（3）Ⅲ類樁：有明顯缺陷的樁身。

（4）Ⅳ類樁：有嚴重缺陷的樁身。

2.3.2 混凝土質量判定

基于實測中獲得的聲波參量、深度不同測點的波形特點推測基樁混凝土強度，評估基樁整體質量。

（1）聲波參量判定依據如下：①聲時均勻、無突變，波幅無大衰減，波形正常，表示質量完好；②聲時增大，波幅有衰減，波形畸變，表示混凝土內部有離析現象；③聲時顯著增大，波幅明顯衰減，波形嚴重畸變，表示混凝土內部有斷裂現象。

（2）波形判定依據如下：①樁身完整時波形正常，相對典型，聲時曲線呈現出一條平穩直線，無明顯轉折，波動也無明顯變化，更無異常下降；②檢測出分離樁時波形會出現波浪，但波形畸變幅度小。當基樁內部出現大量砂粒或孔洞時，超聲波信號聲場強度會有所提高，與正常相差10%~20%左右，且有明顯的衰減；③檢測出基樁破裂時波形也會出現波浪，但波形畸變幅度大。基樁局部出現斷裂時，聲波在傳輸時會出現明顯的峰值，超過正常范圍30%左右，且幅度也呈現明顯下降趨勢。據以往試驗經驗總結，遇砂石層時振幅衰減幅度范圍在50%~100%，遇泥沙夾層時振幅衰減幅度在80%~100%，聲波呈一條直線。

3 實例分析

3.1 工程概況

某在建的一級公路兼容市政道路改造項目，施工段內包括公路、橋梁、下穿隧道等多類型工程施工。施工區域地勢情況復雜、橋梁跨徑大，要求樁基承載力大，設計樁基為端承灌注樁，為確保樁基施工質量與完整信息，該項目部分大樁徑樁基采用超聲波透射法檢測樁基完整性。

3.2 檢測過程

該項目橋樁徑為1.5 m、1.8 m 和2.0 m，需安裝3 或4 根聲測管，分別編號聲測管A、B、C、D 或1、2、3、4，檢測采用檢測儀器采用武漢中巖科技RSM-SY7、武漢巖海RS-ST06D（T）跨孔超聲波檢測儀，同時結合抽芯綜合判斷完整性。

3.3 結果分析

3.3.1 Ⅰ類基樁

編號Z18-1基樁為端承樁（如圖1所示），樁長37.00 m、設計強度為C30、樁徑1 500 mm，測得波速平均值為4.462 km/s，波幅平均值為97.1 dB。與臨界值相比，聲測剖面結果顯示聲速值與波幅值均未低于臨界值，按照規范評定標準可以初步確定為Ⅰ類基樁。同時，檢測中采用儀器逐一激發測點，隨著測點高度的增加，聲速、PSD值等聲學參數也會發生變化，但對數值模擬結果進行綜合分析后發現，基樁檢測剖面的聲學參數均處于正常范圍內，無異常情況，表示樁身整體完整、波形無異常[4]。最終判定為Ⅰ類基樁。

圖1 Z18-1 樁基超聲波檢測結果示意圖

3.3.2 Ⅱ類基樁

編號Z20-1基樁為端承樁（如圖2所示），樁長41.00 m、設計強度為C30、樁徑1 500 mm，測得波速平均值為4.367 km/s，波幅平均值為106.77 dB。三個剖面檢測結果顯示，其中檢測樁頂標高以下5.20~5.60 m 深度范圍內局部混凝土存在輕度缺陷，一個剖面存在聲速與波幅異常點，多個剖面存在波幅異常點，其他剖面均無異常。根據技術規程判別要求，最終判定為Ⅱ類基樁。

圖2 Z20-1 樁基超聲波檢測結果示意圖

3.3.3 超聲波檢測結合抽芯綜合判定Ⅱ類基樁

編號Y19-1 基樁為端承樁（如圖3 所示），樁長43.00 m、設計強度為C30、樁徑2 000 mm，測得波速平均值為4.356 km/s，波幅平均值為108.24 dB。6 個剖面檢測結果顯示，其中檢測樁頂標高以下1.20~3.10 m 深度范圍內局部混凝土存在輕度缺陷，3 個剖面存在聲速與波幅異常點，病害集中在2 號聲測管附近，多個剖面存在波幅異常點，PSD 圖顯示明顯缺陷，其他剖面均無異常。根據技術規程判別要求，可判定為Ⅲ類基樁；抽芯驗證在約1.3 m 左右位置存在局部蜂窩。經分析可能在灌注完成后拔取鋼護筒的時候對混凝土擾動造成。經對蜂窩注漿處理，最終結合超聲波檢測與抽芯結果對芯樣完整性判斷，此樁基判為Ⅱ類基樁。

圖3 Y19-1 樁基超聲波與抽芯檢測結果示意圖

3.3.4 超聲波檢測結合抽芯綜合判定Ⅱ類基樁

編號Y20-3 基樁為端承樁（如圖4 所示），樁長34.50 m、設計強度為C30、樁徑1 800 mm，測得波速平均值為4.443 km/s，波幅平均值為106.79 dB。六個剖面檢測結果顯示，其中檢測樁頂標高以下34.4~34.5 m 深度范圍內局部混凝土存在輕度缺陷，五個剖面存在聲速與波幅異常點，PSD 圖顯示缺陷明顯。根據技術規程判別要求，可判定為Ⅲ類基樁；抽芯驗證在約34.4 m 樁底左右位置存在局部沉渣或結合面不良。經調查，清孔施工結束后，未能及時灌樁，導致孔底出現泥漿沉淀情況，增加沉渣厚度。由于基樁屬于端承樁，對樁底沉渣厚度要求較為嚴格，出現沉渣問題必然會對樁身與底部巖石之間的連接產生負面影響，導致基樁承載能力下降[5]，所以必須對樁底注漿處理，結合超聲波檢測與抽芯結果對芯樣完整性判斷，此樁基判為Ⅱ類基樁。

圖4 Y20-3 樁基超聲波與抽芯檢測結果示意圖

4 結語

綜上所述，超聲波透射法是一種能夠判定與評估基樁完整性、質量、整體安全性的無損檢測技術，其操作方便、原理簡單、精準度高。但在應用過程中，需掌握技術規范要求以及方法原理，了解不同類型方法的適用條件，減少操作上的失誤，且嚴格按照判定依據分析結果，必要時結合低應變反射波法、抽芯驗證法和孔內攝像法等綜合評估基樁情況，及時發現質量與安全缺陷，避免在公路橋梁工程建設中造成不可預估的危害和無法挽回的損失。